Selbstheilender Verbundwerkstoff: Bauteile können sich selber reparieren
Rümpfe von edlen Yachten, Flügel von Windgeneratoren, Rohre und Bauteile fürs Auto bestehen oft aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Der hält was aus und ist ein Leichtgewicht. Doch wehe, er wird zu heftig mechanisch beansprucht. Dann bilden sich Risse, die sich ausdehnen können, bis das Bauteil auseinanderbricht. Werden die Verletzungen entdeckt können sie in vielen Fällen nicht repariert werden.
Künftig sollen es die Bauteile selbst richten. Risse heilen sie von ganz allein. Das ist eine Innovation einer Arbeitsgruppe um Frank Gähr von den Deutschen Instituten für Textil- und Faserforschung (DITF) in Denkendorf bei Stuttgart. In die Matten aus Glasfasergewebe bauen die Textilforscher Hohlfasern aus Glas ein, die sich kreuzen. Die einen liegen in Kettrichtung, wie der Fachmann sagt, die anderen in Schussrichtung. Beide sind mit Chemikalien gefüllt. Die einen enthalten ein Gemisch aus Polyethylenglykol und Zinnkatalysator, die anderen Diisocyanat. Diese Chemikalien verändern sich über beliebig lange Zeiträume nicht. Wenn das Bauteil beschädigt jedoch wird laufen sie aus und reagieren prompt miteinander. Es entsteht festes Polyurethan, das selbst die feinsten Risse durchzieht. Der Schaden ist behoben.
Die bei bisherigen Reparaturverfahren nötige Erwärmung der Reparaturstelle, damit sich die Monomere vernetzen und zu einem festen Material werden, ist bei der Technik aus Denkendorf überflüssig. Die Reaktion findet schon bei niedrigen Temperaturen statt.
Das der Reparaturprozess tatsächlich so stattfindet wie die Forscher erhofft hatten machten sie sichtbar, indem sie die Chemikalien einfärbten. Das PEG wurde blau, das Diisocyanat versetzten die Wissenschaftler mit einem fluoreszierenden Material. Sichtbare blaue Verfärbungen des Werkstücks und Fluoreszenz beim Beleuchten mit ultraviolettem Licht zeigten, dass der Prozess genauso ablief wie geplant.
„Eine noch so kleine Schädigung eines Werkstoffs ist oft der Auslöser für ein so genanntes Totalversagen eines Faserverbundbauteils, was sich in der Praxis katastrophal auswirken kann”, so Thomas Lehr vom DITF, der sich in einem Forschungsprojekt mit der Vermeidung solcher Szenarien beschäftigt. Der Trick mit dem chemikaliengefüllten Hohlfasern verhindert das.
