Mit einem neu entwickelten Epoxidharz schaffen Forschende der Empa eine Lösung für ein zentrales Entsorgungsproblem duroplastischer Kunststoffe. Das Material, das bislang weder eingeschmolzen noch stofflich wiederverwertet werden konnte, lässt sich künftig thermomechanisch sowie chemisch recyceln. Damit eröffnet sich insbesondere für faserverstärkte Verbundwerkstoffe in Aviatik, Automobilindustrie und Energietechnik eine neue Perspektive.
Möglich wird dies durch die gezielte chemische Modifikation des Harzes vor dem Aushärten. Ein phosphorhaltiges Polymer verändert die Vernetzungsstruktur so, dass sich diese unter Hitzeeinwirkung neu anordnen kann. Neben der Recyclingfähigkeit bleibt das Epoxidharz mechanisch widerstandsfähig, wirkt flammhemmend und ist inzwischen so weiterentwickelt, dass eine industrielle Skalierung realistisch erscheint.
Epoxidharz zwischen Hochleistung und Entsorgungsproblem
Epoxidharz gehört zu den sogenannten Duromeren und zeichnet sich durch eine dauerhaft vernetzte Polymerstruktur aus. Diese enge molekulare Vernetzung verleiht dem Material seine hohe mechanische Stabilität, chemische Beständigkeit und Formtreue, macht es jedoch zugleich praktisch unrecycelbar. Nach dem Aushärten lässt sich Epoxidharz nicht erneut aufschmelzen oder umformen. Am Ende seines Lebenszyklus bleiben daher bislang nur Verbrennung oder Deponierung – mit entsprechenden ökologischen Folgen, da Kunststoffe überwiegend auf fossilen Rohstoffen basieren und bei der thermischen Verwertung CO₂ freisetzen.
Trotz dieser Einschränkung ist Epoxidharz in zahlreichen Anwendungen unverzichtbar. Es wird als Beschichtung und Klebstoff eingesetzt und bildet vor allem die Matrix in faserverstärkten Verbundwerkstoffen. In Kombination mit Glas- oder Kohlefasern kommt es in Flugzeug- und Autoteilen, Sportgeräten sowie Windturbinen zum Einsatz. Gerade diese langlebigen Hochleistungsanwendungen erzeugen am Ende ihrer Nutzungsdauer Abfallströme, für die bislang keine stoffliche Verwertung möglich war. Vor diesem Hintergrund erhält die Entwicklung eines recycelbaren Epoxidharzes besondere Relevanz.
Phosphor ermöglicht Recycling bei gleichbleibender Leistung
Den entscheidenden Ansatz fanden die Empa-Forschenden in der gezielten Veränderung der chemischen Struktur. Während phosphorbasierte Additive üblicherweise lediglich als Flammschutzmittel in Pulverform beigemischt werden, wird hier ein phosphorhaltiges Polymer bereits vor dem Aushärten in das Harz eingebracht. Dieses reagiert mit dem Epoxid und wird integraler Bestandteil des Netzwerks. Die flammhemmende Wirkung bleibt dadurch erhalten, ebenso die mechanischen Eigenschaften, die für technische Anwendungen entscheidend sind.
Gleichzeitig verändert das Phosphor-Polymer die Art der Vernetzung im ausgehärteten Epoxidharz. Unter Hitzeeinwirkung können sich die Verbindungen neu anordnen, ohne dass das Material seine strukturelle Integrität verliert. Dadurch wird ein thermomechanisches Recycling möglich: Nach der Nutzung wird das Epoxidharz zu Pulver vermahlen und unter Wärmeeinfluss in eine neue Form gepresst. In Versuchsreihen durchlief das Material zehn Recyclingzyklen, ohne nennenswert an mechanischer Widerstandsfähigkeit einzubüßen. Neben der Wiederverwertbarkeit bleibt somit auch die Leistungsfähigkeit erhalten, was für industrielle Anwendungen eine zentrale Voraussetzung darstellt.
Chemische Rückgewinnung und industrielle Perspektiven
Besonders anspruchsvoll ist die Verwertung von faserverstärkten Verbundwerkstoffen, in denen Epoxidharz untrennbar mit Glas- oder Kohlefasern verbunden ist. Hier stößt das rein thermomechanische Verfahren an Grenzen, da sich solche Bauteile nicht einfach zerkleinern lassen. Das neu entwickelte Epoxidharz eröffnet jedoch auch in diesem Bereich eine Lösung, da es sich chemisch auflösen lässt. Auf diese Weise können die eingebetteten Fasern ohne nennenswerte Beschädigung zurückgewonnen werden. Zudem lassen sich über 90 Prozent des Epoxidharzes sowie des enthaltenen Phosphors zurückführen. Das Verfahren ist allerdings energieintensiv und erfordert größere Mengen an Lösungsmitteln, weshalb es gegenüber dem thermomechanischen Recycling als nachrangige Option gilt – für faserverstärkte Epoxidharze jedoch bislang alternativlos ist.
Parallel zur Materialentwicklung wurde der Herstellungsprozess so weit optimiert, dass eine industrielle Skalierung möglich erscheint. Als erste Anwendungsfelder kommen Beschichtungen im Innen- und Außenbereich in Betracht, wo das Epoxidharz neben seiner Recyclingfähigkeit auch durch verbesserte Farbstabilität überzeugt und weniger stark vergilbt. Darüber hinaus bietet sich der Einsatz als Klebstoff in Windturbinen an, die aufgrund von Kurzschlüssen oder Blitzeinschlägen brandgefährdet sind. Neben einer erhöhten Brandsicherheit könnte das Material Wartung und Austausch erleichtern, da es unter geeigneten Bedingungen auch nach dem Aushärten wieder verformbar bleibt. Darüber hinaus prüfen die Forschenden, das entwickelte Phosphorpolymer weiteren Kunststoffen zuzusetzen, um deren Brandresistenz und Recyclingfähigkeit ebenfalls zu verbessern.
Originalpublikation: A Sekar, H Muller, C Hervieu, S Dul, M Jovic, D Parida, S Lehner, P Rupper, E Perret, S Gaan: Sustainable fire-safe epoxy composites enabled by reactive polyphosphonates; Chemical Engineering Journal (2025); doi: 10.1016/j.cej.2025.165779
