Fraunhofer LBF und BAM Flammgeschützte Kunststoffe schnell entwickelt

Fraunhofer LBF und BAM haben ein schnelles Verfahren vorgestellt, um flammgeschützte Kunststoffe zu entwickeln.
Fraunhofer LBF und BAM haben ein schnelles Verfahren vorgestellt, um flammgeschützte Kunststoffe zu entwickeln.

Thermisch instabil und leicht entflammbar: Diese Unarten können Entwickler den Polyurethanen jetzt austreiben – zum Wohle der Elektromobilität.

Denn an sich eignen sich Thermoplastische Polyurethane (TPU) sehr gut, um sie in elektronischen Geräten und in der E-Mobilität einzusetzen: Sie zeichnen sich durch hohes Dämpfungsvermögen, Kälteflexibilität, chemische Beständigkeit, Verschleiß- und Abriebfestigkeit aus. Der Markt für TPUs hat bereits jetzt einen Wert von 1,5 Milliarden Euro, bis 2025 erwarten Experten ein jährliches Wachstum von 5,3 Prozent.

Ihr großer Nachteil: Sie kommen nicht ohne einen additiven Flammschutz aus, eben weil sie thermisch instabil und leicht entflammbar sind. Das macht es sehr schwierig und teuer, auf ihrer Basis flammgeschützte Materialien zu entwickeln. Denn die Zusätze verändern die Eigenschaften des TPU, zudem sträubt sich das Material dagegen, dass sich Flammschutzmittel in ihm gleichmäßig verteilen.

Jetzt ist es Wissenschaftlern des Fraunhofer LBF und des BAM gelungen, die Entwicklung flammgeschützter Kunststoffe deutlich zu beschleunigen. »Combinatorial Compounding«/»High Throughput Screening« (CC/HTS) ist der Name ihres neuen Verfahrens. Die umfangreichen Untersuchungen haben bereits wertvolle Daten generiert, die es den Entwicklern erlauben – insbesondere in mittelständischen Unternehmen – die optimale Kombination aus Flammschutz, Verarbeitungsfähigkeit und mechanischen Kennwerten schneller zu finden als bisher. Mit Hilfe von CC/HTS lassen sich flammgeschützten TPU-Formulierungen charakterisieren. Damit beschleunigt sich die Compound-Entwicklung deutlich und wird zugleich ressourcenschonender.

Dazu haben die Forscher flammgeschützte Compounds mit verschiedenen Formulierungen für drei TPU-Basismaterialien mit unterschiedlicher Shore-Härte hergestellt. Als Ziel wurde ein Lastenheft festgelegt, in dem die zu erhaltenden Materialeigenschaften definiert wurden. Der Schwerpunkt lag dabei auf den mechanischen Kennwerten, die 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.

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, 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 überraschend ähnlich. Vergleiche innerhalb von Materialsets, die auf den gleichen Flammschutzkonzepten, also Wirkprinzipien basieren, ergaben exzellente Korrelationen.

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 Arbeiten haben das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF und die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Rahmen des Vorhabens »Schnelle Entwicklung von flammgeschützten Formulierungen für thermoplastische Polyurethane« durchgeführt. Es zählt zum Programm »Industrielle Gemeinschaftsförderung und -entwicklung« (IGF) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie. Das Fraunhofer LBF zeigt mehr zum Thema Flammschutz im Rahmen der Messe „K“ vom 16. bis 23. Oktober 2019 bei Plastics Europe in Halle 7 SC 09.