Die steigende Nachfrage nach leichten, hochfesten Werkstoffen führt zu einem rasanten Anstieg der Verwendung von Verbundwerkstoffen in zahlreichen Industriezweigen. Vor allem in der Automobil- und Luftfahrtbranche sowie im Bauwesen zeichnen sich enorme Potenziale ab. Gleichzeitig stehen Unternehmen und Forschungseinrichtungen vor der Herausforderung, eine zirkuläre Kreislaufwirtschaft zu etablieren, die Rohstoffverbrauch und CO₂-Emissionen minimiert. Dieser Artikel beleuchtet aktuelle Lösungsansätze und zeigt die Grenzen beim Recycling von Kompositrecycling auf.
Herausforderungen bei der Wiederaufbereitung von Verbundwerkstoffen
Verbundwerkstoffe bestehen meist aus mehreren Komponenten wie Thermoplaste, Thermosets und verschiedenen Fasern (z. B. Glas- oder Carbonfasern), die miteinander verbunden sind. Dieses Zusammenspiel führt zu bekannten Vorteilen wie hoher Festigkeit bei niedrigem Gewicht, erschwert jedoch gleichzeitig das Recycling:
- Die Trennung von Matrix und Verstärkungskomponente erweist sich häufig als technisch und ökonomisch aufwendig.
- Heterogene Materialzusammensetzungen erschweren standardisierte Verfahren.
- Verunreinigungen, Additive oder Faserbeschichtungen führen zu Rückständen im Rezyklat.
Außerdem steigt die Komplexität, wenn Verbundbauteile in mehreren Schichten oder mit funktionellen Beschichtungen versehen sind. Bei mangelnder Trennbarkeit lässt sich nur ein geringer Anteil als hochwertiges Rezyklat verwerten. Die Folge: Viele Verbundbauteile werden derzeit noch energetisch verwertet oder landen in der thermischen Restmüllbehandlung.
Innovative Technologien und Verfahren
Um die Nachhaltigkeit von Verbundwerkstoffen zu steigern und Ressourcen zu schonen, arbeiten Forscher an neuen Recyclingverfahren. Diese lassen sich grob in drei Kategorien unterteilen:
Mechanisches Recycling
Beim mechanischen Verfahren werden Verbundbauteile zerkleinert und anschließend separiert. Das Ziel ist die Gewinnung von Fasern und Füllstoffen für die Weiterverarbeitung:
- Schreddern und Mahlen zu Faserflocken bzw. Füllstoffpulver.
- Dichte- oder Windsichtung zur Trennung von leichteren und schwereren Fraktionen.
- Nachbehandlung zur Entfernung von Matrixresten.
Vorteile: geringe Investitionskosten, relativ einfache Prozessführung. Nachteile: Faserlängenreduzierung, eingeschränkte Rezyklatqualität und niedrigere mechanische Eigenschaften im Vergleich zum Virgin-Material.
Chemisches Recycling
Bei diesem Ansatz erfolgt die gezielte Spaltung der Polymermatrix durch Lösungsmittel, Hydrolyse oder Pyrolyse. Ziel ist es, Monomere oder oligomere Bausteine zu gewinnen:
- Selektive Depolymerisation zur Rückgewinnung von Ressourcen wie Glykolen oder Dicarbonsäuren.
- Aufarbeitung der Monomere zu hochreinem Sekundärrohstoff.
- Wiederherstellung von Faserverstärkungen mit nahezu unverändertem Faserdurchmesser.
Die chemische Methode verspricht eine hohe Rezyklatqualität, ist jedoch oft energieintensiv und benötigt aufwendige Abwasser- und Abgasreinigung. Zudem sind Lösungsmittel oder Katalysatoren mit Umwelt- und Gesundheitsrisiken behaftet.
Thermisches Recycling
Beim thermischen Verfahren werden Verbundwerkstoffe bei hohen Temperaturen – meist in Abwesenheit von Sauerstoff – zersetzt. Dabei entstehen pyrolytische Öle, Gase und feste Pyrolysekoks:
- Pyrolysegas als Heiz- oder Prozessgas.
- Pyrolytisches Öl als chemischer Rohstoff.
- Carbonfasern im Rückstand, die je nach Behandlung wieder genutzt werden können.
Obwohl thermisches Recycling für eine nahezu vollständige Volumenreduktion sorgt, leidet die Qualität der rezyklierten Fasern oft unter mechanischer und chemischer Degradation. Hohe Temperaturen erfordern zudem robuste Anlagen und umfassendes Sicherheitsmanagement.
Grenzen und Zukunftsperspektiven
Wissenschaft und Industrie verfolgen neben bestehenden Verfahren verstärkt die Entwicklung von Nachhaltigen Materialkreisläufen. Ein Ansatz zielt auf die Konzeption von Verbundwerkstoffen mit dem Begriff „Design for Recycling“:
- Auslegung der Matrix-Faser-Verbindung für einfache Trennbarkeit.
- Einsatz modularer Bauweisen, die Demontage erleichtern.
- Verwendung biologisch abbaubarer oder rezyklierbarer Polymere.
Weitere Entwicklungen umfassen sensorunterstützte Sortierungssysteme, KI-gestützte Prozessoptimierung und automatisierte Demontageanlagen. Dennoch bleiben zentrale Grenzen bestehen:
- Wirtschaftlichkeit: Hohe Investitionskosten und oft niedrige Erlöse aus Rezyklaten.
- Qualitätsanforderungen: Rezyklate können in kritischen Anwendungen nicht immer Virgin-Material ersetzen.
- Regulatorische Hemmnisse: Unterschiedliche Vorschriften im In- und Ausland erschweren den grenzüberschreitenden Materialaustausch.
Trotz dieser Herausforderungen eröffnen sich durch optimierte Materialdesigns und Prozessinnovationen vielversprechende Wege. Das Zusammenspiel aus Forschung, Industrie und Politik ist entscheidend, um das Potenzial von innovative Technologien im Verbundwerkstoff-Recycling auszuschöpfen und langfristig eine Energieeffizienz in der Wertschöpfungskette zu erzielen.
