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Recycling von carbonfaserverstärkten Kunststoffen

Dr. Diana Freudendahl, Stefan Reschke, Dr. Ramona Langner

Der Leichtbau und die Entwicklung entsprechender Werkstoffe werden weiterhin stark vorangetrieben und ihre Anwendungsfelder nehmen stetig zu. Neben den Leichtmetallen sind hier vor allem Kunststoffe und faserverstärkte Kunststoffe (FVK) von Interesse. Aufgrund strenger rechtlicher Bestimmungen sowie ökologischer und ökonomischer Überlegungen wird dabei mittlerweile nicht mehr nur die Herstellung der Materialien betrachtet, sondern zunehmend bereits vor deren Einsatz auch ihr Verbleib nach Lebensende geklärt. Während viele Werkstoffe bereits gut recycelt werden können, stellen insbesondere die noch relativ jungen carbonfaserverstärkten Kunststoffe (CFK) eine Herausforderung dar. Verwertbare Abfälle fallen über den gesamten Produktentstehungs- und lebenszyklus an und die Herstellung der eingebetteten Carbonfasern ist sehr energie- und kostenintensiv, weshalb das Recycling auch ökonomisch sinnvoll ist. Hinzu kommt, dass die Deponierung stark reglementiert ist und die rechtlich geforderten Recyclingquoten bereits jetzt sehr hoch sind; für die Automobilbranche liegt sie beispielsweise bei 95%.

Für das Recycling von CFK gibt es bereits verschiedene experimentelle Ansätze, jedoch nur sehr wenige davon sind mittlerweile im technischen Maßstab verfügbar. Dies liegt zum einen daran, dass es bisher nur wenige konkrete Produkte gibt, bei denen recycelte Carbonfasern eingesetzt werden. Zum anderen sind die Recyclingmöglichkeiten von CFK-Abfall auch sehr stark vom eingesetzten Matrixmaterial abhängig sind.

Thermoplastische CFK können mechanisch sowie thermo-chemisch aufbereitet oder durch Umformen direkt wiederverwendet werden. Beim mechanischen Recycling werden solche CFK-Abfälle zunächst z. B. in Schneidmühlen zerkleinert, so dass die Faserlängen der Carbonfasern eine Längenverteilung von ca. 0,1 mm bis ca. 3 mm aufweisen. Dieses Granulat kann dann wieder eingeschmolzen und anschließend als neue Produkte extrudiert werden. Gute Ergebnisse wurden hierbei auch erhalten, wenn der als ursprüngliche Matrix dienende Thermoplast (z. B. PEEK) in reiner Form zusätzlich zugesetzt wird. Die erhaltenen Produkte eignen sich aufgrund der kurzen Faserlänge jedoch nicht mehr als Strukturbauteile. Zudem ist es möglich, die Carbonfasern durch thermo-chemische Verfahren wie Pyrolyse oder Solvolyse gänzlich von der Matrix zu befreien. Bei der Pyrolyse wird ein Bauteil, das dem Recycling zugeführt wurde, soweit erhitzt, dass die Matrix möglichst rückstandslos verdampft. Durch Ausschluss von Sauerstoff wird einer Oxidation und damit der Zerstörung und dem Qualitätsverlust der Carbonfasern vorgebeugt. Bei der Solvolyse werden (zerkleinerte) CFK-Abfälle in einer Flüssigkeit erhitzt, um die Matrix zu zersetzen. Je nach Matrix und Lösungsmittel sind häufig höhere Drücke und teilweise auch die Zugabe von Katalysatoren nötig. Eine Besonderheit thermoplastischer CFK-Abfälle ist zudem, dass als dritte Recyclingoption ein altes Werkstück potentiell auch durch Erwärmen auf eine bestimmte Temperatur umgeformt werden kann (direkte Verwertung). Solche thermoplastischen CFK sind aktuell noch in relativ geringer Menge im Umlauf. Die potentiell gute Rezyklierbarkeit, insbesondere durch die Möglichkeit der direkten Verwertung, hat in den letzten Jahren jedoch zu einer Zunahme im Bereich Forschung und Entwicklung solcher CFK geführt.

