Nachhaltiger, halogenfreier Flammschutz von kompakten, verstärkten und geschäumten Polyester-Werkstoffen: Synthese, Flammschutz und Werkstoffmechanik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Nachhaltiger, halogenfreier Flammschutz in Kunststoffen wie Polybutylenterephthalat (PBT) stellt ein Forschungsgebiet mit großer wirtschaftlicher Relevanz dar. Insbesondere Anwendungen in der Elektronikindustrie oder als geschäumter Kernwerkstoff für Sandwichbauweisen erfordern dessen flammfeste Ausrüstung. Ziel des interdisziplinären Verbundprojektes zwischen vier Arbeitsgruppen war es, innovative Konzepte für den Flammschutz in kompakten, geschäumten und verstärkten PBT-Strukturen auf Makromolekül-Basis zu erarbeiten. Durch eine sehr enge Zusammenarbeit zwischen den vier Arbeitsgruppen konnten innovative Ansätze entwickelt werden und Struktur-Eigenschaftsbeziehungen zwischen der Struktur des Flammschutzmittels und den resultierenden Werkstoffeigenschaften gezielt erarbeitet werden. Hierzu wurden neue P-haltige Monomere und darauf basierend Polyester-Polymere unter gezielter Variation der chemischen Umgebung des Phosphors unter Anwendung technisch relevanter Synthesemethoden hergestellt. Der Einfluss der chemischen Struktur auf die Festkörperstruktur, die mechanischen Eigenschaften, das Verarbeitungs-, Abbau- und Brandverhalten der Phosphorpolyester, wurde unter Anwendung zahlreicher Analysenmethoden herausgearbeitet. Aus der Vielzahl der untersuchten Monomermöglichkeiten wurden diejenigen mit exzellentem Brandverhalten ausgewählt und anschließend als Additive in PBT eingesetzt. Da das Brandverhalten und somit der Flammschutz darüber hinaus von der Makrostruktur des Werkstoffs abhängen, wurden unverstärkte, verstärkte und auch geschäumte Probekörper mit bis zu 70 % Dichtereduktion hergestellt, wobei als Benchmark der Vergleich zu reinem PBT sowie zu kommerziellen Lösungen mit Aluminiumphosphinat (AlPi) diente. Die Morphologie und die Werkstoffeigenschaften von Materialien mit vergleichbarem Phosphorgehalt wurden umfassend untersucht. Es konnten gezielt Zusammenhänge zwischen Unmischbarkeit der polymeren Phasen, Größe der anorganischen Flammschutzmittelpartikel und den daraus erhaltenen Werkstoff- sowie Flammschutzeigenschaften aufgestellt werden. In der Gesamtbewertung des Flammschutzes ist einer der Phosphorpolyester (PBT/PET-P-DOPO) den untersuchten PBT/AlPi-Systemen überlegen. Der Anteil der verschieden wirkenden Flammschutzmechanismen (Gasphase, kondensierte Phase, Intumeszenz) konnte quantifiziert werden. Diese Quantifizierung bietet die Basis zur gezielten Entwicklung von Flammschutzmitteln für thermisch dicke und thermisch dünne Materialien. Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften haben die PBT/AlPi-Systeme besser abgeschlossen als die P-haltigen Polyester-Blends, da sich durch die Sprödigkeit der Flammschutzpolymere und der thermodynamischen Unmischbarkeit eine geringe Zähigkeit ausgebildet hat. Diesem Aspekt ist in zukünftigen Arbeiten verstärkt Rechnung zu tragen, u.a. durch eine Kompatibilisierung mit Phosphorcopolymeren. Mit Hilfe des Schaumspritzgusses konnten erstmals halogenfrei flammgeschützte PBT-Integralschäume hergestellt werden, deren Eigenschaften sich über Material- und Prozessparameter einstellen lassen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Applied Polymer Science, 2011
Köppl, T., Brehme, S., Wolff-Fabris, F., Altstädt, V., Schartel, B., Döring, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/app.34910) - Polymer Degradation and Stability, Vol. 96, Iss. 5, 875-884, 2011
Brehme, S., B. Schartel, B., Goebbels, J., Fischer, O., Pospiech, D., Bykov, Y., Döring, M.
- Polymer Degradation and Stability., Vol. 96, Iss. 12, 2198-2208, 2011
Fischer, O., Pospiech, D., Korwitz, A., Sahre, K., Häußler, L., Friedel, P., Fischer, D., Bykov, Y., Döring, M.
- Recent Advances in Flame Retardancy of Polymeric Materials, M. Lewin, C. Wilkie (Ed.), BCC, Wellesley, ISBN 1-59623-795-3, 2011
Brehme, S., Schartel, B., Bykov, Y., Ciesielski, M., Döring, M., Fischer, O., Pospiech, D., Köppl, T., Altstädt, V.
