AVK und IKK veröffentlichen im Bereich faserverstärkte Kunststoffe gemeinsame Recyclingstudie.

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Recycling

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Composites-Recycling-Studie liegt vor

Kohlefasern lassen sich nur schlecht aus Verbundbauteilen zurückgewinnen. Ein Recyclingverfahren verspricht nun Abhilfe ohne die Fasern zu schädigen.

Recycelte Carbonfasern (links) kommen für das vorgestellte CFRTP-UD-Band (rechts) zum Einsatz.

Kohlenstofffasern / -matten

Kunststoff Werkstoffe

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Fasern

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Kunststoff-Halbzeuge

Carbonfasern aus Fahrzeugen wiederverwenden

Die traditionellen Märkte für glasfaserverstärkte duroplastische Kunststoffe bleiben stabil. Thermoplastcomposites starten bei hybriden Verarbeitungsprozessen durch. Mit pragmatischen Ideen packt die Faserverbundindustrie die Recyclingfrage an.

Das Arevo-„ebike“ hat einen 3D-gedruckten CFK-Monocoque-Rahmen, in den u. a. der Drivematic-Getriebeaktuator von Oechsler integriert werden kann

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Faserverbundkunststoffe (FVK)

Glasfasern / -matten

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Harzsysteme für Composite-Herstellung

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Große Vielfalt und pragmatische Ideen

Seit Oktober 2020 ist Warden Schijve Teil des AZL-Engineering-Teams und baut den Bereich für Produkt- und Anwendungsentwicklung im Leichtbau weiter aus.

Begrüßung des neuen Kollegen im AZL Tech Center (v. l.): Dr. Michael Emonts, Warden Schijve, Philipp Fröhlig und Dr. Kai Fischer

Faserverarbeitung

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Personen

Werkzeuge für Faserverarbeitung

Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung

Kunststofffasern

Neues Mitglied im AZL-Engineering-Team

Der Klima- und Verkehrswende kommen ausgeklügelte Faserverbundlösungen zugute. Für Marine, Infrastruktur und Schienenfahrzeugbau konkurrieren vielfältige Brandschutzkonzepte. Die Branche widmet dem Recycling größere Aufmerksamkeit.

Das erste naturfaserverstärkte Satellitenpaneel ermöglicht eine sichere Weltraumerkundung und verglüht beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre vollständig

Faserverbundkunststoffe beleben das Transport- und Bauwesen

Composite-Halbzeuge

Naturmaterialien

Composites setzen Trends im Leichtbau

Die geringe Wärmeleitfähigkeit der Kunststoffmatrix limitiert die Wärmeleitung in polymeren Faserverbundwerkstoffen. Eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit der Matrix kann dazu beitragen, die Wärme in einem Bauteil besser zu verteilen, thermische Spannungen zu reduzieren und damit die Lebensdauer zu erhöhen.

Beschichten von Kunststoffen

Oberflächentechnik

Chemisches Bearbeiten (Auftragen)

Wärmeleitfähigkeitsmessung

Messtechnik

Messung von Umgebung (Klima)

Kohlenstofffaser-Epoxydharz-Verbunde mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit – Struktur und Eigenschaften

Der Leichtbau gewinnt besonders im Automobilbau zunehmend an Bedeutung und ist Thema in zahlreichen Forschungsprojekten. Welch hohes Potenzial das Faser-Direkt-Compoundieren von Arburg hierfür bietet, zeigt das Verbundprojekt MoPaHyb – Modulare Produktionsanlagen für Hybridbauteile.

Mit der Kombination aus Spritzpressen und FDC-Verfahren lassen sich, wie bei dieser Sitzlehne, bisher nicht herstellbare Bauteildimensionen umsetzen

MoPaHyb-Projekt: Leichtbauverfahren FDC in Kombination mit Spritzpressen

Hybridtechnik

Spritzgießen

Pressen von Kunststoffen

Hybrid-Spritzgießen (Metall / Kunststoff)

Langglasfaserverarbeitung im großen Stil

Mit der Einrichtung auf dem Gelände des Automotive Center Europe (AMCEU) in Neufahrn bei München will die Toray Resins Europe GmbH neue Entwicklungen bei technischen Hochleistungskunststoffen vorantreiben.

