Entwicklung eines flammhemmenden und recycelbaren Faserverbundwerkstoffs für die Luftfahrt und den Schienenverkehr
Flugzeuge und Passagierzüge unterliegen hohen Sicherheitsanforderungen, insbesondere im Bereich Brandschutz. Die hierfür eingesetzten Materialien müssen neben Flammhemmung auch Leichtbauweise, mechanische Belastbarkeit und zunehmend Recyclingfähigkeit vereinen. Forschende der Empa haben gemeinsam mit dem Industriepartner Elantas einen Verbundwerkstoff entwickelt, der erstmals alle diese Kriterien erfüllt und vollständig recycelbar ist.
Herausforderungen bei der Materialentwicklung
Die Anforderungen an moderne Werkstoffe für die Luft- und Schienenfahrt sind komplex. Sabyasachi Gaan vom Empa-Labor „Advanced Fibers“ erläutert, dass die Verbesserung einer Eigenschaft häufig Auswirkungen auf andere Materialmerkmale hat. Im Rahmen eines von Innosuisse geförderten Projekts konzentrierte sich das Team zusammen mit Elantas auf einen Verbundwerkstoff, der im Innenausbau von Flugzeugen und Zügen, etwa als Bodenbelag in Passagierkabinen, verwendet wird.
Aufbau und Nachhaltigkeit des Verbundwerkstoffs
Der Werkstoff besteht aus einem mehrschichtigen „Sandwich“-Aufbau: Im Kern befindet sich eine Wabenstruktur aus Aramid, einem hitzebeständigen Kunststoff. Diese leichte und stabile Struktur wird von mehreren Schichten aus Glas- oder Kohlefasern umgeben. Als Bindemittel dient Epoxidharz, das üblicherweise weder chemisch noch thermisch recycelbar ist und daher häufig entsorgt oder verbrannt wird.
Innovative Lösung für Recyclingfähigkeit
Die Empa-Forschenden entwickelten einen phosphorhaltigen Zusatzstoff für das Epoxidharz, der das Material flammhemmend macht und gleichzeitig thermomechanisches Recycling ermöglicht. Nach der Aushärtung kann das Harz unter bestimmten Bedingungen wieder erweicht und neu verarbeitet werden – ein bisher nicht realisierter Ansatz für Epoxid.
Vollständiges Recycling des Verbundmaterials
Im Projekt wurde zudem ein Verfahren erarbeitet, das die Zerlegung des Verbundwerkstoffs in seine Einzelkomponenten erlaubt. Mithilfe eines geeigneten Lösungsmittels und Wärmezufuhr können die Aramid-Wabenstruktur sowie die Glas- oder Kohlefasern zurückgewonnen werden. Die Wiederverwertung dieser Fasern ist wirtschaftlich sinnvoll, da sie kostspielig sind. Perspektivisch soll auch das Epoxidharz selbst aus der Lösung zurückgewonnen werden.
Industrielle Anwendung und Ausblick
Das recycelbare Epoxidharz wurde an der Empa entwickelt und in Zusammenarbeit mit Elantas auf seine industrielle Tauglichkeit geprüft. Das Material erfüllt die Brandschutzvorgaben und weist mechanische Eigenschaften auf, die konventionellem Epoxidharz vergleichbar sind. Es ermöglicht erstmals ein vollständiges Recycling des Verbundwerkstoffs.
Die Projektpartner planen eine weitere Skalierung der Herstellung und des Recyclingprozesses. Fiorenzo Lenzi, Leiter der Produktlinie Aerospace/Ballistic bei Elantas, betont die Bedeutung der Kombination von Brandschutz, Leichtbau und Recyclingfähigkeit für die Luftfahrtindustrie.
Parallel erforscht das Empa-Team weitere Einsatzgebiete für den neuen Werkstoff, beispielsweise im Energiesektor und im Bauwesen. Die Entwicklung basiert auf fundierter Grundlagenforschung, die das Verständnis der Materialeigenschaften sicherstellt.
Innovationskraft durch Materialforschung in der Schweiz
Etwa 70 % aller Innovationen beruhen auf neuen Materialien. Die Empa, als Materialforschungsinstitut im ETH-Bereich, trägt seit über 120 Jahren mit interdisziplinären Teams zur Entwicklung neuer Technologien bei. Beispiele sind biologisch abbaubare Batterien, robuste Drohnen, digitale Stadtmodelle, neuartige Therapien gegen resistente Keime und alternative Materialien für problematische Stoffe wie PFAS. Durch Kooperationen mit der Industrie und Spin-offs werden diese Innovationen in die Schweizer Wirtschaft und Gesellschaft eingebracht.
Kontaktinformationen
- Dr. Sabyasachi Gaan
Empa, Advanced Fibers
Tel.: +41 58 765 76 11
E-Mail: sabyasachi.gaan@empa.ch - Fiorenzo Lenzi
ELANTAS Europe AG
Leiter Produktlinie Aerospace/Ballistic
Tel.: +41 61 785 53 72
E-Mail: Fiorenzo.Lenzi@altana.com
Weiterführende Informationen
Brandschutz für Flugzeug und Zug dank recycelbarem Faserverbundwerkstoff – Empa
Video zum Thema: Flammhemmender und recycelbarer Faserverbundwerkstoff entwickelt
