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Schnelleres Verfahren zur Entwicklung flammgesch├╝tzter Kunststoffe

Viele moderne Kunststoffmaterialien kommen heute nicht ohne einen additiven Flammschutz aus. Bei der Neuentwicklung solcher Kunststoffzusammensetzungen gilt es, eine optimale Kombination aus Flammschutz, Verarbeitungsf├Ąhigkeit und mechanischen Kennwerten zu erreichen. Wie sich dieses Ziel schneller umsetzen l├Ąsst, das haben jetzt Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Bundesanstalt f├╝r Materialforschung und -pr├╝fung (BAM) und des Fraunhofer-Instituts f├╝r Betriebsfestigkeit und Systemzuverl├Ąssigkeit LBF gezeigt.

Dabei schlagen die Forscher sowohl beschleunigte Verfahren in der Verarbeitung als auch bei der Charakterisierung des Brandverhaltens vor. Die umfangreichen Untersuchungen im Rahmen des Forschungsprojekts ÔÇ×Schnelle Entwicklung von flammgesch├╝tzten Formulierungen f├╝r thermoplastische Polyurethane“ haben wertvolle Daten generiert, die insbesondere mittelst├Ąndische Unternehmen in Zukunft f├╝r die Optimierung ihrer bereits vorhandenen oder f├╝r die Entwicklung neuer flammgesch├╝tzter Formulierungen nutzen k├Ânnen. Die Ergebnisse des Projekts tragen so zu sicheren Produkten am Markt bei.

Die zunehmende Elektrifizierung der Mobilit├Ąt sowie die Digitalisierung von Alltagsgegenst├Ąnden werden zu einem gr├Â├čeren Bedarf an spezialisierten Materialien f├╝hren. Thermoplastische Polyurethane (TPU) als Hochleistungswerkstoffe geh├Âren zu diesen Materialien der Zukunft. Der Markt f├╝r sie hat bereits jetzt einen Wert von 1,5 Milliarden Euro, und bis zum Jahr 2025 erwarten Experten ein j├Ąhrliches Wachstum von 5,3 Prozent. Neben den hervorragenden Eigenschaften wie D├Ąmpfungsverm├Âgen, K├Ąlteflexibilit├Ąt, chemische Best├Ąndigkeit, Verschlei├č- und Abriebfestigkeit zeigen diese Polymertypen aber auch eine thermische Instabilit├Ąt und eine leichte Entflammbarkeit, was die Entwicklung von entsprechenden flammgesch├╝tzten 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 gleichm├Ą├čige Dispersion des Flammschutzmittels erschwert. Die Entwicklung von flammgesch├╝tzten TPU-Formulierungen ist daher anspruchsvoll und kostenintensiv.

Um die Industrie bei diesen Herausforderungen zu unterst├╝tzen, haben Wissenschaftler der beiden Institute im Rahmen des Vorhabens ÔÇ×Schnelle Entwicklung von flammgesch├╝tzten Formulierungen f├╝r thermoplastische Polyurethane“ kooperiert. Es z├Ąhlt zum Programm ÔÇ×Industrielle Gemeinschaftsf├Ârderung und -entwicklung“ (IGF) des Bundesministeriums f├╝r Wirtschaft und Energie.

Mit dem so genannten ÔÇ×Combinatorial Compounding“/ÔÇ×High Throughput Screening“ (CC/HTS)-System strebten die Forscher eine aussagef├Ąhige Charakterisierung der hergestellten flammgesch├╝tzten TPU-Formulierungen an. Die Compound-Entwicklung wurde dadurch deutlich beschleunigt und zugleich ressourcenschonender.

Es wurden dazu flammgesch├╝tzte Compounds mit verschiedenen Formulierungen f├╝r drei TPU-Basismaterialien mit unterschiedlicher Shore-H├Ąrte hergestellt. Als Ziel wurde ein Lastenheft festgelegt, in welchem die zu erhaltenden Materialeigenschaften definiert wurden. Der Schwerpunkt lag dabei auf den mechanischen Kennwerten, welche durch die Zugabe an Flammschutzmitteln so gew├Ąhlt wurden, dass der Einfluss auf die mechanischen Kennwerte so wenig wie m├Âglich ver├Ąndert werden sollte. Als schnelles Analytikverfahren f├╝r 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.

Es konnte so gezeigt werden, dass das Rapid-Mass-Kalorimeter geeignet ist, den erreichten Flammschutz jeglicher flammgesch├╝tzter TPU zu bewerten. Die verschiedenen TPU-Typen zeigten nur wenige, aber daf├╝r signifikante Unterschiede, z.B. 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 ├╝berraschend ├Ąhnlich. Vergleiche innerhalb von Materialsets, die auf den gleichen Flammschutzkonzepten, sprich Wirkprinzipien basieren, ergaben exzellente Korrelationen.

Die gewonnenen Erkenntnisse k├Ânnen nun von Unternehmen direkt bei der Entwicklung von flammgesch├╝tzten Formulierungen f├╝r 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 wird. Die beiden Forschungsinstitute stehen auch ├╝ber das konkrete Projekt hinaus der Industrie mit ihrer breiten Expertise als Partner im Bereich flammgesch├╝tzte Kunststoffe zur Verf├╝gung.

Quelle: Bundesanstalt f├╝r Materialforschung und -pr├╝fung (BAM)

 

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