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Aushärtung von Faserverbundwerkstoffen mit der Taschenlampe

14.03.2019

Copyright: TU Wien

Ein kurzer Lichtimpuls reicht, um die an der TU Wien entwickelten Harze auszuhärten.

Eine hocheffiziente Spezialformel für ein Epoxidharz wurde an der TU Wien entwickelt. Die notwendige Energie zur Aushärtung von Faserverbundwerkstoffen wird damit um 99,9 % reduziert. Auf der Hannover Messe Anfang April wird dieses Harz der Industrie präsentiert.

In vielen Industriebereichen spielen Faserverbundwerkstoffe heute eine wichtige Rolle – im Automobil- und Schiffsbau, in der Luft- und Raumfahrt oder auch in der Windenergie. Diese Werkstoffe bestehen aus Karbon- oder Glasfasern, die von Epoxidharz als Bindemittel fixiert werden. Sie haben ausgezeichnete Materialeigenschaften, doch die Herstellung und Aushärtung von Faserverbundwerkstoffen ist kompliziert und teuer. Oft sind hohe Temperaturen und sehr große Öfen nötig, um die Bauteile auszuhärten, was teilweise mit hohen Energiekosten verbunden ist.

Das soll sehr bald der Vergangenheit angehören. Dem Forschungsteam von Prof. Robert Liska (Institut für Angewandte Synthesechemie, TU Wien) gelang es, eine völlig neuartige Technologie für das Aushärten von Epoxidharzen zu entwickeln. Mittels „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. Die spezielle Epoxidharz-Formel, die das möglich macht, wurde von der TU Wien bereits patentiert.

Das Bindemittel, das man einschalten kann

Epoxidharze gehören heute zu den Standard-Kunststoffmaterialien und werden in der Industrie nicht nur für Faserverbundwerkstoffe sondern auch für viele andere Zwecke eingesetzt. Man verwendet sie etwa um elektronische Bauteile zu isolieren oder um mechanische Teile zu fixieren.

Bei der Epoxidharz-Aushärtungstechnologie, die nun an der TU Wien entwickelt wurde, löst man mit Hilfe von Licht spezielle chemische Reaktionen aus, 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 hat man 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 ausgehärtet werden können.

„Mit unseren neuesten Weiterentwicklungen haben wir sogar erreicht, dass eine einfache Taschenlampe genügt um die Härtungsreaktion zu starten“, erklärt Dipl.- Ing. Christoph Schnöll, Leiter des Teams CURRATEC, das sich mit der Kommerzialisierung dieser Technologie beschäftigt. „Das ist ein absolutes Novum“, betont Schnöll. „Wenn man daran denkt, dass anstelle eines großen Industrieofens nur mehr eine kleine Taschenlampe notwendig ist, kommt man sehr schnell auf eine Energieeinsparung von über 99,9 %.“

Die Aushärtezeit kann 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 ausgezeichnete Lagerstabilität und der Wegfall umweltkritischer Reagenzien. Damit ergeben sich viele neue Anwendungsmöglichkeiten. Das Forschungsteam 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.

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