In vielen Industriebereichen spielen Faserverbundwerkstoffe heute eine wichtige Rolle. Dazu gehören der im Automobil- und Schiffsbau, die Luft- und Raumfahrt oder auch die Windenergie. Diese Werkstoffe bestehen aus Karbon- oder Glasfasern, die von Epoxidharz als Bindemittel fixiert werden. Sie verfügen über gute Materialeigenschaften; die Herstellung und Aushärtung von Faserverbundwerkstoffen ist jedoch kompliziert und teuer. Oft sind hohe Temperaturen und sehr große Öfen nötig, um die Bauteile auszuhärten. Das ist teilweise mit hohen Energiekosten verbunden.
Das soll sehr bald der Vergangenheit angehören. Dem Forscherteam von Prof. Robert Liska am Institut für Angewandte Synthesechemie der TU Wien gelang es, eine neuartige Technologie für das Aushärten von Epoxidharzen zu entwickeln. Mittels sogenannter Frontal Polymerisation kann die Aushärtung des Materials bei Bedarf durch einen lokalen Licht- oder Temperaturimpuls gestartet werden. Innerhalb von Sekunden verändert sich das neue Material somit völlig und geht vom flüssigen in einen festen Zustand über.
Punktuelle Beleuchtung reicht
Epoxidharze gehören heute zu den Standard-Kunststoffmaterialien und werden in der Industrie nicht nur für Faserverbundwerkstoffe, sondern auch für viele andere Zwecke eingesetzt. Sie dienen beispielsweise dazu, elektronische Bauteile zu isolieren oder mechanische Teile zu fixieren.
Bei der Epoxidharz-Aushärtungstechnologie der TU Wien werden mithilfe von Licht spezielle chemische Reaktionen ausgelöst, die das Material in sehr kurzer Zeit fest werden lassen. Genau an dem Punkt, an dem das Licht auf das Harz trifft, wird eine Reaktion gestartet, die Wärme freisetzt. Diese Wärme breitet sich im Material aus und setzt eine chemische Kaskade in Gang. In einem Faserverbundwerkstoff, wo das Harz als Bindemittel dient, um Fasern oder Partikel zusammenzuhalten, funktioniert das genauso.
„Der entscheidende Vorteil dieser Methode ist, dass man nicht wie bei anderen lichthärtenden Materialien das gesamte Harz beleuchten muss“, erklärt Liska. „Es genügt, irgendeinen beliebigen Punkt mit Licht zu treffen. Der Rest härtet dann ganz von alleine, ohne weiteren Energieeintrag, aus.“ Bisher wurden im Bereich der Faserverbundwerkstoffe meist Zweikomponenten-Formulierungen verwendet. Sie werden zunächst direkt vor Ort mühsam zusammengemischt und müssen dann sehr schnell verarbeitet werden, bevor sie zum Teil unter hohem Zeit- und Energieaufwand aushärten.
Aushärtung auch unter Wasser möglich
„Mit unseren neuesten Weiterentwicklungen haben wir sogar erreicht, dass eine einfache Taschenlampe genügt um die Härtungsreaktion zu starten“, erklärt Christoph Schnöll, Leiter des Teams Curratec, das sich mit der Kommerzialisierung der Technologie beschäftigt. „Wenn man daran denkt, dass anstelle eines großen Industrieofens nurmehr eine kleine Taschenlampe notwendig ist, kommt man sehr schnell auf eine Energieeinsparung von über 99,9 Prozent.“ Die Aushärtezeit kann dabei teilweise von Tagen auf Minuten oder Sekunden reduziert werden.
Die neue Aushärtungsart läuft innerhalb des Materials und von der unmittelbaren Umgebung weitgehend entkoppelt ab. Dadurch kann Epoxidharz beispielsweise auch unter Wasser vollständig aushärten. Dazu kommen sehr gute Lagerstabilität und der Wegfall umweltkritischer Reagenzien. Das Forscherteam rund um Robert Liska und Christoph Schnöll ist nun auf der Suche nach Industriepartnern, um in weiteren Machbarkeitsstudien das Epoxidharzsystem für definierte Anwendungen zu testen und zu optimieren. Gemeinsam mit anderen Technologien stellt die TU Wien das spezielle Epoxidharz auf der diesjährigen Hannover Messe aus.
