31.03.2026

Epoxidharze sind aufgrund ihrer herausragenden mechanischen Festigkeit, chemischen Beständigkeit und thermischen Stabilität unverzichtbare Werkstoffe in modernen Verbundwerkstoffen, Beschichtungen und Strukturklebstoffen. Die weitverbreitete Nutzung von Systemen auf Basis von Bisphenol A (BPA) hat jedoch zunehmend Bedenken hinsichtlich Umweltverträglichkeit und Toxizität aufkommen lassen. Als Antwort auf diese Herausforderung demonstriert die vorliegende Arbeit erfolgreich eine „Green-by-Design“-Strategie für die Entwicklung von hochleistungsfähigen, biobasierten Epoxidharzen, die aus erneuerbaren und umweltverträglichen Vorläufern gewonnen werden.

Ein zentraler Erfolg dieser Studie ist die Identifizierung aromatischer biobasierter Bausteine, die thermomechanische Eigenschaften liefern können, die mit denen herkömmlicher BPA-basierter Systeme vergleichbar sind. Aufgrund ihrer starren molekularen Architektur ermöglichen diese erneuerbaren Vorläufer erhöhte Glasübergangstemperaturen bei gleichbleibender Nachhaltigkeit des Materials. Um die Forschungsfortschritte zu beschleunigen und experimentelle Iterationszyklen zu verkürzen, wurde ein datengesteuerter Arbeitsablauf etabliert. Maschinelle Lernmodelle, die auf einem kuratierten Datensatz experimentell dokumentierter Epoxidharzsysteme trainiert wurden, wurden eingesetzt, um die Glasübergangstemperatur direkt aus der Molekülstruktur vorherzusagen. Mithilfe der Random-Forest-Regression konnten Schlüsselmotive der Struktur, die das thermische Verhalten bestimmen, erfolgreich identifiziert werden.

Die ersten Modellvorhersagen zeigten, dass Epoxidsysteme mit Anhydrid-haltigen und phenolischen Einheiten Tg-Werte von 137 °C bzw. 133,53 °C erreichen können, wenn sie mit Anhydrid-basierten Härtungsmitteln ausgehärtet werden. Diese Ergebnisse bestätigen die Machbarkeit einer hohen thermischen Leistungsfähigkeit, ohne auf BPA-basierte Chemikalien zurückzugreifen. Obwohl der aktuelle Datensatz in erster Linie die Tg in den Vordergrund stellt, konzentrieren sich die laufenden Bemühungen auf die Erweiterung des Datensatzes und die Implementierung von Gauß-Prozess-Modellen, um die Vorhersagegenauigkeit und Robustheit zu verbessern.

Insgesamt stellt diese Arbeit einen bedeutenden Schritt in Richtung nachhaltiger Hochleistungs-Epoxidsysteme dar. Durch die Integration von Moleküldesign, experimenteller Validierung und maschinellem Lernen schafft die Studie einen leistungsstarken Rahmen für die Beschleunigung der Entwicklung umweltverträglicher duroplastischer Polymere mit wettbewerbsfähiger industrieller Leistungsfähigkeit.

30.04.2025

In früheren Studien des Bio-ART-Konsortialleiters wurde ein hochleistungsfähiger Duroplast mit 100 % biobasiertem Kohlenstoffgehalt unter Verwendung von epoxidiertem Leinöl (ELSO) und Zitronensäure (CA) hergestellt [1]. Die größte Einschränkung solcher Systeme liegt jedoch in der Regel in den langen Aushärtungszeiten bei hohen Temperaturen, was ihre breitere Anwendung in kommerziellen Anwendungen behindert. Kürzlich wurden Hühnereierschalenpulver als vielversprechende Härtungskatalysatoren für Bisphenol-A-Diglycidylether-Epoxidharze untersucht [2]. Daher werden in Projekt 1.3 die Auswirkungen der Zugabe von Eierschalenpulver zu einem ELSO-Harz mit CA-Härter umfassend untersucht und erforscht. Die Härtungskinetik der jeweiligen Zusammensetzungen wurde mittels Differential-Scanning-Kalorimetrie untersucht und die kinetischen Parameter wurden anhand mehrerer Isokonversionsmodelle bewertet. Die thermische Analyse zeigte eindeutig, dass eine Erhöhung des Anteils an Eierschalenmembran zu einer systematischen Verringerung der Härtungsbeginn-Temperatur führt, was auf eine katalytische Beschleunigung der Vernetzungsreaktion hindeutet. Darüber hinaus deuten die Daten darauf hin, dass Zitronensäure in Gegenwart der Membran eine erhöhte Reaktivität aufweist, möglicherweise aufgrund synergistischer Wechselwirkungen zwischen der sauren und der aminreichen Umgebung. Die Ergebnisse sind sehr vielversprechend im Hinblick auf die Reduzierung der Aushärtungszeiten und -temperaturen für biobasierte Harzsysteme in der Zukunft und die Steigerung der Energieeffizienz bei der Verarbeitung.

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[1] A. Anusic, Y. Blößl, G. Oreski, K. Resch-Fauster, Polymer Degradation and Stability 2020, 181, 109284.
[2] J. J. P. Barros, N. G. Jaques, I. D. d. S. Silva, A. K. C. de Albuquerque, A. M. Araújo, R. M. R. Wellen,Polímeros 2022, 32.