Foto: Fraunhofer LBF/Raapke
Im Rahmen des Forschungsprojekts „Schnelle Entwicklung von flammgeschützten Formulierungen für thermoplastische Polyurethane“ kooperierten die beiden Institute Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) miteinander. Ihr Ergebnis: Die Entwicklung von Verbindungen lässt sich effizienter und ressourcenschonender gestalten als es bisher möglich war.
Das BAM richtet seinen Fokus auf die technische Sicherheit von Produkten und Prozessen. Dafür erforschen und bewerten Wissenschaftler unter anderem Substanzen, Werkstoffe, Bauteile, Komponenten und Anlagen auf sicheren Umgang oder Betrieb. Das Fraunhofer LBF hat seine Kompetenzen auf den Gebieten Betriebsfestigkeit, Systemzuverlässigkeit, Schwingungstechnik und Polymertechnik. Die Forscher am LBF arbeiten an Lösungen für wichtige Querschnittsthemen der Zukunft wie Systemleichtbau, Funktionsintegration und cyberphysische maschinenbauliche Systeme.
TPU spielen große Rolle bei der Elektrifizierung der Mobilität
Thermoplastische Polyurethane, kurz TPU, zählen zu den sogenannten Hochleistungswerkstoffen und werden gern als Materialien der Zukunft bezeichnet. Das liegt vor allem an ihren Eigenschaften: Sie gelten als flexibel gegen Kälte, beständig gegenüber Chemikalien, weisen ein gutes Dämpfungsvermögen sowie Verschleiß- und Abriebfestigkeit auf. Zugleich sind sie aber thermisch instabil und leicht entflammbar. Bei der Verarbeitung der TPU stellt sich eine weitere Eigenschaft heraus: eine hohe Scherempfindlichkeit und daraus resultierend eine Scherspannung. Unter Scherung versteht man die Belastung eines Körpers, die als Folge der Einwirkung von gegen-parallelen Kräften zu parallelen Flächen wirkt. Ein Beispiel: Bei einem Buch werden die geschlossenen Buchdeckel gegeneinander parallel verschoben. Buchrücken und Seiten bilden dann einen Winkel abweichend von 90 Grad. Die Kraft, die man zum Verschieben aufwendet, ist die Scherkraft. Diese Scherspannung sorgt dafür, dass die Verteilung eines Flammschutzmittels auf TPU erschwert wird. Das bedeutet, die Entwicklung flammgeschützter TPUs gestaltet sich anspruchsvoll und kostenintensiv.
Eingesetzt werden diese Werkstoffe in ganz unterschiedlichen Bereichen, zum Beispiel als Zahnriemen in der Automation, als Kabelummantelungen im Maschinen- und Apparatebau, aber auch in Ski- und Fußballschuhen sowie Tierohrmarken. Die Forscher gehen außerdem davon aus, dass TPU eine bedeutende Rolle bei der Elektrifizierung der Mobilität sowie bei der Digitalisierung von Alltagsgegenständen spielen wird.
Projektziel: Flexibler und stabiler Kunststoff mit verbessertem Flammschutz
Für das gemeinsame Projekt legten die Wissenschaftler vorab ihre Ziele in einem Lastenheft fest. Sie wollten flammgeschützte Verbindungen für drei TPU-Basismaterialien mit unterschiedlicher Werkstoffhärte untersuchen. Im Mittelpunkt der Analysen stand die Festigkeit der TPU. Sie sollte sich durch die Zugabe der Flammschutzmittel so wenig wie möglich verändern. Zur Analyse des Brandverhaltens setzten sie das sogenannte Rapid-Mass-Kalorimeter ein und verglichen die Ergebnisse anschließend mit dem sogenannten Cone-Kalorimeter.
Ein Kalorimeter dient grundsätzlich der Bestimmung von Wärmemengen, die durch chemische oder physikalische Veränderungen abgegeben oder aufgenommen werden. Mit dem Cone-Kalorimeter lassen sich Materialien hinsichtlich ihrer Reaktion auf Feuer prüfen. Gemessen werden dabei die Wärmefreisetzung, die Rauchproduktion und Masseverluste.
Um ihre Ergebnisse zu überprüfen und zu verifizieren, führte die Forschergruppe weitere Untersuchungen durch. Dazu gehörte zum Beispiel die Pyrolyse mit thermoanalytischen Methoden. Damit ist die thermische Spaltung chemischer Verbindungen unter hohen Temperaturen gemeint. Ebenfalls im Einsatz waren die Thermogravimetrie, mit der die Änderung der Masse einer Substanz in Abhängigkeit von der Temperatur beim Erhitzen bestimmt werden kann, gekoppelt mit der Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer-Pyrolysegasanalyse – einer speziellen Variante des Spektrometers mit einem integrierten Präzisionsmessgerät – und der Pyrolyse-Gaschromatographie mit Massenspektrometrie-Kopplung, mit der sich die Zusammensetzung vernetzter TPU bestimmen lassen.
Effizienter in der Herstellung – Vorteile für Unternehmen
Die Tests ergaben: Die TPU-Typen zeigten nur wenige, aber dafür deutliche Unterschiede, unter anderem in der Mechanik. So konnte die Forschergruppe belegen, dass sich mit einem Rapid-Mass-Kalorimeter der erzielte Flammschutz von TPU bewerten lässt. Bei den gleichen Flammschutzkonzepten beziehungsweise Wirkprinzipien ergaben sich Ursachen- und Wirkungszusammenhänge.
Die Wissenschaftler hoffen, dass ihre Ergebnisse Unternehmen bei der Entwicklung flammgeschützter Materialien für TPU helfen. Im Rahmen des Forschungsvorhabens ermittelten sie Synergien verschiedener Flammschutzmittel. Das vereinfacht ihrer Ansicht nach künftig deren Entwicklung. Davon könnten auch zahlreiche Unternehmen profitieren.
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