Leichte, hochbeständige faserverstärkte Epoxidharz-Verbundwerkstoffe, bestehend aus Glasfasern oder Kohlefasern, eingebettet in eine Polymermatrix, sind Hochleistungsmaterialien, die für die Herstellung von Rotorblättern für Automobile, Schiffe, Flugzeuge und Windkraftanlagen unerlässlich sind.
Bis 2025 werden jedes Jahr etwa 25.000 Tonnen Rotorblätter von Windkraftanlagen ihr Betriebsleben erreichen. Aufgrund der chemischen Eigenschaften von Epoxidharz, das eine elastische Substanz ist und als Komponente gilt, die nicht in wiederverwendbare Materialien zerlegt werden kann, war es traditionell schwierig, Windturbinenblätter zu recyceln. Epoxidharze sind nicht biologisch abbaubar und setzen beim Verbrennen giftige Gase frei, was letztendlich dazu führt, dass sie hauptsächlich auf Deponien entsorgt werden.
Die Deponierung von Rotorblättern von Windkraftanlagen wurde von mehreren europäischen Ländern aufgrund ihrer Ineffizienz und mangelnden Nachhaltigkeit verboten und wird voraussichtlich in Zukunft von weiteren Ländern eingeführt. Daher besteht ein dringender Bedarf an tragfähigen Recyclingstrategien für Epoxidharze und deren Verbundstoffe.
Das derzeit neu entdeckte Verfahren ist ein Proof-of-Concept der Recyclingstrategie und kann auf die überwiegende Mehrheit der bestehenden und derzeit in Produktion befindlichen Rotorblätter von Windkraftanlagen sowie auf andere Materialien auf Epoxidbasis angewendet werden.
Die Ergebnisse wurden in der führenden Fachzeitschrift Nature veröffentlicht und die Universität Aarhus hat gemeinsam mit dem Danish Institute of Technology ein Patent für das Verfahren angemeldet.
Konkret zeigten die Forscher, dass sie durch die Verwendung eines Katalysators auf Rutheniumbasis und der Lösungsmittel Isopropanol und Toluol die Epoxidmatrix trennen und eine der ursprünglichen Struktureinheiten des Epoxidpolymers, Bisphenol A, und intakte Glasfasern in einem einzigen Prozess freisetzen konnten.
Allerdings ist die Methode nicht sofort skalierbar, da das katalytische System für eine industrielle Umsetzung nicht effizient genug ist – und Ruthenium ein seltenes und teures Metall ist. Wissenschaftler der Universität Aarhus verbessern die Methode daher weiter.
„Dennoch betrachten wir dies als einen großen Durchbruch bei der Entwicklung langlebiger Technologien, die eine Kreislaufwirtschaft für Materialien auf Epoxidbasis schaffen können. Dies ist die erste Veröffentlichung chemischer Prozesse, die Epoxidharz-Verbundstoffe selektiv zersetzen und eines der wichtigsten Materialien isolieren können.“ „Epoxidpolymere sowie wichtige Bestandteile von Glas- oder Kohlefasern beschädigen diese dabei nicht“, sagte Troels Skrydstrup, einer der Hauptautoren der Studie.
Troels Skrydstrup ist Professor am Fachbereich Chemie und am Zentrum für interdisziplinäre Nanowissenschaften (iNANO) der Universität Aarhus. Die Forschung wurde vom CETEC-Projekt (Circular Economy for Thermoset Epoxy Composites) unterstützt, einer Partnerschaft zwischen Vestas, Oilon, dem Danish Institute of Technology und der Universität Aarhus.
In dieser Studie verwendeten die Forscher eine Ru-katalysierte Tandemreaktion aus Dehydrierung, Bindungsbruch und Reduktion, um die häufigste C(Alkyl)-O-Bindung im Polymer aufzubrechen, die zum Aufbrechen der C(Alkyl)-O-Einfachbindung verwendet werden kann angrenzend an die BPA-Matrix. Die Forscher demonstrierten die Anwendung der Methode auf unmodifizierte amingehärtete Epoxidharze und kommerzielle Verbundmaterialien, einschließlich der Gehäuse von Windturbinenblättern. Die Ergebnisse der Forscher zeigen, dass eine chemische Rückgewinnung von duroplastischen Epoxidharzen und Verbundwerkstoffen möglich ist.
Das katalytische Dekonstruktionsexperiment von Epoxidharz zeigte, dass 81 Prozent BPA nach 4 Tagen katalytischer Reaktion zurückgewonnen werden konnten.
Mit einem allgemeinen Ansatz, der für die molekulare Zersetzung amingehärteter Epoxidharze verwendet werden kann, untersuchten die Forscher die Anwendbarkeit des Protokolls für die Dekonsolidierung von faserverstärkten Epoxidharzen, die zusätzlich zur Polymermatrix Fasern mit einem hohen Gewichtsanteil enthalten. Nach 3 Tagen trennten sich die Verbundstoffe ohne jegliche Vorbehandlung deutlich in lose Fasern. Dekantierungsreaktionsmischung; Nach dem Waschen wurden 57 Gewichtsprozent Kohlefaser zurückgewonnen und 13 Gewichtsprozent BPA aus der Lösung isoliert.
Anschließend wurde das Gehäuse eines hochmodernen Rotorblatts einer ausgemusterten Windkraftanlage getestet. Diese kommerzielle Verbundprobe wurde katalytisch gründlich zersetzt, was zu 50 Gewichtsprozent Glasfasern und 19 Gewichtsprozent BPA führte.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass für die aus Altverbundwerkstoffen gewonnenen Komponenten eine Kreislaufwirtschaft in Betracht gezogen werden kann. Das aus dem Recycling gewonnene hochreine Bisphenol A kann theoretisch in bestehenden Produktionsketten wie Epoxidharzen, Polycarbonat oder Polyester wiederverwendet werden und das ursprünglich aus Erdölrohstoffen hergestellte BPA ersetzen. Der katalytische Prozess der Forscher kann als Proof-of-Concept angesehen werden, der zeigt, dass es möglich ist, eine Kreislaufwirtschaft für diese wertvollen und relevanten Materialien zu erreichen.
