Kunststoffe in Hochspannungskabeln oder Verbundwerkstoffen sind so konzipiert, dass sie nach dem Aushärten nie wieder schmelzen. Im Alltag ist das ein Vorteil, beim Recycling ein echtes Problem. Das Team des Projekts VIT prüfte, ob sich beides vereinen lässt, und entwickelte Werkstoffe, die Schäden durch einen Farbwechsel selbst anzeigen und nach dem Erhitzen erneut verarbeitet werden können — und am Ende kannst du testen, wie viel Materialingenieur in dir steckt.
Duroplaste kommen dort zum Einsatz, wo es auf Festigkeit ankommt: in Verbundwerkstoffen, Beschichtungen und elektrischen Isolatoren, die unter Hochspannung arbeiten. Ihr größter Vorteil ist zugleich ihr größter Nachteil. Sie sind so konzipiert, dass sie nach dem Aushärten weder schmelzen noch fließen. Im Betrieb sind sie daher stabil, doch wenn ihr Leben endet, lassen sie sich nur sehr schwer wiederverwenden.
Dieses Problem nahm sich das Team des Projekts VIT vor, das von der Europäischen Union im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanziert und von der Universität Parma in Italien koordiniert wurde.
Die Forschenden setzten auf Vitrimere. Das sind Polymere, die sich im Einsatz wie klassische Duroplaste verhalten, sich aber durch Erhitzen umformen, reparieren oder wiederverarbeiten lassen. Das Ziel war klar: Werkstoffe zu entwickeln, die Funktionalität mit Recyclingfähigkeit verbinden.
Die Arbeiten verliefen an mehreren Fronten gleichzeitig. Die Forschenden befassten sich mit:
Eines der wichtigsten Ergebnisse ist eine Reihe von Werkstoffen, die Belastungen, Kratzer, Feuchtigkeit oder Sauerstoffeintritt durch eine sichtbare Veränderung der Farbe oder der Fluoreszenz anzeigen. Dafür sind spezielle Moleküle verantwortlich, die Mechanophore genannt werden.
„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“, erklärt die Projektkoordinatorin Roberta Pinalli.
In der Praxis bedeutet das die Chance, kleine Kratzer und Mikrorisse zu entdecken, bevor sie sich zu ernsteren Schäden auswachsen. Wichtig ist: In ausgewählten Systemen konnte die optische Reaktion auch nach der erneuten Verarbeitung des Werkstoffs beibehalten oder wiederhergestellt werden. Die Signalfunktion verschwindet also nicht mit dem ersten Lebenszyklus des Kunststoffs.
Die Projektpartner untersuchten, wie sich die neuen Werkstoffe in der Isolierung von Hochspannungskabeln, in Verbundwerkstoffen und in Duroplastteilen bewähren. Kabel sind ein guter Prüfstand, denn das zu ihrer Isolierung weit verbreitete vernetzte Polyethylen ist schwer zu recyceln.
Das Team prüfte daher Ionomere auf Polyethylenbasis sowie Vitrimerformulierungen als mögliche Alternativen. Das Ergebnis ist vielversprechend: Ihre elektrischen Eigenschaften erwiesen sich als vergleichbar mit denen konventioneller Werkstoffe.
Am schwierigsten war es, die mechanische Festigkeit zu erhalten. Sie erwies sich als die Eigenschaft, die am empfindlichsten auf eine erneute Verarbeitung reagiert. Wie Pinalli berichtet, „beobachteten wir nach dem Recycling ein steiferes Verhalten“, und zwar bei Werkstoffen auf Polyethylenbasis.
Diese Beobachtung bestätigt, dass sich der Werkstoff wiederaufbereiten lässt, sein mechanisches Verhalten aber stark von der Verarbeitungsvorgeschichte und den Recyclingbedingungen abhängt. Bei Kabelisolierungen oder Verbundwerkstoffen, wo die Eigenschaften über lange Zeit vorhersehbar sein müssen, ist das eine Schlüsselfrage.
Die Forschenden zeigten außerdem, dass sich ausgewählte selbstmeldende Vitrimersysteme mindestens viermal wiederaufbereiten lassen, ohne ihre funktionelle Reaktion zu verlieren. Weitere Zyklen wurden bislang nicht erprobt. Nach weiteren Verarbeitungen wurden die Werkstoffe weniger elastisch und in mancher Hinsicht mechanisch schwächer, auch wenn ihre Steifigkeit im Großen und Ganzen gleich blieb.
Das Team führte außerdem industriell relevante Verarbeitungsverfahren vor: reaktive Extrusion, Formpressen und Spritzgießen, erprobt an ausgewählten Systemen auf Polyethylenbasis. Trotzdem bleibt die größte Hürde, die Chemie aus dem Labor in eine zuverlässige Fertigung zu übertragen.
„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“, betont die Koordinatorin.
Für Unternehmen hieße das, Temperaturfenster, Trocknungsprotokolle, Verweilzeiten und Mischbedingungen anzupassen. Die neue Chemie allein genügt nicht, auch an der Produktionslinie sind Änderungen nötig.
Die Geschichte von VIT zeigt gut, wie viele Fachrichtungen bei der Arbeit an einem einzigen Kunststoff zusammenkommen. Es geht um Moleküldesign und Polymerchemie, um die Elektrotechnik rund um die Kabelisolierung sowie um Verfahrenstechnik und Kunststoffverarbeitung. Jedes dieser Gebiete steuert sein Stück bei: Die einen sorgen dafür, dass der Werkstoff beim Reißen die Farbe wechselt, die anderen prüfen, ob er noch gut isoliert, und wieder andere suchen einen Weg, ihn im industriellen Maßstab zu extrudieren und zu formen.
Das Projekt VIT hat gezeigt, dass intelligente Vitrimere Schäden diagnostizieren, deren Reparatur unterstützen und eine erneute Verarbeitung ermöglichen können. Die heute verwendeten, schwer recycelbaren Duroplaste zu ersetzen, wird jedoch langfristige Validierungen, genormte Prüfverfahren und Prozesse erfordern, die die Industrie zuverlässig umsetzen kann. Der Weg von einem Kunststoff, der beim Reißen die Farbe wechselt, bis zu einem Kabel im Stromnetz ist also noch lang, doch die ersten Schritte sind getan.
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