Das neue Resins Technical Center ist Teil des Toray-Automotive Center Europe bei München. In der Einrichtung forscht Toray an Kunststofflösungen, die besonders den Anforderungen der E-Mobilität Rechnung tragen

Toray eröffnet Resins Technical Center bei München

Endlosfaserverstärkte Thermoplast-Composites etablieren sich auch bei dünnwandigen Gehäusen. Sie bieten eine hohe Steifigkeit, helfen das Gewicht zu senken und ermöglichen ein edles Design und Funktionsintegration. Werden die Gehäuse im Hybrid-Molding-Verfahren gefertigt, lassen sich außerdem Kosten, Verarbeitungsschritte und Zykluszeiten reduzieren

Das Smartphone Carbon 1 Mark II von Carbon Mobile wurde in Deutschland entwickelt.  Die mattschwarzen Carbonfasern verleihen dem Smartphone einen edlen Hightech-Look

Composites senken das Gewicht und erleichtern die Produktion von Elektronikgehäusen

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Organobleche (gewebeverstärkte Thermoplast-Halbzeuge)

Leichtbau für die Hosentasche

CFK verfügen in Abhängigkeit vom Carbonfasergehalt, der Faserlänge sowie der Orientierung der Fasern über eine inhärente Leitfähigkeit. Bisher wurde diese jedoch kaum beachtet oder als störender Effekt betrachtet. Richtig umgesetzt, lassen sich damit jedoch zusätzliche Funktionen wie EMV-Abschirmung und Heizleistung in Bauteile integrieren.

Bild 1. Spezifischer Oberflächenwiderstand verschiedener rCFK: Der Widerstand hängt sowohl vom Faservolumengehalt als auch dem Herstellungsverfahren ab 

Die elektrische Leitfähigkeit von CFK für Zusatzfunktionen nutzen

Elektronik

Mehr als nur Leichtbau

An der FPP-Technologie zeigen derzeit vor allem zwei Industrien besonderes Interesse: die Luft- und Raumfahrt bei der Automatisierung der Legeprozesse von Multimaterial-Leichtbauteilen mit Sandwichkern, sowie die Hersteller von CFK-Drucktanks für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge (FCEV).

Laminatverstärkung filamentgewickelter Drucktanks. Die Ausprägung der Patches und des Greifers ist an die Größe und Komplexität des Bauteils angepasst.

Neue Anwendungen und Kunden für die automatisierte Produktion von Faserverbundbauteilen

Greifer

Automatisierungstechnik

Handling, Handhabungstechnik

Inspektionssysteme

Fertigungsautomation

Bildverarbeitung

Industrieroboter

Montagetechnik

Verstärkung im Anflug

PMMA-Recycling: Hohe Energiepreise fordern belastbare Konzepte zur Weiternutzung von Altstoffen.

Arbeitsvorbereitungen für das PMMA-Recycling

Polymethylmethacrylat

Recycling muss ausgebaut werden

Ergänzend zu den Möglichkeiten des klassischen mechanischen und des chemischen Recyclings untersucht der Automobilkonzern Audi gegenwärtig das lösungsmittelbasierte Recycling von Polymeren.

Für Kunststoffabfälle aus Automobilen bieten sich oft lösungsmittelbasierte Recyclingverfahren an. Mit diesen können auch Verbundmaterialien und mit Additiven versetzte Kunststoffe aufbereitet werden. 

Kreislaufwirtschaft in der Automobilindustrie

Technische Kunststoffe

Eine Lösung für Kunststoffabfälle aus Automobilen

Die Vorhersage der Qualität von Rezyklaten ist sehr komplex. Das Forschungsprojekt PlasticBond hat dabei nun vielversprechende Fortschritte erzielt.

Die Eigenschaften von Rezyklaten müssen genau untersucht werden.

Eigenschaften und Verunreinigungen bei recycelten Kunststoffen

Polyethylen

Polypropylen

Qualität von Kunststoffrezyklaten genau bestimmen

So erhalten ausgediente Schnuller, Fläschchen und Co. ein neues Leben als Sandspielzeug.

Das Schnullermonster macht aus ausgedienten Baby-Produkten neue Sandspielzeuge.

Der Babyartikelhersteller NUK hat eine groß angelegte Recycling-Initiative gestartet. Seit Juni werden Schnuller, Babyflaschen und Becher aus Kunststoff deutschlandweit kostenlos zurückgenommen und kreislaufgerecht recycelt. 

„Das Schnullermonster hat Hunger“

Chemisches Recycling von FVK mit Epoxidharzmatrix

Faserverbundkunststoffe mit Duromermatrix lassen sich bisher nur unzureichend recyceln. Die starke Vernetzung der Duromere steht dem im Wege. Durch eine spezielle organisch-chemische Spaltungsreaktion können Carbonfasern nun jedoch aus Epoxidharz-basierten Faserverbundkunststoffen zurückgewonnen werden.

