Grundlagen des mechanischen Composite Recyclings

Moderne Industrien setzen zunehmend auf faserverstärkte Verbundwerkstoffe wie Glas- und Kohlefaserverbunde, da sie leicht, fest und langlebig sind. Diese Materialien sind für Anwendungen wie Rotoren in Windkraftanlagen, Fahrzeuge im Personenverkehr und Flugzeuge unverzichtbar. Am Ende ihrer Nutzungsdauer stellen sie jedoch ein großes Problem für die Umwelt dar. Im Gegensatz zu Metallen sind faserverstärkte Verbundwerkstoffe, insbesondere solche auf Basis von Harzen, schwer zu recyceln, und viele werden noch immer verbrannt oder deponiert. Mechanisches Recycling gilt als eine der vielversprechendsten und skalierbarsten Lösungen, doch dass tatsächliches Potenzial ist auf mikro- und mesoskopischer Ebene bislang nicht ausreichend verstanden. Das Projekt FuMCoRe untersucht auf grundlegender Ebene, wie gebrauchte Verbundwerkstoffe wiederverwendet und damit recycelt werden können. Die zentrale Idee ist, dass die mechanischen Eigenschaften recycelter Verbundwerkstoffe stark von der Haftung zwischen den Fasern und der umgebenden Polymermatrix auf mikroskopischer Ebene, dem sogenannten Interface, abhängt. Diese Interfacehaftungen steuern die Lastübertragung im Material. Jedoch sind diese nach Alterung und Recycling noch unzureichend verstanden. Experimentelle Prüfungen, fortgeschrittene Modellierung und Nachhaltigkeitsbewertung werden kombiniert, um ein umfassendes Verständnis dieser Interfacehaftungen aufzubauen. Zunächst werden repräsentative Glas- und Kohlefaserverbunde ausgewählt und hergestellt. Anschließend wird ihr mechanisches Verhalten sowohl im Neuzustand und in künstlich gealterten Zuständen analysiert, die eine langfristige Einwirkung von Umwelteinflüssen wie UV-Strahlung und Feuchtigkeit simulieren. Ein besonderer Schwerpunkt liegt darauf zu messen, wie sich die Haftung zwischen Fasern und Matrix sowie zwischen benachbarten Laminatlagen infolge von Alterung und Recycling verändert. Auf Grundlage dieser Messungen entwickelt das Projekt multiskalen Modelle, die das Grenzflächenverhalten von molekularer Ebene bis hin zu strukturellen Bauteilen beschreiben. Auf Probekörper-Ebene entwickelte und kalibrierte Modelle werden anschließend auf Komponentenebene skaliert, um einen Machbarkeitsnachweis für den Transfer auf makroskopische Strukturen zu liefern. Parallel dazu bewertet das Projekt die Umweltauswirkungen des Verbundwerkstoffrecyclings mithilfe von Life-Cycle-Assessment- Methoden, sodass mechanische Recyclingstrategien nicht nur technisch, sondern auch hinsichtlich ihrer Nachhaltigkeit beurteilt werden können. FuMCoRe verknüpft Materialwissenschaft, mechanische Modellierung und Ökobilanzierung, um zu bestimmen, wann und wie mechanisches Recycling von Verbundwerkstoffen realisierbar ist. Die Ergebnisse ermöglichen eine bessere Materialauswahl, recyclinggerechtes Produktdesign und fundierte Entscheidungen für zukünftige Recyclingtechnologien, verbessern mechanische Recyclingprozesse und unterstützen den Übergang zu einer Kreislaufwirtschaft.