Hintergrund und Motivation
Jedes Jahr werden weltweit mehr als 300 Millionen Tonnen Kunststoff produziert. Davon gelangen mindestens 8 Millionen Tonnen Kunststoff (vorrangig Verpackungen wie Tüten, Beutel und Flaschen aus Polyethylenterephthalat, PET) als Abfall in die Ozeane. Zur gleichen Zeit forciert der Einsatz der fossilen Rohstoffe, infolge des anthropogenen Treibhauseffektes, die globalen Klimaänderungen. Eine kürzlich veröffentlichte Studie zeigt weiterhin, dass PET-Flaschen, die in der Europäischen Union auf den Markt kommen, trotz einer Recyclingquote von 50 % im Durchschnitt nur zu 17 % aus rezykliertem PET (RPET) bestehen. Der hochwertige Recyclingkreislauf wird somit unterbrochen, rezyklierte Materialien zu nicht kreislauffähigen Produkten mit kurzer Nutzungszeit verarbeitet und letztlich weiterer neuer Kunststoff produziert. Die Ursachen sind dabei strenge gesetzliche Anforderungen an das PET-Rezyklat durch die Leitfäden der europäischen Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) als auch hohe Qualitätsansprüche der produzierenden Unternehmen.
Um den Herausforderungen der globalen Kunststoffüberproduktion zu begegnen, ist eine nachhaltige Verwendung der fossilen Rohstoffe notwendig. Hierzu ist die weitere Verwendung der aus dem Recyclingkreislauf herausfallenden Kunststoffe in Bauteilen und Produkten mit hohem CO2-Einsparpotential notwendig
Ganz allgemein bietet der Leichtbau durch die Gewichtseinsparung das Potential klimaschädliche CO2-Emissionen in Fahrzeugen zu reduzieren. Durch den Einsatz von rezyklierten Kunststoffen in Leichtbaustrukturen wird darüber hinaus die Produktion neuer Kunststoffe verringert. Durch die somit geschaffene Ressourceneffizienz sinkt dann die Nachfrage an fossilen Rohstoffen.
Basierend auf dem werkstofflichen Leichtbau gewinnen Multi-Material-Systeme zunehmend an Bedeutung. Insbesondere Sandwich-Verbunde sind im Fokus der Industrie, da sie eine große Flexibilität einsetzbarer Materialien besitzen. Hinzukommend erzielen sie im Vergleich zu monolithischen Konstruktionen bei nahezu gleichem Gewicht eine erheblich höhere Festigkeit und Steifigkeit. Grundsätzlich basieren Sandwich-Verbunde auf zwei dünnen, biegesteifen Deckschichten und einem dicken, leichten Kern, der zwischen diesen verklebt ist. In Abhängigkeit der Stützwirkung des Kerns auf die Deckschichten, kann in eine homogene bzw. inhomogene Stützung unterschieden werden. Typische Kerne wie Schaum und Holz können erstgenanntem und Waben-, Wellen- und Textilkerne letzterem zugeordnet werden. Unabhängig vom eingesetzten Material bieten Wabenkerne bei gleichem Gewicht die höchsten relativen Festigkeiten und Steifigkeiten. Dabei sind Wabenkerne aktuell meist aus aramidfaserverstärktem Phenolharz, Aluminium, glasfaserverstärkten oder unverstärkten Thermoplasten oder Papier bzw. Pappe.
Die Gesamtleistung von Sandwich-Verbunden wird von den Eigenschaften der einzelnen Werkstoffpartner bestimmt. Da rezyklierte Kunststoffe meist nicht die Materialeigenschaften des Ausgangsmaterials erreichen, besteht die Notwendigkeit einer Leistungsverbesserung durch den Einsatz von Füllstoffen. Dabei werden insbesondere Verstärkungsfasern fokussiert. Es werden aber auch Glasbruch oder Glashohlkügelchen sowie verschiedene mineralische Additive verwendet.
Die Forschung am IWF zu diesen Themen zielt somit auf einen nachhaltigen Sandwich-Verbund mit Wabenkern aus rezyklierten Thermoplasten ab.
Aufgabenbereich
Innerhalb des beschriebenen Forschungsfeldes stehen verschiedenste studentische Arbeiten zur Verfügung. Der Aufgabenbereich erstreckt sich dabei von theoretischen Ausarbeitungen des ökologischen und ökonomischen Potentials bis hin zur experimentellen Untersuchung von Materialeigenschaften unterschiedlich modifizierter Kunststoffe und Wabenkerne. Die Dauer der Arbeit richtet sich nach der jeweiligen studentischen Arbeit.
Der gesamte Themenbereich wird durch den ForschungsCampus Open Hybrid LabFactory (https://open-hybrid-labfactory.de) mit Standort Wolfsburg, unterstützt.