Faserverbundkunststoffe mit Duromeren lassen sich schlecht recyceln. Ein Verfahren ermöglicht nun das Zurückgewinnen von Carbonfasern.

Die weltweite Nachfrage nach Verbundwerkstoffen steigt in der Luft- und Raumfahrt, im Bauwesen, bei Windkraftanlagen und im Automobilbau [1]. Angetrieben wird sie von dem Wunsch nach niedrigeren CO2-Emissionen. Diese lassen sich durch leichtere tragende Strukturen und Bauteile erreichen, was unter anderem bei Fahr- und Flugzeugen den Treibstoffverbrauch reduziert. Dabei wird angestrebt, spezifisch leichtere Werkstoffe mit mindestens den gleichen mechanischen und chemischen Eigenschaften einzusetzen, um konventionelle Materialien, wie Metalle und deren Legierungen, zu ersetzen. Die verwendeten Multimaterialverbünde erschweren jedoch stark das Recycling [2].

Aus solchen Materialien hergestellte Bauteile sind meistens starken mechanischen Belastungen unterworfen. Deshalb beruhen über 75 % der ca. 7 Mio. t global produzierten faserbasierten Verbundkunststoffen (FVK) auf Duromeren. 23 % der duromeren Matrizes aller Verbundwerkstoffe sind Epoxidharze. Bei den hochpreisigen, mit Carbonfasern verstärkten Verbundwerkstoffen (CFK) weisen sogar 72 % eine Matrix aus Epoxidharz auf [3, 4]. Der weltweite CFK-Gesamtumsatz betrug laut dem Composites-Marktbericht 2019 der Carbon Composites e.V. (CCeV) etwa 16,31 Mrd. USD. Für die Zukunft wird weiterhin ein starker Zuwachs an CFK erwartet [5].

Die hervorragenden Eigenschaften der Carbonfasern in Verbindung mit ihrem hohen Preis machen sie zu einem sehr wertvollen Material. Ein Recyclingverfahren zur Rückgewinnung der Fasern unter Erhalt ihrer Eigenschaften wäre deshalb von hohem wirtschaftlichem Interesse. Grundsätzlich lassen sich jedoch Duromere als dreidimensional vernetzte Kunststoffe nicht mehr aufschmelzen beziehungsweise lösen und deshalb keinem den Thermoplasten analogen Recyclingverfahren unterziehen.

Ein chemisches Recyclingverfahren für Duromere

Ein chemisches Recycling unter schonenden Bedingungen stellt bisher den vielversprechendsten Ansatz dar, um Multimaterialverbünde, wie FVK, in ihre Einzelkomponenten zu zerlegen und sie als Sekundärrohstoffe in den Materialkreislauf zurückzuführen [6, 7]. Dabei können nicht nur die Fasern wiedergewonnen werden, sondern auch die Harzmatrix in Form reaktiver Abbauprodukte. Diese lassen sich erneut zur Herstellung von Duromeren verwenden. Das konnte bereits für einige Materialien, beispielsweise Polycyanurate oder Phenolharze gezeigt werden, jedoch bisher noch nicht für die häufig bei CFK-Bauteilen eingesetzten mit Aminen gehärteten

Epoxidharze. Durch Wiederverwendung sowohl der gespaltenen Kunststoffmatrix als auch der erhaltenen Carbonfasern wird eine signifikante Reduktion an Energiebedarf und Treibhausgasen erzielt [8, 9].

Die Arbeitsgruppe des Lehr- und Forschungsgebiets Makromolekulare Chemie und Kunststofftechnik der Technischen Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm befasst sich genau damit. Entwickelt wurde ein Verfahren zur Wiederverwertung von ausrangierten Faserverbundkunststoffen auf Basis von Duromeren. Die Untersuchungen konzentrieren sich dabei auf mit Aminen gehärtete Epoxidharze.

Das Kernstück des Verfahrens ist der Abbauvorgang, die sogenannte Cope-Chemolyse. Die erzielten Forschungsergebnisse verdeutlichen, dass normalerweise nur in der organischen Chemie eingesetzte Spaltungsreaktionen gewinnbringend in die Technik übertragen und auf massive Kunststoffproben angewendet werden können (Bild 1).

