Recycelbares Polyethylen zeigt Beschädigungen an und isoliert Kabel
Kunststoffe, die in hochfesten Verbundwerkstoffen, Beschichtungen und Hochspannungsisolatoren zum Einsatz kommen, sind oft schwer recycelbar, da sie derart konzipiert sind, dass sie nach dem Aushärten nicht schmelzen oder fließen. Diese Haltbarkeit ist während des Betriebs zwar äußerst nützlich, bereitet aber am Lebensdauerende Kopfzerbrechen. Das Team des innerhalb der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen unterstützten Projekts VIT(öffnet in neuem Fenster) befasste sich mit Vitrimeren, d. h. Polymeren, die sich im Einsatz wie Duroplaste verhalten, aber durch Erhitzen umgeformt, repariert oder wiederverarbeitet werden können. Bei der Projektarbeit stand im Mittelpunkt, diese Werkstoffe sowohl funktional als auch recycelbar auszugestalten. Es wurden optische Moleküle erkundet, die Schäden, Feuchtigkeit oder das Eindringen von Luftfeuchtigkeit signalisieren können, selbstmeldende und heilbare Folien hergestellt und Systeme auf Polyethylenbasis zur Isolierung von Hochspannungskabeln geprüft. Diese Arbeit knüpft an weiterführende europäische Forschung zu recycelbaren Duroplasten und Vitrimeren für anspruchsvolle Verbundwerkstoffanwendungen an.
Recycelbare Kunststoffe mit integrierten Schadenswarnungen
Ein Resultat war etliche Werkstoffe, die Belastungen, Kratzer, Feuchtigkeit oder Sauerstoffeintritt durch sichtbare Farb- oder Fluoreszenzveränderungen anzeigen können. Roberta Pinalli, VIT-Projektkoordinatorin, erklärt dazu: „Dank unserer Mechanophore bzw. optischen Moleküle ist es möglich, Schäden oder das Eindringen von Feuchtigkeit oder Sauerstoff mit bloßem Auge zu erkennen, da Risse, Sauerstoff oder Feuchtigkeit deutliche Farbänderungen verursachen.“ Das könnte dazu beitragen, kleine Kratzer oder Mikrorisse zu finden, bevor sie als größere Schäden sichtbar werden. In ausgewählten Systemen konnte die optische Reaktion nach der Wiederaufbereitung beibehalten oder wiederhergestellt werden, wodurch die Materialien dem Konzept der Wiederverwendung, der Reparatur und des Recyclings näherkommen.
Kabelisolierung und Duroplaste mit zweitem Leben
Die VIT-Partner untersuchten außerdem praxisnähere frühe Anwendungen, darunter Hochspannungskabelisolierungen, Verbundwerkstoffe und Duroplastteile. Konventionelles vernetztes Polyethylen findet breite Anwendung in der Isolierung von Hochspannungskabeln, ist aber schwer recycelbar. Das Team von VIT prüfte Polyethylen-basierte Ionomere und Vitrimerformulierungen als mögliche Alternativen. In den Projekttests zeigte sich, dass das elektrische Verhalten mit dem konventioneller Materialien vergleichbar ist. Die wichtigste Eigenschaft, die nach dem Recycling erhalten bleiben musste, war die mechanische Festigkeit. Bei Vitrimeren auf Polyethylenbasis, erläutert Pinalli, „beobachteten wir nach dem Recycling ein steiferes Verhalten“. Das lässt darauf schließen, dass das Material wiederaufbereitet werden kann, seine mechanischen Eigenschaften jedoch stark von der Verarbeitungsvorgeschichte und den Recyclingbedingungen abhängen. Für Anwendungen wie Kabelisolierung und Strukturverbundwerkstoffe ist das wichtig, weil auch recycelte Materialien langfristig vorhersehbare Leistungseigenschaften aufweisen müssen.
Warum Fertigungsprobleme immer noch den breiten Vitrimereinsatz einschränken
Im Rahmen des Projekts konnte demonstriert werden, dass ausgewählte Schäden meldende Vitrimersysteme mindestens viermal wiederaufbereitet werden konnten, ohne ihre funktionelle Reaktionsfähigkeit zu verlieren. Weitere Zyklen wurden jedoch nicht erprobt. Nach der erneuten Verarbeitung wurden die Materialien in mancher Hinsicht weniger elastisch und mechanisch schwächer, während ihre Steifigkeit im Großen und Ganzen gleich blieb. Anhand ausgewählter Systemen auf Polyethylenbasis wurden außerdem industriell relevante Verarbeitungsrouten einschließlich reaktiver Extrusion, Formpressen und Spritzgießen demonstriert. Die größte Hürde besteht nach wie vor darin, das im Labor gewonnene chemische Wissen in eine robuste Fertigung umzusetzen. Pinalli drückt sich dazu direkt aus: „Die Verarbeitungsanlagen stellen die größte Hürde dar, da die Prozessabläufe beim Vitrimer rheologisch ganz anders als bei Thermoplasten ablaufen: Die Viskositäten sind deutlich unterschiedlich, und die Viskosität von Vitrimeren ist höher als die von Thermoplasten.“ Das bedeutet, dass Unternehmen möglicherweise angepasste Temperaturfenster, Trocknungsprotokolle, Verweilzeiten und Mischbedingungen benötigen. Diese Veränderungen im Fertigungsprozess bilden die Brücke zwischen vielversprechendem recycelbarem Duroplast und realen Produkten. Innerhalb des Projekts VIT wird nachgewiesen, dass intelligente Vitrimere Schäden melden, Reparaturen unterstützen und wiederaufbereitet werden können. Die heute noch schwer recycelbaren Duroplaste zu ersetzen, erfordert jedoch weiterhin langfristige Validierungen sowie genormte Prüf- und Verarbeitungsverfahren, die auf zuverlässige Weise von der Industrie durchgeführt werden können.
