Klimafreundliche Polymere - Vitrimere vereinen die Vorteile von Duroplasten und Thermoplasten

Spätestens mit der vertraglichen Zustimmung der 195 Staaten über das Pariser Klimaabkommen wurden die Weichen zu einem bewussteren und ressourcenschonenderen Umgang mit unserer Umwelt gestellt. Um die Ziele einer Erderwärmung von höchsten 2 °C gegenüber vorindustriellen Werten zu erreichen, müssen innovative Technologien und Werkstoffe entwickelt werden, wobei auch deren Verarbeitung eine wesentliche Rolle spielt. Hierbei ist bedeutend, dass die beste Lösung zum Klimaschutz nicht in einem spezifischen Ansatz vorzufinden ist, sondern eher in einer synergistischen Kombination von Einzelinnovationen, die sich gegenseitig ergänzen. Das Potential für derartige Konstitutionen bieten die Vitrimere. Sie verfügen über einzigartige Eigenschaften, die speziell im Zusammenspiel mit lasttragenden Faserverstärkungen interessant sind. Grundsätzlich haben Vitrimere gute mechanische Eigenschaften, äquivalent zu den meisten duroplastischen Polymeren, welche bereits branchenübergreifend eingesetzt werden. Im Gegensatz zu Duroplasten können Vitrimere, aufgrund ihrer dynamisch-chemischen Bindungen, nach Stimulus durch Temperatur auch thermogeformt oder geschweißt werden, was bislang nur Thermoplasten vorbehalten war. Die Kombination aus guten mechanischen Eigenschaften mit denen einer Weiter- und Wiederverarbeitbarkeit eröffnet neue Möglichkeiten zur Umsetzung einer effizienten Fertigung von Hochleistungsbauteilen, die ohne großen Energieaufwand kurze Zykluszeiten ermöglichen. Auch bei der Rezyklierbarkeit haben Vitrimere gegenüber duroplastischen Polymeren den Vorteil, dass sie sowohl mit speziellen Lösungsmitteln, als auch mechanisch - durch Zerkleinern und anschließendes Konsolidieren bei Temperaturen oberhalb der Glasübergangstemperatur (T_g) - recycelt werden können. Wie bei duroplastischen Polymeren sind auch bei den Vitrimeren 100 % biobasierte Polymersysteme möglich.

Im Projekt Airproxy (www.airpoxy.eu) wird ein Vitrimer-System, basierend auf einem Epoxid mit dynamischen Disulfidbrücken und einer Gebrauchstemperatur über 130 °C (T_g = 170 °C), mit Kohlenstofffasergewebe verstärkt. Ziel ist es, einen Faser-Kunststoff-Verbund auf Vitrimerbasis (Vitrimer-FKV) zu entwickeln, der durch seine herausragenden Eigenschaften auch für die Luftfahrt geeignet ist. Neben dem Werkstoff selbst stehen auch die Herstellungs- und Verarbeitungsprozesse im Fokus des Projektes. So soll gezeigt werden, dass Vitrimer-FKV wie thermoplastische FKV thermoformbar, schweißbar und reparierbar sind. Um geeignete Verarbeitungsansätze und –parameter für den späteren Übertrag auf den Industriemaßstab zur Demonstratorfertigung zu ermitteln, wurden diese Verfahren am Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe (IVW) zunächst im Labormaßstab entwickelt und erforscht. So stellen z. B. beim Thermoformen die hohen Matrixviskositäten der Vitrimere die größte Herausforderung dar. Die Viskositäten spielen eine entscheidende Rolle, da sie maßgeblich ein Abgleiten der Gewebelagen voneinander erlauben und dies eine Grundvoraussetzung für das Thermoformen ist. Durch eine geschickte Auswahl geeigneter Zielgeometrien und einer angepassten Prozessführung ist es möglich, eine Gewebelagenverschiebung zu provozieren und so auch mit Vitrimer-FKV Thermoformbauteile herzustellen. Beim Schweißen besteht die große Herausforderung darin, dass ein vollflächiger Kontakt zwischen den Fügepartnern erreicht werden muss. Dies ist nötig, damit die dynamischen Disulfidbrücken einen Bindungspartner beim zweiten Fügepartner finden können und es so nach dem Abkühlen zu einer chemischen Verbindung über die Fügegrenzfläche hinwegkommt. Es konnte gezeigt werden, dass durch das Schweißen gute Verbindungsfestigkeiten erreicht werden können.

Das interdisziplinäre Projektkonsortium von elf Partnern aus sechs Ländern ist zuversichtlich, dass faserverstärkte Vitrimere in Zukunft ihre Bedeutung auf dem Markt weiter etablieren und die Werkstoffe und ihre Prozesse in Folgeprojekten weiter optimiert werden können, um so eine Marktakzeptanz zu etablieren.

Aktuell befindet sich das Projekt in der Überführung vom Labormaßstab in den Industriemaßstab, in dem Demonstratorbauteile gefertigt werden. Dies ist z.B. die Profilnase eines Flugzeugflügels, welche mit Verstärkungsrippen aus thermogeformten Vitrimer-FKV verschweißt wird. Die Außenhaut der Profilnase wird im SQRTM-Verfahren (Same Qualified Resin Transfer Molding) hergestellt. Die Besonderheit ist eine funktionale Schicht aus einem dünnen Vitrimer-Film, der im SQRTM Verfahren mitverarbeitet wird und als Schweißzwischenschicht agiert.

Danksagung

Das Projekt wird im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung Nr. 769274 aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union Horizon 2020 finanziert.

Kontakt:
Dipl.-Ing. Stefan Weidmann
Wiss. Mitarbeiter Press- und Fügetechnologien
Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe GmbH
Erwin-Schrödinger-Straße 58
Telefon: +49 631 2017-383
E-Mail: stefan.weidmann@ivw.uni-kl.de