Vitrimere: Duroplaste, deren Netzwerk sich umlagern lässt

Vitrimere sind kein Nachhaltigkeitsetikett, sondern eine eigene Netzwerkklasse. Ludwik Leibler und Mitarbeiter zeigten 2011 an Epoxid-Carbonsäure- und Epoxid-Anhydrid-Netzwerken, dass ein ausgehärteter Duroplast seine Vernetzungspunkte umsortieren kann, ohne sie zu verlieren. Seither steht der Begriff für kovalent vernetzte Kunststoffe, die im Gebrauch fest bleiben und sich oberhalb einer bestimmten Temperatur trotzdem umformen, verschweißen und wieder auftrennen lassen. Dieses Dossier behandelt die Werkstoffklasse selbst: die Bindungstypen, die Temperaturschwelle, die an Laminaten gemessenen Werte und die offenen Schwächen. Wohin sich bio-basierte Harze als Markt bewegen, ordnet die Perspektive zu bio-basierten Harzen ein; lieferbare Produkte mit Kennwerten, Mischungsverhältnissen und Verarbeitungshinweisen stehen im Materialeintrag Bio- und Recycling-Harze. Wie sich die drei klassischen Duroplast-Familien unterscheiden, klärt der Leitartikel zu den Harzsystemen.

Assoziativer Austausch: die Bindung wandert, das Netz bleibt

Entscheidend ist der Mechanismus des Bindungsaustauschs. Bei einem Vitrimer entsteht die neue Verknüpfung, bevor die alte aufgeht, sodass die Gesamtzahl der Bindungen bis zur Zersetzungstemperatur der Matrix konstant bleibt. Dieser Austausch heißt assoziativ, und er ist der Grund, warum sich das Netzwerk nie auflöst, sondern nur umsortiert. Deshalb hat ein Vitrimer auch keinen Schmelzpunkt: Die Viskosität fällt mit steigender Temperatur allmählich nach dem Arrhenius-Gesetz ab, statt beim Aufschmelzen zusammenzubrechen wie bei einem thermoplastischen Composite. Das Material wird zäh und fließfähig, ohne seinen vernetzten Zustand aufzugeben. Fachlich gehören Vitrimere damit zu den kovalent adaptiven Netzwerken (englisch covalent adaptable networks, CAN).

Dieser eine Mechanismus erklärt, warum der Begriff an mehreren Stellen dieses Wissens-Hubs beiläufig auftaucht: als denkbare Ausnahme von der Regel, dass ausgehärtete Laminate nicht schweißbar sind (Leitartikel Kleben und Fügen), als reversible Matrix unter den Konzepten für selbstheilende Faserverbunde und als recyclingfreundliche Matrixwahl in der Perspektive zur Kreislaufwirtschaft.

Die Temperaturschwelle: der Topologie-Gefrierübergang

Wie schnell der Austausch abläuft, hängt an der Temperatur. Oberhalb der Topologie-Gefrierübergangstemperatur (Tv) wird er so schnell, dass sich das Netzwerk messbar umlagert und das Material unter Last zu fließen beginnt; darunter ist die Topologie praktisch eingefroren und das Bauteil verhält sich wie ein gewöhnlicher Duroplast. Tv ist damit beides zugleich: die obere Grenze für den Gebrauch und die untere Grenze für Umformen, Schweißen und Reparieren. Anders als die Glasübergangstemperatur ist Tv keine Eigenschaft des Harzgerüsts allein, sondern hängt an der Austauschchemie und, bei Umesterungssystemen, am zugesetzten Katalysator, dessen Wahl die Geschwindigkeit der Reaktion deutlich verschiebt.

Beide Temperaturen können weit auseinanderliegen, und zwar in der ungünstigen Richtung. Lin und Mitarbeiter bauten 2025 ein Vitrimernetzwerk aus einem Lignin-Baustein, dem 4-Propylguaiacol, und maßen am unverstärkten, ausgehärteten Harz eine Glasübergangstemperatur von 88 °C per DMA; aus den Spannungsrelaxationskurven desselben Netzwerks errechnet sich ein Tv von nur 34 °C. Der Bindungsaustausch setzt also weit unterhalb der Erweichung ein. Genau daraus entsteht die praktische Schwäche der Klasse, das Kriechen unter Dauerlast.