In einem mit Aminen gehärteten Epoxidharz sind Kohlenstoff-Stickstoff-Bindungen vorhanden, die mit einer speziellen organisch-chemischen Reaktion, der Cope-Eliminierung, gespalten werden können. Dabei wird zuerst das Amin mit Wasserstoffperoxid (H2O2) zu einem Aminoxid oxidiert und anschließend durch eine intramolekulare β-Eliminierung thermisch gespalten (Bild 2). Dadurch werden die Vernetzungen sukzessive aufgelöst und aus dem Duromer entstehen lösliche und wiederverwertbare Spaltprodukte. Das allmähliche Auflösen der Harzmatrix legt zudem die Fasern frei. Durchgeführte Analysen zeigen, dass die recycelten Carbonfasern harzfrei vorliegen und nahezu die gleichen Zugfestigkeiten aufweisen wie Rohfasern [10].

Die Epoxidharzmatrix behindert jedoch ein Vordringen des Wasserstoffperoxids in tiefere Schichten. Abhilfe dafür bietet ein vorheriges Quellen der Matrix. Dadurch vergrößern sich die Abstände der Polymerketten und das Wasserstoffperoxid kann tiefer eindringen. Die Abbauzeit wird deutlich verkürzt.

Wie gut lassen sich die Spaltprodukte wiederverwenden?

Die Spaltprodukte der Epoxidharzmatrix sind nach Spaltung der C-N-Bindung keine Duromere mehr, sondern Mono- und Oligomere. Diese können für die Herstellung neuer Epoxidharze eingesetzt werden (Bild 3). Das belegen durchgeführte Versuche. Zunächst wurde dafür eine Vormischung der wiedergewonnenen Spaltprodukte mit dem zuvor eingesetzten Aminhärter hergestellt. Dabei kamen bis zu 8 Ma.-% an Spaltprodukten zum Einsatz. Die anschließende Zugabe des konventionellen Epoxids Bisphenol-A-diglycidylether ermöglicht die Herstellung homogener Epoxidharzplatten. Allerdings ist das nur bis zu einem Gesamtrezyklatanteil von 1,2 Ma.-% möglich. Bei höheren Konzentrationen an Rezyklat ist kein homogenes Mischen mehr möglich. Dadurch verschlechtern sich nicht nur die optischen, sondern auch die mechanischen Eigenschaften. Die hergestellten Platten mit bis zu 1,2 Ma.-% Rezyklatanteil verfügen über nahezu die gleichen Eigenschaften wie das herkömmliche Epoxidharz.

Das angewendete Verfahren zeigt, dass sich auch Multimaterialverbünde bestehend aus mit Aminen gehärtetem Epoxidharz und Carbonfasern separieren lassen. Dabei können beide Komponenten getrennt voneinander zurückgewonnen werden. Die durch das Verfahren wiedergewonnenen Fasern weisen ausgesprochen gute Eigenschaften auf. Eine Herausforderung stellt jedoch noch die erneute Verwertung der Matrix dar. Künftige Arbeiten sollen diese weiter verbessern.

[1] Zhang, J., Chevali, V. S., Wang, H., Wang, C.-H.: Current status of carbon fibre and carbon fibre composites recycling. Composites Part B: Engineering 193 (2020) 108053, S. 1–8

[2] Siebel, T.: Was fügetechnisch eine Meisterleistung ist, bereitet recyclingtechnisch Kopfschmerzen. Lightweight Design 11 (2018) 5, S. 26–29

[3] Eickenbusch, H.; Krauss, O.: Werkstoffinnovationen für nachhaltige Mobilität und Energieversorgung. VDI-GME-Studie der Verein Deutscher Ingenieure e.V., Düsseldorf 2014. Verfügbar auf: <a href="http://www.metaalmagazine.nl/wp-content/uploads/2014/04/Werkstoffinnovationen_Mobilitaet_und_Energieversorgung.pdf" target="_blank">http://www.metaalmagazine.nl/wp-content/uploads/2014/04/Werkstoffinnovationen_Mobilitaet_und_Energieversorgung.pdf</a>

[4] Mazumdar, S.: Opportunities for thermoset resins in the composites industry, Firmenschrift der Lucintel, Dallas, USA 2008

[5] Sauer, M.: Composites-Marktbericht 2019– Der globale CF- und CC-Markt 2019 -Marktentwicklungen, Trends, Ausblicke und Herausforderungen – veröffentlichte Kurzfassung -. Carbon Composites e.V., Augsburg 2019. Verfügbar auf: <a href="https://composites-united.com/media/3989/ger_ccev_marktbericht_2019_kurzversion.pdf" target="_blank">https://composites-united.com/media/3989/ger_ccev_marktbericht_2019_kurzversion.pdf</a>

[6] Kumar, S., Krishnan, S.: Recycling of carbon fiber with epoxy composites by chemical recycling for future perspective: a review. Chem. Pap. 74 (2020), S. 3785–3807

