Flammhemmender und recycelbarer Faserverbundwerkstoff entwickelt: Flugzeuge und Züge recycelbar machen
Flugzeuge und Passagierzüge müssen strenge Sicherheitsanforderungen
erfüllen, unter anderem auch an den Brandschutz. Dafür sind Materialien
gefragt, die flammhemmend, leicht, robust und skalierbar sind. Ein solches
Material – einen Verbundwerkstoff – haben Empa-Forschende gemeinsam mit
dem Industriepartner Elantas nun erstmals vollständig recycelbar gemacht.
«Keine Flugmaschine wird jemals von New York nach Paris fliegen», sagte
einst der Flugpionier Orville Wright. Was selbst den visionären Gebrüdern
Wright wie ein Ding der Unmöglichkeit erschien, ist heute Realität – unter
anderem dank neuer Materialien, die moderne Flugzeuge und Triebwerke
überhaupt erst möglich machen. In den mehr als 100 Jahren seit Wrights
ersten Flugversuchen ist die Aviatik nicht nur leistungsstärker geworden,
sondern zum Glück auch deutlich sicherer. Die Materialien, die beim Bau
von Flugzeugen zum Einsatz kommen, müssen strengste Sicherheitsauflagen
erfüllen, darunter auch beim Brandschutz. Zugleich müssen sie leicht und
mechanisch robust sein – und zunehmend auch recycelbar.
«Alle diese Eigenschaften unter ein Dach zu bringen ist eine
Herausforderung», erklärt Empa-Forscher Sabyasachi Gaan aus dem Labor
«Advanced Fibers». «Wenn man ein Material zum Beispiel flammhemmend macht,
verändert man immer auch die anderen Eigenschaften mit.» Dieser
Herausforderung haben sich Gaan und sein Team gemeinsam mit dem zum
deutschen Spezialchemie-Konzern ALTANA gehörenden Industriepartner Elantas
in einem von der Innosuisse unterstützen Projekt gestellt. Ihr Fokus lag
dabei auf einem bestimmten Verbundwerkstoff, der für den Innenausbau von
Flugzeugen und Zügen verwendet wird, beispielsweise für den Boden der
Passagierkabine.
Epoxid wird nachhaltiger
Das Material ist ein mehrschichtiges «Sandwich». In der Mitte liegt eine
Wabenstruktur aus Aramid, einem hitzeresistenten Kunststoff. Dieser
stabile, leichte Kern wird von oben und unten mit mehreren flach gewobenen
Schichten aus Glas- oder Kohlefasern versehen. Als Bindemittel dient
Epoxidharz, wie bei vielen Verbundwerkstoffen. Normalerweise lässt sich
dieses Polymer weder chemisch noch thermisch recyceln – sprich, es kann
weder eingeschmolzen noch aufgelöst werden. «Verbundwerkstoffe mit Epoxid
landen heute in Deponien oder werden verbrannt», sagt Gaan.
Genau hier haben die Empa-Forschenden ein Ass im Ärmel. Sie haben einen
Zusatz für Epoxidharz entwickelt, der das Material flammhemmend macht –
und zugleich recycelbar. Wird Epoxid bei der Herstellung mit diesem
phosphorhaltigen Molekül versetzt, lässt es sich nach dem Aushärten unter
bestimmten Bedingungen wieder weich machen und neu formen – sogenanntes
thermomechanisches Recycling, das für Epoxid bisher ein Ding der
Unmöglichkeit war.
Alle Komponenten zurückgewonnen
Im Innosuisse-Projekt haben die Partner jedoch ein anderes Ziel verfolgt:
Das vollständige Recycling des Verbundwerkstoffs. Mit dem richtigen
Lösungsmittel und etwas Wärme lässt sich das «Sandwich» wieder in seine
einzelnen Komponenten zerlegen: die Wabenstruktur und die gewobenen
Fasern. Insbesondere die Aramid-Waben, aber auch Kohlefasern, sind
verhältnismässig teuer. Ihr Recycling ist daher auch wirtschaftlich
attraktiv. «Grundsätzlich ist es auch möglich, das Epoxidharz selbst aus
der Lösung zurückzugewinnen. Das wollen wir in künftigen Projekten
angehen», so Gaan.
Entwickelt wurde das recycelbare Epoxidharz an der Empa. Mit Elantas haben
die Forschenden nun erstmals sein Potenzial für eine industrielle
Anwendung erkundet. «Unser Material erfüllt die Brandschutzbestimmungen
und erreicht fast dieselben vorteilhaften mechanischen Eigenschaften wie
gewöhnliches Epoxid», sagt Gaan. «Es lässt aber erstmals ein vollständiges
Recycling des Verbundwerkstoffs her.»
Mit dem Verlauf des Projekts sind die Projektpartner zufrieden. Der
nächste Schritt ist die weitere Skalierung der Herstellung und des
Recyclings. «Für die Luftfahrtindustrie ist es entscheidend, Brandschutz,
Leichtbau und Rezyklierbarkeit zu vereinen. Dieses Epoxid-Verbundsystem
zeigt, dass das nun erstmals möglich ist», sagt Fiorenzo Lenzi, Leiter
Produktlinie Aerospace/Ballistic bei Elantas.
Gleichzeitig forscht Sabyasachi Gaan mit seinem Team bereits an weiteren
Anwendungen für den recycelbaren flammhemmenden Kunststoff, etwa im
Energiesektor und im Baubereich. Dass ein Material es so weit schafft, ist
auch der Grundlagenforschung zu verdanken, betont der Wissenschaftler.
«Bevor wir an den Anwendungen arbeiten können, müssen wir die
Materialeigenschaften sehr gut verstehen.» Die Gebrüder Wright würden ihm
wohl Recht geben. Denn, wie Wilbur Wright 1900 in einem Brief an den
Ingenieur Octave Chanute schrieb, «Es ist möglich, ohne Motoren zu
fliegen, aber nicht ohne Wissen und Können.»
BOX:
Innovationen für die Schweiz – dank neuer Materialien
Rund 70% aller Innovationen beruhen auf neuen Materialien. Herausragende
Materialforschung und Technologieentwicklung sind daher für einen
Innovations-Hotspot wie die Schweiz unerlässlich. Genau dafür steht die
Empa, das Materialforschungsinstitut des ETH-Bereichs – seit mehr als 120
Jahren. Interdisziplinäre Teams kreieren hier stetig Neues, etwa
bioabbaubare Batterien und Computerkomponenten, Drohnen, die aus vollem
Flug ins Wasser eintauchen können, Digitale Zwillinge ganzer Städte,
neuartige Therapien gegen antibiotikaresistente Keime, alternative
Materialien für Problemstoffe wie PFAS und vieles mehr. In unzähligen
Industriekooperationen und über Spin-offs wird so die Empa-Vision
«Materialien und Technologien für eine nachhaltige Zukunft» in die
Schweizer Wirtschaft und Gesellschaft hinausgetragen.
