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Ganz ohne aggressive Chemikalien: SKZ-Projekt soll ein schonendes Recycling von Polyurethan-Kompositen ermöglichen

Faserverstärkte Komposite sind als Werkstoff der Moderne nicht mehr wegzudenken. Ob in Windkraftanlagen, im Flugzeugbau oder für den Leichtbau im Automobilsektor – ihre Kombination aus großer Beständigkeit und hohen mechanischen Eigenschaften bei gleichzeitig geringem Gewicht macht diese Materialklasse für viele Branchen unverzichtbar. Gleichzeitig macht die hohe Beständigkeit der Duromer-Matrix sowie der enge Verbund aus Matrix und Fasern das Recycling äußerst herausfordernd, weshalb der Großteil aller Komposite bisher verbrannt oder deponiert wird.

Um die Nachhaltigkeit von Kompositen zu verbessern, forscht das SKZ daher zusammen mit der RWTH Aachen University an einem neuartigen Weg zum Recycling mithilfe von Enzymen. Enzyme sind in der Natur weit verbreitet, um spezifische Reaktionen hocheffizient zu katalysieren. Diese Wirkungsweise kann auch technisch genutzt werden, um Polymere selektiv an definierten Stellen zu spalten, ohne dass die gesamte Molekülstruktur zerstört wird. Auf diese Weise lassen sich Polymere schonend in wertvolle Bausteine zerlegen, die für die Herstellung neuer Polymere genutzt werden können. Polyurethane sind hierfür vielversprechend, da ihre namensgebenden Urethan-Gruppen großes Potenzial für eine enzymatische Spaltung haben.

Ausgangsstoffe in gleicher Qualität zurückgewinnen
Das Ziel des neuen Forschungsvorhabens „EnzyReput“ ist es, einen Prozess zu entwickeln, mit dem Polyurethan-Duromere mit Glasfaserverstärkung mithilfe von Enzymen so aufgespalten werden, dass die Ausgangsstoffe – also Glasfasern und Polyurethan-Harz – in gleichbleibender Qualität zurückgewonnen werden können, sodass ein neuer Komposit mit vergleichbaren mechanischen Eigenschaften hergestellt werden kann. Dafür werden maßgeschneiderte Enzyme zur Spaltung von Urethangruppen entwickelt und erprobt. Mit der langjährigen Erfahrung des Lehrstuhls für Biotechnologie der RWTH Aachen der Entwicklung von Enzymen für die Polymerspaltung und der breiten Expertise des SKZ im Bereich Harzentwicklung und Werkstoffprüfung bringen die beiden Partner dafür beste Voraussetzungen mit.

„Das Recycling von Kompositen steckt momentan noch in den Kinderschuhen. Wir sind zuversichtlich, dass dieser Ansatz eine völlig neue Art des Recyclings darstellen kann“, erklärt Dominik Uhl, Scientist im Bereich Vernetzte Materialien am SKZ. „Im Gegensatz zu chemischen Recyclingansätzen reichen mit Enzymen bereits niedrige Temperaturen aus, sodass wir von einem sehr energiesparenden Prozess reden. Gleichzeitig benötigen wir zur Polymerspaltung keine aggressiven Chemikalien und schonen daher gleichzeitig die Matrix, Fasern und die Umwelt.“

Glasfasern aus der Matrix herauslösen
Ein besonderer Schwerpunkt liegt darin, die fest im Komposit verankerten Glasfasern aus der Matrix herauszulösen, ohne dass es zu einer mechanischen oder chemischen Beschädigung der Fasern kommt, sodass die Fasern in gleichbleibender Qualität wiederverwendet werden können. Daher fokussiert sich das Projekt zunächst auf Kurz- und Langglasfasern, da hier im Gegensatz zu Endlosfasern die Möglichkeit bleibt, Kompositbauteile ohne starke Schädigung der Fasern zu einem Granulat zu zerkleinern, welches für das Recycling eine Reihe von Vorteilen bietet.

Mit „EnzyReput“ soll das Potenzial von Enzymen im Bereich des Polymerrecyclings weiter erschlossen werden und Grundlagen für das Recycling von Kompositen geschaffen werden. Somit soll das Abfallproblem von Kompositen reduziert werden und der Bedarf an ressourcenintensiver Neuware gesenkt werden, um die Nachhaltigkeit dieser herausragenden Stoffklasse zu verbessern.

Förderung
Das Forschungsvorhaben „EnzyReput“ (Förderkennzeichen RU 2607/4-1) wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. 

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