Für Flugzeuge und Züge Forscher entwickeln recycelbarer Faserverbund 

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Flugzeuge und Passagierzüge müssen strenge Sicherheitsanforderungen erfüllen. Dafür sind Materialien gefragt, die flammhemmend, leicht, robust und skalierbar sind. Einen solchen 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. „Wenn man ein Material zum Beispiel flammhemmend macht, verändert man immer auch die anderen Eigenschaften mit“, erklärt Empa-Forscher Sabyasachi Gaan aus dem Labor Advanced Fibers.  

Flammhemmender und recycelbarer Faserverbundwerkstoff

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.

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. „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 (FAQ-Kasten), 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 lasse  aber erstmals ein vollständiges Recycling des Verbundwerkstoffs zu.

Auch für Baubereich und Energiesektor interessant

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 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.“