Duroplastische, also nicht wärmeverformbare Kunststoffmatrices, besitzen im Vergleich zu thermoplastischen CFK einen deutlich höheren Marktanteil. Die Abfälle duroplastischer CFK können in zwei Gruppen eingeteilt werden: Zum einen können sie als sogenannte Prepregs vorliegen, also mit Matrix benetzte Carbonfaserhalbzeuge, die noch unausgehärtet sind und noch nicht zu Bauteilen verarbeitet wurden. Die weitaus größere Gruppe duroplastischer CFK-Abfälle stellen jedoch Ausschussbauteile und End-of-life (EOL)-Produktanwendungen dar, bei denen die Matrix bereits ausgehärtet ist. Hier ist in den nächsten 20 Jahren mit einer sehr starken Zunahme des Abfalls zu rechnen, da insbesondere in der Luftfahrt bereits seit vielen Jahren duroplastische CFK verbaut werden, deren EOL erst in 10 – 30 Jahren erreicht sein wird.

In der Regel werden solche duroplastischen CFK-Abfälle zunächst ähnlich den thermoplastischen CFK mechanisch behandelt und zerkleinert. Die erhaltenen Partikel können z. B. neuen duromeren Verbundmaterialien wie Sheet Moulding Compounds (SMC) und Bulk Moulding Compounds (BMC) beigemischt werden. Denkbar ist auch der Einsatz als Beimischung in Beton, analog zu glasfaserverstärkten Kompositen. Allerdings ist dieses Vorgehen aufgrund der hohen Preise für Carbonfasern wenig ökonomisch und wirft zukünftig neue Fragen im Recycling auf. Duroplastische CFK können zudem ebenfalls durch chemisch-thermische Prozesse (Pyrolyse oder Solvolyse) getrennt werden, um die teuren Carbonfasern zurückzugewinnen. Obwohl bisher fast ausschließlich Pyrolyseprozesse für solche CFK kommerzialisiert wurden, werden Pyrolyse oder Solvolyse durchaus als komplementäre Prozesse betrachtet.

Ein Vorteil der Solvolyse stellt die potentielle Möglichkeit dar, neben den Carbonfasern auch die Matrix neuer spezieller duroplastischer CFK z. B. mit sogenannten covalenten adaptiven Netzwerken (CAN) wiederzugewinnen. Diese Kunststoffe können im Gegensatz zu herkömmlichen Duroplasten durch das Auflösen der Matrix recycelt werden, wobei der Kunststoff in kleinere Segmente zerlegt und so zurückgewonnen werden kann. Kürzlich ist es auf diese Weise gelungen, im Labormaßstab ein solches CFK zu fast 100% wiederzuverwenden. Dazu wurde die Matrix des Kompositwerkstoffes mit Hilfe eines Katalysators in einem Lösungsmittel bei 180 °C aufgelöst. Die recycelten Fasern konnten rein zurückgewonnen werden und behielten 97% ihres Elastizitätsmoduls sowie 95 % ihrer Zugfestigkeit. Durch Eindampfen des Lösungsmittels konnte die gelöste Matrix wieder verfestigt werden, so dass beide Bestandteile zur Herstellung neuer Komposite genutzt werden konnten. Denkbar ist es zudem, beschädigte Werkstücke auf sehr ähnliche Weise zu reparieren. Neben den CAN werden zunehmend auch rezyklierbare Epoxidharze entwickelt, die als Matrix verwendet werden können. Nach dem Recycling können diese Epoxide in gewissen Massenanteilen mit neuen, reinen Epoxidharzen vermischt werden, ohne Qualitäts- und Eigenschaftseinbußen zu verursachen.

Neben diesen Prozessen wird jedoch auch an gänzlich alternativen Ansätzen geforscht. Beispielsweise wurde im Labormaßstab festgestellt, dass spezielle Mikroorganismen unter geeigneten Bedingungen zur Zersetzung der Epoxidharzmatrix von duroplastischen CFK fähig sind. Nun soll getestet werden, ob ein solches Verfahren auch im industriellen Maßstab möglich wäre.

Beim Recycling von CFK-Abfällen wurden bereits große Fortschritte gemacht, das Feld steht jedoch noch immer vor großen Herausforderungen. Zwar wurden bereits Demonstrationsprojekte und Produkte entwickelt, die recycelte Carbonfasern nutzen, aber die Qualität solcher Fasern ist bisher häufig deutlich schlechter als die neuer Carbonfasern. Mit einer Erschließung neuer Produkte und Märkte ist zukünftig jedoch zu rechnen, insbesondere wegen des zu erwartenden erhöhten Recyclingaufkommens und dem damit einhergehenden vermehrten Aufkommen von rezyklierten Carbonfasern.

*Fraunhofer Institut für
Naturwissenschaftlich-Technische
Trendanalysen
Appelsgarten 2, 53879 Euskirchen
berichtet in jeder Ausgabe exklusiv
über Werkstofftrends

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