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21.10.2019 | Verbindungstechnik | Nachricht | Onlineartikel

Schnellere Neuentwicklung flammgeschützter Kunststoffe

Autor:
Dr. Hubert Pelc

Viele moderne Kunststoffmaterialien kommen heute nicht ohne einen additiven Flammschutz aus. Bei der Neuentwicklung solcher Kunststoffzusammensetzungen gilt es, eine optimale Kombination aus Flammschutz, Verarbeitungsfähigkeit und mechanischen Kennwerten zu erreichen. 

    

Ein Forscher-Team des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF und der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) hat nun gezeigt, wie man dieses Ziel schneller erreicht.
Die zunehmende Elektrifizierung der Mobilität sowie die Digitalisierung von Alltagsgegenständen werden zu einem größeren Bedarf an spezialisierten Materialien führen. Thermoplastische Polyurethane (TPU) als Hochleistungswerkstoffe gehören zu diesen Materialien der Zukunft. Der Markt für sie hat bereits jetzt einen Wert von 1,5 Milliarden Euro, und bis zum Jahr 2025 erwarten Experten ein jährliches Wachstum von 5,3 Prozent. Neben den hervorragenden Eigenschaften, wie Dämpfungsvermögen, Kälteflexibilität, chemische Beständigkeit, Verschleiß- und Abriebfestigkeit, zeigen diese Polymertypen aber auch eine thermische Instabilität und eine leichte Entflammbarkeit, was die Entwicklung von entsprechenden flammgeschützten Materialien besonders anspruchsvoll macht. Zugleich ist bei der Verarbeitung von TPU zu beobachten, dass es zu einer hohen Scherempfindlichkeit, und daraus resultierend, zu einem Aufbau von Scherspannung kommt, die eine gleichmäßige Dispersion des Flammschutzmittels erschwert. Die Entwicklung von flammgeschützten TPU-Formulierungen ist daher anspruchsvoll und kostenintensiv.
Um die Industrie bei diesen Herausforderungen zu unterstützen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts LBF und der BAM im Rahmen des  Vorhabens “Schnelle Entwicklung von flammgeschützten Formulierungen für thermoplastische Polyurethane“ kooperiert. Es zählt zum Programm “Industrielle Gemeinschaftsförderung und -entwicklung“ (IGF) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie.

Definition der Materialeigenschaften

Zunächst ging es darum, die hergestellten flammgeschützten TPU-Formulierungen mit dem sogenannten „Combinatorial Compounding/High Throughput Screening“ (CC/HTS)-System aussagefähig zu charakterisieren. Die Compound-Entwicklung wurde dadurch deutlich beschleunigt und zugleich ressourcenschonender.
Dazu wurden flammgeschützte Compounds mit verschiedenen Formulierungen für drei TPU-Basismaterialien mit unterschiedlicher Shore-Härte hergestellt. In einem Lastenheft sollten die zu erhaltenden Materialeigenschaften definiert werden. Der Schwerpunkt lag dabei auf den mechanischen Kennwerten, welche durch die Zugabe an Flammschutzmitteln so gewählt wurden, dass der Einfluss auf die mechanischen Kennwerte so wenig wie möglich verändert werden sollte. Als schnelles Analytikverfahren für das Brandverhalten wurde das Rapid-Mass-Kalorimeter getestet und alle Ergebnisse mit den entsprechenden Messungen im Cone-Kalorimeter detailliert verglichen. Begleitende Untersuchung war die Pyrolyse mit thermoanalytischen Methoden, wie der Thermogravimetrie gekoppelt mit der Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer Pyrolysegasanalyse und der Pyrolyse-Gaschromatographie mit Massenspektrometrie-Kopplung.

Erkenntnisse können direkt industriell genutzt werden

Es konnte so gezeigt werden, dass das Rapid-Mass-Kalorimeter geeignet ist, den erreichten Flammschutz jeglicher flammgeschützter TPU zu bewerten. Die verschiedenen TPU-Typen zeigten nur wenige, aber dafür signifikante Unterschiede, zum Beispiel im Massenverlust der einzelnen Abbaustufen der Pyrolyse und in der Mechanik. Einige Formulierungen mit stickstoffbasierten Flammschutzmitteln zeigten Mechaniken im Bereich des Reinmaterials. Manche erwiesen sich aber hinsichtlich Brandverhalten und Flammschutz als überraschend ähnlich. Vergleiche innerhalb von Materialsets, die auf den gleichen Flammschutzkonzepten –  sprich Wirkprinzipien – basieren, ergaben nach Angaben des Forscher-Teams exzellente Korrelationen.
Die gewonnenen Erkenntnisse können nun von Unternehmen direkt bei der Entwicklung von flammgeschützten Formulierungen für TPU genutzt werden. Der Einsatz von halogenfreien Flammschutzmitteln im Rahmen des Forschungsvorhabens zeigte zudem Synergien bei verschiedenen Flammschutzmitteln auf, womit die Entwicklung in den Unternehmen in diesem Wachstumsmarkt vereinfacht werde. Die beiden Forschungsinstitute stehen auch über das konkrete Projekt hinaus mit ihrer breiten Expertise der Industrie als Partner im Bereich flammgeschützte Kunststoffe zur Verfügung.
 

Die Hintergründe zu diesem Inhalt

2019 | OriginalPaper | Buchkapitel

Polymerwerkstoffe

Quelle:
Werkstoffe

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