Was an faserverstärkten Laminaten tatsächlich gemessen wurde

Eine ausführliche Messreihe an einem endlosfaserverstärkten Vitrimer stammt aus dem EU-Projekt AIRPOXY. Das Harz AIR-3R des spanischen Instituts CIDETEC ist katalysatorfrei formuliert und bezieht seine Dynamik aus aromatischen Disulfidbrücken. Verarbeitet wurde es im RTM-Verfahren zu Laminaten aus T800-Kohlenstofffaser (Atlasgewebe und UD-Gelege) bei einem Faservolumengehalt von 58 Vol.-%; die Glasübergangstemperatur des Harzes liegt bei 170 °C ± 3 °C, gemessen per DSC nach ISO 11357-2. Die Arbeit gibt ihre Ergebnisse durchweg als Abweichung von einem Referenz-Epoxid gleicher Bauweise an, nicht als Absolutwerte. Bei Raumtemperatur lag die Zugfestigkeit im Kreuzverbund 8,2 Prozent und im UD-Laminat in Faserrichtung 5,4 Prozent über der Referenz. Die interlaminare Scherfestigkeit fällt dagegen in zwei Richtungen auseinander: Das UD-Laminat lag 20 Prozent darüber, der Kreuzverbund 10 Prozent darunter. Deutlich ungünstiger sehen zwei weitere Belastungsfälle aus. Quer zur Faser verlor das UD-Laminat 31,1 Prozent seiner Zugfestigkeit bei Raumtemperatur und 60,3 Prozent nach heiß-feuchter Auslagerung und Prüfung bei 120 °C. Und die Druckfestigkeit brach ein: 24,8 Prozent niedriger im Kreuzverbund, 40,6 Prozent niedriger im UD-Laminat. Dafür machen die Autoren ein eingelegtes Polyamidvlies verantwortlich, dessen Schmelztemperatur nahe der Nachhärtetemperatur von 180 °C liegt: Schon im ersten Härtungsschritt bei 130 °C beginnt das Vitrimer zu polymerisieren und schließt die Vliesstruktur ein, sodass sie auch beim späteren Aufschmelzen im Laminat gefangen bleibt. Allein das Vlies kostet nach dieser Auswertung 24,9 Prozent der interlaminaren Scherfestigkeit und 22,6 Prozent der Druckfestigkeit; ohne Vlies lag die Druckfestigkeit des Kreuzverbunds nur 2,8 Prozent unter der Referenz.

Geprüft wurde auch das Verhalten unter Feuchte, allerdings am reinen Harz und nicht am Laminat: Nach 30 Tagen bei 70 °C und 85 Prozent relativer Luftfeuchte hatte das AIR-3R-Vitrimer 2,3 Prozent an Masse aufgenommen und damit sein Feuchtegleichgewicht erreicht; die Glasübergangstemperatur lag danach bei 155 statt 170 °C, ein Rückgang um 8,8 Prozent. Ein zweites Beispiel verbindet die Vitrimer-Chemie mit nachwachsenden Bausteinen: Guo und Mitarbeiter bauten ein Epoxidharz aus einem starren Diglycidylether der Ferulasäure und einem beweglichen Diglycidylether der Thioctsäure, dessen Fettsäurerückgrat die dynamischen Disulfidgruppen mitbringt (Advanced Science, online am 24. Oktober 2025). Das carbonfaserverstärkte Laminat kam auf 621 MPa Zugfestigkeit und 44,7 MPa interlaminare Scherfestigkeit, 19,0 beziehungsweise 20,8 Prozent mehr als das Vergleichslaminat mit handelsüblichem DGEBA-Epoxid. Die Glasübergangstemperaturen von 153 °C für das neue System und 158 °C für die DGEBA-Referenz gehören dagegen wieder zum Reinharz und wurden per DMA bestimmt; sie sind mit den Laminatwerten also nicht in einer Reihe zu lesen.

Trennen, verschweißen, zurückholen

Dass sich ein solches Laminat wirklich wieder öffnen lässt, hat das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen gezeigt. Dort entstanden Carbonfaserplatten mit einem Vitrimerhärter auf Basis von Bis-(4-Aminophenyl-)disulfid; die Laminate wurden voneinander getrennt und anschließend wieder verschweißt, wobei die Endlosfaserstruktur erhalten blieb. Eine durch Heißpressen bei 190 °C aufgebrachte Rippe aus Vitrimer-Rezyklat erhöhte zusätzlich die Biegesteifigkeit, und die Selbstheilungsfähigkeit blieb nach Angaben des Instituts über mehrere Recyclingzyklen intakt (Stand Dezember 2025). Den industriellen Rahmen dafür steckte AIRPOXY ab, ein Horizon-2020-Projekt mit elf Partnern aus sechs Ländern, 6,5 Millionen Euro Budget und einer Laufzeit von September 2018 bis August 2022. Beteiligt war unter anderem das Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe in Kaiserslautern, das Thermoform-, Schweiß- und Reparaturprozesse für das Disulfid-Vitrimer entwickelte und dessen Gebrauchstemperatur mit über 130 °C bei 170 °C Glasübergangstemperatur angibt. Ziel des Projekts war laut Projektdatenblatt, solche Strukturbauteile thermoformen zu können statt sie im Autoklav zu härten, und die Prozesszeiten damit von Stunden auf Minuten zu verkürzen.

