Sustainable Polymer Technologies for Circularity

Unsere Forschung im Bereich Kunststoffrecycling fokussiert sich auf die Entwicklung verbesserter Recyclingprozesse, um Rezyklate mit hoher Qualität und langfristiger Leistungsfähigkeit zu gewinnen. Im Mittelpunkt stehen sowohl die Optimierung bestehender Sortiersysteme als auch die Entwicklung intelligenter, sensorgestützter Technologien zur Inline-Qualitätskontrolle.

Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der gezielten Anpassung von Rezyklaten, um ihre Verarbeitungseigenschaften und Materialperformance zu verbessern. Ergänzend dazu führen wir umfassende Bewertungen der Rezyklatqualität durch – von der chemischen Zusammensetzung bis hin zu mechanischen Eigenschaften und Langzeitverhalten unter realitätsnahen Bedingungen.

Ein wesentlicher Bestandteil unserer Arbeit ist zudem die Förderung nachhaltiger Produktgestaltung durch „Design for Recycling“ – denn Kreislaufwirtschaft beginnt mit der richtigen Materialwahl.

Unser Ziel: Kunststoffrezyklate auf das nächste Level zu bringen – funktional, zuverlässig und bereit für anspruchsvolle Anwendungen mit Blick auf eine nachhaltige Zukunft.

Die Photovoltaikforschung am PCCL deckt den gesamten Wertschöpfungszyklus der Photovoltaik ab, von der Materialwissenschaft und dem Design von PV-Modulen bis hin zur Prozessoptimierung, Leistungsbewertung und Zuverlässigkeitsbeurteilung. Dazu gehört auch das End-of-Life-Management mit Schwerpunkt auf Reparatur- und Recyclingstrategien. Der Schwerpunkt liegt auf der Verbesserung der Qualität, Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit von PV-Technologien. Zu den wichtigsten Forschungsbereichen zählen Materialinnovation, Ökodesign, Prozessoptimierung, Degradationsmodellierung und Lebensdauerabschätzung. Das PCCL arbeitet zudem an fortschrittlichen Simulationsmethoden zur Zuverlässigkeitsbewertung sowie an Recyclingtechnologien zur Verbesserung des End-of-Life-Managements. Durch interdisziplinäre Zusammenarbeit mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie trägt das PCCL zur langfristigen Effizienz und Nachhaltigkeit der Photovoltaik bei.

Am PCCL wird an einer neuen Polymerklasse – den Vitrimeren - geforscht, die trotz chemischer Netzwerkstellen die Fähigkeit besitzt unter Temperatur zu fließen. Diese kontrollierte Änderung der viskoelastischen Eigenschaften kann für die Reparatur von Defekten, dem Verschweißen und Recycling von einer Vielzahl von technischen Materialien wie Elastomeren, Duromeren und Verbundmaterialien genutzt werden. Prominente Anwendungsbeispiele sind selbstheilende Lacke, antikorrosive Beschichtungen oder reparierfähige Verbundmaterialien für den Mobilitäts- und Mikroelektronikbereich. Ist dann doch trotz Reparatur das Lebensende des Polymerwerkstoffs erreicht, kann dieser leicht wiederverwertet werden. Bei definierten Temperaturen wird das Netzwerk mobil und kann umgeformt, oder in Gegenwart von Wasserdampf chemisch in seine Ausgangsbestandteile zerlegt werden. In aktuellen Arbeiten werden neue Katalysatoren und Reaktionsmechanismen untersucht, die eine wirtschaftliche Herstellung dieser neuen Polymerklasse ermöglichen. Ergänzt wird die Synthese durch eine umfassende Werkstoffcharakterisierung unter Berücksichtigung anwendungsrelevanter Umgebungsbedingungen. 

Darüber hinaus werden neue Ökodesigns und mechanische Reparaturkonzepte (u.a. mechanische und thermische Metamaterialien) entwickelt, die eine einfache Demontage, Reparatur und Wiederverwertung von Multimaterial-Verbunden ermöglichen. 

Die Verbesserung ihrer Leistung bei gleichzeitiger Gewährleistung der Betriebssicherheit bleibt jedoch eine große Herausforderung, da Batterien komplexe Multimaterialsysteme sind. Änderungen an einzelnen Komponenten können unerwartete Auswirkungen auf das Gesamtsystem haben, die oft erst bei Tests oder im Normalbetrieb sichtbar werden. Das Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL) hat sich der Lösung aktueller globaler Herausforderungen verschrieben, wobei ein Schwerpunkt auf der Batterietechnologie liegt. Mit seiner interdisziplinären Expertise in der Entwicklung neuer Materialien, Werkstofftechnik, Computermodellierung und -simulation sowie Data Science ist das PCCL bestrebt, praktikable und effektive Strategien zur Verbesserung der Sicherheit und Leistungsfähigkeit von Batterien zu entwickeln. Dazu gehören der Einsatz hochmoderner Prüfgeräte zur genauen Charakterisierung von Batteriezellenkomponenten, innovative virtuelle Simulationen mit Unterstützung von KI-Algorithmen zur effizienten Vorhersage thermomechanischer Eigenschaften mit hoher Genauigkeit und die Entwicklung innovativer Polymermaterialien zur Verbesserung der Sicherheit, z. B. durch frühzeitige Erkennung von Thermal-Runaway und durch flammhemmende Gehäuse. Durch diese Fortschritte unterstützt das PCCL die Batteriehersteller bei der Entwicklung von Systemen, die eine hervorragende Leistung bieten und gleichzeitig die Sicherheit in kritischen Situationen gewährleisten.

