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Ökologische Bewertung von biobasierten Epoxidmatrixmaterialien mit Methoden der Lebenszyklusanalyse

 
: Frank, Jonas
: Angerer, Kerstin; Hohmann, Andrea

Berlin, 2020, 104 pp.
Berlin, TU, Master Thesis, 2020
German
Master Thesis
Fraunhofer IGCV ()
carbonfaserverstärkter Kunststoff; Epoxidharz; Umweltbilanz; Biopolymere; Biobasiert; Lebenszyklusanalyse

Abstract
Carbonfaserverstärkte Kunststoffe sind aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer exzellenten mechanischen Eigenschaften ein geeigneter Werkstoff für Leichtbaustrukturen des Flugzeugbaus. Aufgrund der Toxizität von Bisphenol-A, dem meist verwendeten Epoxidharzmonomer, und dessen Synthese aus fossilen Rohstoffen, wird an nachhaltigen Substitutions- und Drop-In Molekülen geforscht. Bei gleichbleibenden Materialeigenschaften soll somit die Umweltbilanz von Epoxidharzen verbessert werden. Ziel dieser Arbeit ist es, zu untersuchen, ob die Produktion biobasierter Epoxidharze bei gleichbleibenden mechanischen Eigenschaften eine verbesserte ökologische Umweltbilanz im Vergleich zum fossilen Referenzprodukt aufweisen können. Geeignete nachwachsende Rohmaterialien für die Substitution von Bisphenol-A sind Algen, die keine Flächennutzungskonkurrenz beim Anbau verursachen, und Lignin, das als Abfallstoff bei der Papierproduktion anfällt. Die beiden daraus synthetisierbaren Monomere Phloroglucinol und Vanillin haben ein aromatisches Rückgrat, das dem Harz die notwendigen mechanischen Eigenschaften verleiht. Neben einer Substitution des gesamten Monomers ist es auch möglich, die zwei Edukte von BPA, Phenol und Aceton, regenerativ zu produzieren und somit dessen Umweltbilanz aufzubessern. Eine verringerte Toxizität kann in diesem Fall jedoch nicht erreicht werden. Die Fragestellung wird mithilfe einer Lebenszyklusanalyse beantwortet. Die Lebenszyklusanalyse, die nach DIN EN ISO 14140/44 durchgeführt wurde, ist eine etablierte Methode, um die Auswirkungen von Produktionsprozessen auf die Umwelt modellieren und abschätzen zu können. Sachbilanzdaten für die oben genannten Produktionsprozesse wurden der Literatur entnommen und mit einer geeigneten Software, GaBi Version 8.7 SP 40, für verschiedene Energieerzeugungsszenarien simuliert. Die Referenzeinheit entspricht einem Kilogramm härtbaren Epoxidharzgemischs, das das Verhältnis von Monomer zu Härtungsmittel und deren Produktionsprozesse berücksichtigt. Außerdem wurde die Epoxidierungsreaktion und das dafür benötigte Epichlorhydrin berücksichtigt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Produktion von Phloroglucinol und DP1, das aus Vanillin synthetisiert wird, zu ressourcen- und energieintensiv ist, um aus ökologischer Sichtweise eine Substitution von Bisphenol-A zu rechtfertigen. Fehlende nachhaltige Extraktions- und Aufreinigungsmethoden stellen eine Technologielücke dar, die zunächst überwunden werden muss. Aus Holz produziertes, regeneratives Phenol weist zwar eine geringere Belastung im Bereich der Klimaerwärmung auf, verursacht jedoch eine zum Teil deutlich erhöhte Umweltverschmutzung in weiteren Kategorien. Die Betrachtung einer ganzheitlichen Umweltbilanz ist notwendig, um eine fundierte Entscheidung für oder gegen einen Produktionsprozess treffen zu können. Eine nachhaltige Energiebereitstellung führt vor allem zu einer Reduktion des Schadstoffausstoßes im Bereich der Klimaerwärmung. VI Die Entwicklung von umweltfreundlichen Verfahrenstechniken und die Umstellung der Energieerzeugung auf regenerative Energieträger ist eine Voraussetzung, dass die Produktion und der Einsatz von erneuerbar gewonnenen Substitutions- und Drop-In Chemikalien zu einer Verbesserung der Umweltbilanz von Epoxidharzen führt.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-639028.html