Biobasierte Verbundmaterialien für Hochleistungsanwendungen
Rotorblätter von Windrädern, Sportboote und Hochleistungskleber basieren auf Epoxid- oder Polyesterharzen, die heutzutage überwiegend aus fossilen Rohstoffen hergestellt werden. Forschende der Universität Oulu in Finnland stellen faserverstärkte Epoxid- und Polyesterharze aus biobasierten Rohstoffen her. Diese alternativen Materialien zeigen nicht nur eine gleiche oder gar höhere mechanische Stabilität wie fossilbasierte Verbundmaterialien, einige lassen sich außerdem gut recyceln.
Marktübliche Kompositmaterialien bestehen aus einer Kunststoffmatrix, die gefüllt ist mit Glas- oder Carbonfasern.
Epoxidharze sind bekannt wegen ihrer herausragenden mechanischen Stabilität und Beständigkeit gegen Salzwasser und UV-Licht. Ein weit verbreiterter Grundstoff für die konventionelle Herstellung von Epoxidharzen ist Bisphenol-A-diglycidylether (DGEBA). Das chinesische Marktforschungsinstitut HDIN Research schätzt den Bedarf an Expoxidharz für Windkraftanlagen auf mindestens 4.250 Tonnen pro Gigawatt elektrischer Leistung ein.
Verbundmaterialien aus Polyesterharzen mit Glasfasern werden beispielsweise für den Bau von Booten und Wohnwagen verwendet.
Verhalten im Verbund mit Fasern
In der jüngst in der Zeitschrift Composites Part B veröffentlichten Studie wurden zwei verschiedene furanbasierte Epoxidharze für das Aufskalieren der Produktion von Verbundlaminaten optimiert. Eines der beiden entwickelten Furane ähnelte einer BPA-ähnlichen Diolstruktur, während das zweite eher eine atypische Esterstruktur aufweist. Diese beiden Moleküle unterscheiden sich nur durch wenige Atome. Als Fasern für die daraus hergestellten Verbünde wurden Glas- und Flachsfasern gewählt. Glasfasern sind weit verbreitete, kostengünstige Fasern, die sich über Jahrzehnte in Verbundkunststoffen bewährt haben. Flachsfasern wurden als nachhaltige, biobasierte Alternative ausgewählt.
Die unterschiedlichen Kombinationen von Harz und Fasermaterial wurden durch Zug-, Biege- und Schlagversuche mechanisch charakterisiert. Gebrochene Verbundwerkstoffteile wurden morphologisch und auf ihre thermische Stabilität hin untersucht.
Die neuen Verbundmaterialien zeigten gute Eigenschaften: Bei den Glasfasermaterialien überstiegen die gemessenen Kennwerte für die mechanische Stabilität jene für das auf DGBEA basierende Material signifikant. Und auch mit Flachsfasern und den furanbasierten Harzen konnten Verbundmaterialien hergestellt werden, die gegenüber den kommerziellen Materialien gleichwertige oder bessere mechanische Eigenschaften aufwiesen.
In einer weiteren Studie im für Verbundmaterialien aus biobasiertem Polyester und Glasfasern wurden auch sehr gute Ergebnisse erzielt:
Das von uns entwickelte biobasierter Polyesterharz verfügt über eine um 76 % höhere Zugfestigkeit als ein kommerzielles, auf fossilem Rohstoff basierendes Polyesterharz“, erklärt Mikko Salonen, Doktorand an der Universität Oulu.
Auch im Preis sollen die biobasierten Materialien mit fossilbasierten mithalten können:
„Biobasierte Harze werden sich im Preis nicht signifikant von den fossilen Harzen unterscheiden“, meint Senior Research Fellow Juha Heiskanen. „Sind die biobasierten Plattformchemikalien erst einmal hergestellt, können sie in existierenden industriellen Produktionsanlagen eingesetzt werden.“
Wie steht es um die Recyclingfähigkeit?
Das Recyceln von Faserverbundkunststoffen derart, dass sowohl das Fasermaterial als auch das Matrixmaterial im Kreislauf geführt werden können, ist eine Herausforderung. Im Falle von Polyesterharzen hatten die Autor:innen schon das chemische Recycling durch Einsatz von Methanol praktiziert. Und auch für eines der esterbasierte Epoxide konnte eine chemische Route entwickelt werden, mit der das Monomer für dessen Synthese zurückgewonnen und zur erneuten Harzproduktion eingesetzt werden kann.
Chance zur Ausweitung der Bioökonomie
Die Grundstoffe für die biobasierten Harze sind Hydrocymethylfurfural (HMF) und Furfural. Diese Stoffe lassen sich aus Cellulose und Hemicellulose gewinnen und damit aus Reststoffen der Forst- und Landwirtschaft.
Während die Forstwirtschaft (in Finnland) traditionell auf die Zellstoffproduktion ausgerichtet war, ermöglichen neuere Technologien nun eine breitere Verwendung von Biomassekomponenten wie Lignin.
„Die Aufwertung biobasierter Rohstoffe zu Hochleistungsmaterialien und -produkten bietet eine bedeutende Chance, die Bioökonomie auszubauen“, sagt Heiskanen, Leiter eines siebenköpfigen Forschungsteams, das Materialien aus Biomasse entwickelt.
Unter dem Gesichtspunkt, dass weniger als zwei Prozent der globalen Ölreserven der EU zuzuordnen sind, weisen die finnischen Forscher:innen der Ausweitung der Produktion von biobasierten Chemikalien eine wichtige strategische Bedeutung zu, vor allem wenn es um Materialien geht, bei deren Einsatz Klimaziele erreicht und Kreislaufwirtschaft betrieben werden kann.
Die Entwicklung der biobasierten Epoxidharze wurde im Rahmen des von Business Finnland finanzierten Vorzeigeprojekts FurBio durchgeführt, an dem auch Partner aus Italien und Schweden beteiligt waren.
Die Entwicklung der biobasierten Polyesterharze geschieht innerhalb des Interreg-Aurora-Projekts SUSBICO (Sustainable Biocomposites) in Zusammenarbeit mit Wissenschaftler:innen der Technischen Universität Luleå in Schweden. Erste Ergebnisse aus dem noch laufenden Projekt wurden im November 2025 in ACS Sustainable Chemistry & Engineering veröffentlicht.