Kleben ist eine etabliertes Fügeverfahren in der Industrie und nimmt einen wichtigen Stellenwert in der Herstellung von Verbundmaterialien ein. Das PCCL verfügt über eine langjährige Erfahrung in der Entwicklung und Charakterisierung von Klebstoffformulierungen, die zu einem überwiegenden Anteil aus vernetzungsfähigen Polymeren bestehen. 

Der Fokus der Forschungsarbeiten wird hierbei nicht nur auf die Zuverlässigkeit, Adhäsionskraft und Beständigkeit der Klebstoffe gelegt, sondern auch auf die Einbringung von neuen Funktionen. Klebstoffe für zukünftige Anwendungen sollen die Bauteile über ihre geplante Lebensdauer zuverlässig verbinden und am Lebensende die Klebekraft kontrolliert verlieren. Am PCCL wird an neuen Klebern geforscht, die unter Einwirkung von äußeren Reizen (bspw. Temperatur, Strom, Magnetfeld) ihre Klebekraft durch Depolymerisation und Freisetzung von gasförmigen Spaltprodukten verlieren. Dies ermöglicht eine kontrollierte Demontage und Trennung von Werkstoffen aus geklebten Verbundmaterialien. 

Darüber hinaus werden Klebstoffe mit elektrischen Eigenschaften ausgestattet und neue biobasierte Rohstoffquellen evaluiert. Damit wird ein wichtiger Grundstein für eine neue Generation an Klebestoffen für die (Mikro)elektronikindustrie sowie dem Energie- und Transportwesen gelegt.

Biobasierte Harze sind polymere Materialien, die zur Gänze oder teilweise aus nachwachsenden Rohstoffen wie Pflanzenölen, Stärke, Zellulose, Lignin oder anderen Biomassequellen hergestellt werden. Im Gegensatz zu Erdöl-basierten Harzen, stellen biobasierte Harze eine nachhaltigere Alternative dar und tragen zur Reduktion von Treibhausgasemissionen, des CO₂-Fußabdrucks und der Abhängigkeit von fossilen Ressourcen bei. Ihr Einsatz gewinnt vor allem aufgrund steigender Umweltauflagen, wachsender gesellschaftlicher Nachfrage nach ökologischen Produkten und den Herausforderungen des Klimawandels zunehmend an Bedeutung. Neben ihrer ökologischen Vorteilhaftigkeit bieten moderne biobasierte Harze oft auch herausragende technische Eigenschaften wie hohe mechanische Festigkeit, chemische Beständigkeit oder verbesserte Verarbeitbarkeit. Einige Vertreter können außerdem biologisch abgebaut werden oder erleichtern das Recycling von Endprodukten und tragen zu einer verbesserten Kreislaufwirtschaft bei. 

Am PCCL wird an innovativen Lösungen geforscht, sodass biobasierte Harze mit ihren Erdöl-basierten Pendants mithalten oder diese sogar übertreffen können. Je nach Anwendungsgebiet, wie Bauwesen, Automobilindustrie, Luftfahrt oder Verpackungsbranche können Beschichtungen, Klebstoffe oder Verbundwerkstoffe mit angepasstem Eigenschaftsprofil entwickelt werden. 

Chemisches Recycling ist eine Methode zur Rückgewinnung von Rohstoffen aus Kunststoff und Verbundwerkstoffen, bei welcher die Polymerketten durch chemische Prozesse wieder in ihre reaktiven Bausteine, Mono- und Oligomere, zerlegt werden. Im Gegensatz zum mechanischen Recycling, bei dem die Kunststoffe lediglich zerkleinert und geschmolzen werden, ermöglicht chemisches Recycling eine nahezu vollständige stoffliche Rückgewinnung, selbst bei stark verschmutzten, gemischten oder komplex zusammengesetzten Materialien. Dadurch können auch vernetzte Kunststoffe und faserverstärkte Verbundwerkstoffe, die bislang schwer oder gar nicht recycelbar waren, effizient wiederverwertet werden.

Zu den wichtigsten Verfahren des chemischen Recyclings zählen die Depolymerisation auf Basis der Solvolyse, sowie katalytische oder enzymatische Ansätze. Besonders im Bereich der Verbundwerkstoffe, wie zum Beispiel bei glas- oder kohlenfaserverstärkten Kunststoffen, gewinnt chemisches Recycling an Bedeutung, da Fasern nahezu schadenfrei von der Matrix getrennt werden können. Am PCCL liegt der Fokus darauf, einerseits diesen Prozess möglichst energieeffizient zu gestalten durch die Herstellung geeigneter Katalysatorsysteme und andererseits der Charakterisierung der gewonnen Einzelkomponenten und deren Eigenschaften nach erneuter Prozessierung. Chemie und Materialcharakterisierung arbeiten daher in enger Abstimmung um die Gesamtheit des Prozesses zu kontrollieren und zu verbessern.