Kreislaufwirtschaft mit CFK: Strategien zum möglichst ganzheitlichen Recycling von Carbonfaserabfällen.

Beispiele für verschiedene Carbonfasermaterialien: Gewebe, Kurzfasern und rCFK Compound.

Carbonfaserverstärkte Leichtbaukomponenten in the Loop

Recycling

Umweltmanagement

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

Kunststoff Werkstoffe

Faserverbundwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Kunststoff-Recycling

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Kunststoff-Aufbereitung

Kreislaufwirtschaft

So funktioniert die Kreislaufwirtschaft mit Carbonfasern

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

Composite-Halbzeuge

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

Kohlenstofffasern / -matten

Verstärkungsstoffe

Inspektionssysteme

Fertigungsautomation

Bildverarbeitung

Industrieroboter

Montagetechnik

Verstärkung im Anflug

Kunststoffe sind für viele Anwendungen im Leichtbau die Materialien der Wahl. Das zeigen auch die Aussteller der JEC 2023 in Paris.

Das Wabenmaterial Cormaster basiert kann überall dort zum Einsatz kommen, wo geringes Gewicht bei gleichzeitig höchster Stabilität gefordert ist.

16:9

Fasern

Leichtbau

Mit leichtem Gepäck nach Paris

Wipag investiert in eine neue Produktionsstätte. Der Ausbau soll dabei nur der erste Schritt sein.

Den Baubeginn für die neue Produktionshalle in Gardelegen starteten mit einem symbolischen Spatenstich Norbert Scheinert, Head of Production bei Wipag Gardelegen, Olaf Fröde, Director Operations von Wipag, Jens Kaatze, CEO von Wipag, und Frank Kriebisch, Senior Advisor Technology bei Wipag (v.l.n.r).

Compounds mit recycelten Carbonfasern

Compound

Thermoplaste

Produktionsausbau bei Wipag in Gardelegen

In Teil 1 wurde das Potenzial herkömmlicher Salzkerne im Spritzguss herausgearbeitet. Nun werden Kurz- und Endlos-faserverstärkungen in einer NaCl Salzmatrix untersucht.

Schliffbild eines Salzkerns mit kontinuierlicher Naturfaserverstärkung

Pressen

Maschinen für die spanlose Fertigung

Naturmaterialien

Werkstoffe für additive Verfahren

Entwicklung in Richtung eines robusten, wasserlöslichen, verlorenen Kernmaterials – Teil 2: nassgepresstes, faserverstärktes Salz

In diesem Jahr lud die TH Rosenheim zum ersten Mal zu ihrem Kunststoffkolloquium. Die Veranstalter setzten dabei einen sehr spannenden Schwerpunkt.

Der Präsident der TH Rosenheim, Heinrich Köster, begrüßte die Teilnehmer zur ersten Auflage des Rosenheimer Kunststoffkolloquiums und hob die Bedeutung der Kunststofftechnik für die Hochschule hervor.

1. Rosenheimer Kunststoffkolloquium

Streifinger, Florian

Hochschulen

Dienstleistungen

Biokunststoffe

Kunststoff-Rezyklat

Premiere gelungen

Kohlenstofffasern sind teuer. Mit PE-Precursoren lassen sich jedoch in der Produktion der Fasern erhebliche Kosten einsparen.

Wegen der hohen Kosten für Carbonfasern kommen sie im Automobilbereich bisher nur selten zum Einsatz.

Kosten und CO2 bei Kohlenstofffasern einsparen

Faserverarbeitung

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Polyethylen

PE-basierte Carbonfasern

Die aktuell in Autos genutzten Materialverbunde lassen sich häufig nicht recyceln. Bei Mercedes setzt man deshalb seit Kurzem auf Monomaterialsandwiche.

Als Vergleichsbauteil für den in Serie genutzten naturfaserbasierten Multimaterialansatz und das kreislauffähige PET-Monomaterialsandwich wurde die biegebelastete Türtasche der Türverkleidung der Mercedes-Benz E-Klasse herangezogen.

Monomaterial ersetzt Multimaterialverbunde im Automobilinnenraum

Polyethylenterephthalat

Nicht nur leicht, sondern auch recycelbar

Die von Cirplus und dem IKK erarbeiteten Normen DIN SPEC 91446, DIN SPEC 91481 und EN 18065 liefern Richtlinien für den Umgang mit Rezyklaten.

Normen / Standards

Recht allgemein / sonst.

Rezyklatstandards – die Hidden Champions der Kreislaufwirtschaft

Das Fraunhofer LBF forscht an der Aufrüstung von Post-Consumer-Rezyklaten mit halogenfreien Flammschutzmitteln – mit ersten vielversprechenden Ergebnissen.

Für die Charakterisierung der Rezyklate und der Compounds kommen im Fraunhofer LBF verschiedene Verfahren zum Einsatz, beispielsweise erfolgen Flammwidrigkeitsprüfungen nach UL 94 für Probekörper.

Flammhemmende Mittel, allgemein

Additive

Flammschutzmittel

Halogenfreier Flammschutz für Post-Consumer-Rezyklate

Das dreijährige Forschungsprojekt ENK – energieeffiziente und nachhaltige Produktion von Kunststoffbauteilen – befasst sich mit der Steigerung der Energie- und Ressourceneffizienz von Kunststoffverarbeitungs- und Recyclingprozessen.

Nachhaltigkeit

Energieeffizienz

Ressourcenmanagement

Produktion

Energie- und Ressourceneffizienz steigern

LyondellBasell (LYB) gab den Abschluss einer Vereinbarung zum vollständigen Erwerb der APK AG in Merseburg bekannt.

LyondellBasell erwirbt APK

Masterpress hat Polyolefin-Schrumpfhülsen für Milchbecher aus Polypropylen entwickelt. Hülsen und Becher können gemeinsam recycelt werden.

Masterpress Hybrid-Flexodruckmaschinen, auf denen nachhaltige Shrink-Sleeve-Etikettenlösungen produziert werden. 

Verpackungsmaterial

Logistik

Kunststoff-Verpackungsmaschine

Sondermaschinen

Folien

Zwei Materialien, ein Recyclingstrom

Recyclingmaschinenbauer Erema präsentiert auf der Fakuma unter anderem die Intarema TVEplus. Auch die Next Generation Recyclingmaschinen GmbH zeigt ihr breites Maschinenportfolio.

Die Intarema TVEplus-Technologie eignet sich kombiniert mit dem Anti-Geruch-System ReFresher für Regranulat u. a. für Lebensmittelverpackungen.

Messe Fakuma

kunststoffe-international.com

kunststoffe.de

Das Skateboard „Vanguard“, hergestellt von Kape und KraussMaffei, ist ein ausgefeiltes Composite-Bauteil, bestehend aus Glasfasern und Polyamid - und dadurch wesentlich langlebiger als schichtverleimte Holz-Bretter.

Zum Abheben baucht es Pop. Das neue Skateboard von Kape behält ihn wesentlich länger als herkömmliche Decks aus Holz.

Glasfasern / -matten

Glasfaser / Breitband

Anlagen zur Composite-Herstellung

Polyamide

Skateboard aus Glasfaser-Sandwich-Composite

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.