[7] Liu, T., Shao, L., Zhao, B., Chang, Y.-C., Zhang, J.: Progress in Chemical Recycling of Carbon Fiber Reinforced Epoxy Composites. Macromol. Rapid Commun. 43 (2022) 2200538, S. 1–21

[8] Meng, F., Olivetti, E. A., Zhao, Y., Chang, J. C., Pickering, S. J., McKechnie, J.: Comparing Life Cycle Energy and Global Warming Potential of Carbon Fiber Composite Recycling Technologies and Waste Management Options. ACS Sustainable Chem. Eng., 6 (2018) 8, S. 9854–9865

[9] Oliveux, G., Dandy, L. O., Leeke, G. A.: Current status of recycling of fibre reinforced polymers: Review of technologies, reuse and resulting properties. Progress in Materials Science 72 (2015), S. 61–99

[10] Schamel, E., Wehnert, G., Schlachter, H. and Söthje, D.: Chemical Recycling of Carbon Fiber Reinforced Epoxy Composites Using Mild Conditions. Chemie Ingenieur Technik 93 (2021), S. 1619–1628

Ausgabenartikel KU02-23

Bild 2. Schema des allgemeinen Reaktionsmechanismus der Cope-Eliminierung zur Spaltung der Kohlenstoff-Stickstoff-Bindung tertiärer Amine: Durch den Prozess können die Vernetzungen von Duromeren aufgelöst werden. 

Bild 3. Durch die Cope-Chemolyse können harzfreie Carbonfasern aus carbonfaserverstärkten Epoxidharzen wiedergewonnen werden. Die Spaltprodukte des Harzes lassen sich ebenfalls erneut verwenden. Dabei besteht jedoch noch Forschungsbedarf.

Mit chemischen Verfahren lassen sich Carbonfasern in hoher Qualität aus FVK zurückgewinnen.  

Bild 1. Allmählicher Abbau einer Epoxidharzprobe mit Wasserstoffperoxid: Das verwendete Verfahren setzt auf die sogenannte Cope-Chemolyse.

KU 2-23_TH Nürnberg_Söthje - Hauptartikel

Recycling: Carbonfasern zurückgewinnen

Für FVK mit auf Duromeren basierenden Matrizes existieren gegenwärtige folgende Recyclingverfahren:

<ul><li>Das mechanische Recycling umfasst mehrere Schritte einer mechanischen Zerkleinerung zu einem Gemisch verschiedener Rezyklate. Die Rezyklate können aufgrund der starken Verkürzung der Fasern jedoch nur als Füllstoffe in Kurzfaserverbundwerkstoffen wiederverwendet werden.</li><li>Thermische chemische Recyclingverfahren, wie exemplarisch die Pyrolyse, verwenden hohe Temperaturen, um die Kunststoffmatrix zu zersetzen und die Fasern freizulegen. Die zersetzte Matrix kann in Form von Energie oder als Grundlage für neue Chemikalien genutzt werden.</li><li>Bei den chemischen Recyclingverfahren existieren viele weitere Ansätze. Im besonderen Fokus der Forschungsaktivitäten steht die Solvolyse mit organischen Reagenzien oder Wasser bei überkritischen Bedingungen. Der Einsatz von Katalysatoren oder Wasserstoffperoxid ermöglicht Solvolysen bei milderen Bedingungen etwa bei Umgebungsdruck und Temperaturen unter 200 °C.</li></ul>

Elisabeth Schamel, M. Sc., ist wissenschaftliche Mitarbeiterin des Lehr- und Forschungsgebiets Makromolekulare Chemie und Kunststofftechnik der Technischen Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm.

Herbert Schlachter, M. Eng., ist Laboringenieur des Lehr- und Forschungsgebiets Makromolekulare Chemie und Kunststofftechnik an der TH Nürnberg.

Dr. Dominik Söthje ist Professor für Makromolekulare Chemie und Kunststofftechnik an der TH Nürnberg; <a href="mailto:dominik.soethje@th-nuernberg.de">dominik.soethje@th-nuernberg.de</a>

Dr. Gerd Wehnert ist Professor für Makromolekulare Chemie und Organische Chemie an der TH Nürnberg; <a href="mailto:gerd.wehnert@th-nuernberg.de">gerd.wehnert@th-nuernberg.de</a>

Die Forschungstätigkeiten wurden im Rahmen des Projekts „CERES – Chemisches Recycling epoxidharzbasierter Stoffe“ von der Staedtler Stiftung finanziell gefördert. Die Autoren bedanken sich für die Unterstützung.