Am Lebensende lässt sich das Netzwerk chemisch aufmachen, und zwar unter milderen Bedingungen, als ein gewöhnliches Epoxid sie verlangt. Guo und Mitarbeiter lösten die Matrix ihres Laminats in einer Mischung aus Tetrahydrofuran und Natronlauge bei 90 °C binnen sechs Stunden vollständig ab; Lin und Mitarbeiter brauchten für ihr System fünf Stunden in Ethylenglykol bei 160 °C. In beiden Fällen kamen die Kohlenstofffasern vollständig und mit unverändertem Oberflächenbild zurück. Das sind Laborversuche mit Lösungsmittel im Becherglas und keine Anlagentechnik; welche Rückgewinnungsverfahren heute tatsächlich im Maßstab laufen, steht im Dossier zu den Recyclingverfahren für Composites.

Woran die Klasse heute scheitert

• Kriechen unter Last und Wärme: Der Austausch lässt sich nicht abschalten. Polyimin-Vitrimere sind schon bei Umgebungstemperatur so aktiv, dass sie kriechen und ihre Maßhaltigkeit verlieren. Das ist der Preis für die Umformbarkeit, kein Nebeneffekt, den eine bessere Rezeptur einfach wegnimmt.
• Eigenschaftsverlust je Zyklus: Umformen kostet Festigkeit. Ein carbonfaserverstärktes Vitrimer auf Vanillinbasis behielt nach Literaturangaben nach dem ersten Reprozessieren rund 70 Prozent und nach dem zweiten rund 58 Prozent seiner ursprünglichen Biegefestigkeit.
• Katalysator im Bauteil: Umesterungssysteme tauschen nur mit Katalysator, und der bleibt nach dem Aushärten im Teil. Das aromatische Disulfidsystem AIR-3R ist ausdrücklich katalysatorfrei formuliert; Iminsysteme handeln sich dafür Wasserempfindlichkeit und Kriechneigung ein.
• Faserbenetzung: Beim Heißpressen bleibt die Viskosität der Vitrimer-Matrix vergleichsweise hoch, was das Eindringen zwischen die Filamente erschwert.
• Datenlage: Alle hier ausgewerteten Laminat-Messreihen arbeiten mit Kohlenstofffaser; vergleichbare Zahlen für Glasfaserlaminate im Maßstab des Formenbaus enthalten sie nicht. Bio-basierte Vitrimere aus epoxidiertem Sojaöl liegen zudem nach der Übersichtsarbeit meist nur bei 10 bis 65 °C Glasübergangstemperatur.

Und es gibt kein Werkstattprodukt. Was am Markt ist, zielt auf geschlossene, beheizte Prozesse: Das US-Unternehmen Mallinda bietet mit Vitrimax eine polyiminbasierte Harzfamilie an, deren Glasübergangstemperatur sich nach Herstellerangaben zwischen 20 und 170 °C einstellen lässt und die als Zweikomponenten-Schmelzharz auf die Prepreg-Verarbeitung ausgelegt ist; vorgehärtetes Material soll unter Umgebungsbedingungen unbegrenzt lagerfähig sein und sich im Pressverfahren im Bestfall in nur 20 Sekunden umformen lassen. Dass ausgerechnet die Polyiminchemie den Sprung an den Markt geschafft hat, steht in einer gewissen Spannung zu ihrem Ruf: Dieselbe Übersichtsarbeit, die Polyimin-Vitrimere wegen ihres schon bei Umgebungstemperatur regen Austauschs als kriechanfällig führt, sagt nichts darüber, wie sich das in einer konkreten Formulierung beherrschen lässt; die Herstellerangaben äußern sich dazu nicht. Ein Vitrimer-Laminierharz für Handlaminat oder Infusion, das sich wie ein gewöhnliches Epoxid im Composite-Fachhandel bestellen ließe, ist bislang nicht bekannt. Das Fraunhofer-Institut INT beschrieb die Klasse im Dezember 2025 als Gegenstand der Grundlagenforschung, die jedoch auch schon Anwendung in kommerziellen Produkten finde; weiter zu klären seien die zu erwartenden Produktionskosten, die Verträglichkeit mit bestehenden industriellen Produktionsprozessen und die Möglichkeiten einer effizienten Wiederaufbereitung.