Vor einigen Tagen veröffentlichte Professor Aniruddh Vashisth von der University of Washington einen Artikel in der international anerkannten Fachzeitschrift Carbon. Darin behauptete er, erfolgreich einen neuen Typ von Kohlefaser-Verbundwerkstoff entwickelt zu haben. Im Gegensatz zu herkömmlichem CFK, das nach einer Beschädigung nicht mehr repariert werden kann, können neue Materialien wiederholt repariert werden.
Das neue CFK behält die mechanischen Eigenschaften herkömmlicher Werkstoffe bei und bietet einen neuen Vorteil: Es kann durch Hitzeeinwirkung wiederholt repariert werden. Hitze kann Ermüdungsschäden am Material reparieren und es auch zersetzen, wenn es am Ende des Nutzungszyklus recycelt werden muss. Da herkömmliches CFK nicht recycelt werden kann, ist es wichtig, ein neues Material zu entwickeln, das mithilfe von Wärmeenergie oder Hochfrequenzerhitzung recycelt oder repariert werden kann.
Professor Vashisth erklärte, dass Wärme den Alterungsprozess von neuem CFK unbegrenzt verzögern kann. Streng genommen müsste dieses Material als kohlenstofffaserverstärktes Vitrimer (vCFRP, Carbon Fiber Reinforced Vitrimers) bezeichnet werden. Glaspolymer (Vitrimere) ist ein neuartiges Polymermaterial, das die Vorteile von thermoplastischen und duroplastischen Kunststoffen vereint und 2011 vom französischen Wissenschaftler Professor Ludwik Leibler erfunden wurde. Vitrimere nutzen einen dynamischen Bindungsaustauschmechanismus, der bei Erwärmung einen reversiblen chemischen Bindungsaustausch dynamisch durchführen und gleichzeitig die vernetzte Gesamtstruktur aufrechterhalten kann, sodass duroplastische Polymere wie thermoplastische Polymere selbstheilend und wiederverwertbar sind.
Im Gegensatz dazu handelt es sich bei den allgemein als Kohlefaserverbundwerkstoffe bezeichneten Werkstoffen um kohlenstofffaserverstärkte Harzmatrix-Verbundwerkstoffe (CFK), die je nach Harzstruktur in zwei Typen unterteilt werden können: Duroplaste und Thermoplaste. Duroplastische Verbundwerkstoffe enthalten üblicherweise Epoxidharz, dessen chemische Bindungen das Material dauerhaft zu einem Körper verfestigen können. Thermoplastische Verbundwerkstoffe enthalten relativ weiche thermoplastische Harze, die geschmolzen und wiederverarbeitet werden können. Dies beeinträchtigt jedoch zwangsläufig die Festigkeit und Steifigkeit des Materials.
Die chemischen Bindungen in vCFRP können geknüpft, gelöst und wieder geknüpft werden, um einen Mittelweg zwischen duroplastischen und thermoplastischen Materialien zu schaffen. Die Projektforscher sind überzeugt, dass Vitrimere duroplastische Harze ersetzen und die Ansammlung duroplastischer Verbundwerkstoffe auf Mülldeponien verhindern können. Die Forscher gehen davon aus, dass vCFRP einen bedeutenden Wandel von traditionellen hin zu dynamischen Materialien mit sich bringen wird und eine Reihe von Auswirkungen auf die Lebenszykluskosten, Zuverlässigkeit, Sicherheit und Wartung haben wird.
Derzeit sind Rotorblätter von Windkraftanlagen einer der Bereiche, in denen CFK in großem Umfang verwendet wird, und die Wiederverwertung der Rotorblätter war in diesem Bereich schon immer ein Problem. Nach Ablauf der Betriebszeit wurden Tausende ausgemusterter Rotorblätter auf Mülldeponien entsorgt, was enorme Auswirkungen auf die Umwelt hatte.
Wenn vCFRP für die Rotorblattherstellung verwendet werden kann, lässt es sich durch einfaches Erhitzen recyceln und wiederverwenden. Auch wenn das behandelte Rotorblatt nicht repariert und wiederverwendet werden kann, lässt es sich zumindest durch Hitze zersetzen. Das neue Material verwandelt den linearen Lebenszyklus von duroplastischen Verbundwerkstoffen in einen zyklischen Lebenszyklus und stellt damit einen großen Schritt in Richtung nachhaltiger Entwicklung dar.
Wenn vCFRP für die Rotorblattherstellung verwendet werden kann, lässt es sich durch einfaches Erhitzen recyceln und wiederverwenden. Auch wenn das behandelte Rotorblatt nicht repariert und wiederverwendet werden kann, lässt es sich zumindest durch Hitze zersetzen. Das neue Material verwandelt den linearen Lebenszyklus von duroplastischen Verbundwerkstoffen in einen zyklischen Lebenszyklus und stellt damit einen großen Schritt in Richtung nachhaltiger Entwicklung dar.
Beitragszeit: 09.11.2021
