Die gewünschte Gewichtsreduzierung bei Fahrzeugen stellt nicht nur Automobilhersteller, sondern auch die Werkstoffproduzenten vor große Herausforderungen. Die verwendeten Materialien sollen nicht nur das Gewicht senken, sie müssen zudem auch den mechanischen und chemischen Belastungen standhalten.

Bild 4. Prüfstäbe nach Kontakt mit einer Calciumchloridlösung: An den grauen Stellen kam es zu Schäden. Die Stäbe aus den PA+PP-Blends weisen im Gegensatz zu denen aus PA keine Schäden auf.

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Blends aus PP und PA senken das Gewicht und verbessern die Chemikalienbeständigkeit

Blend

Kunststoff Werkstoffe

Thermoplaste

Kfz-Elektronik

Elektronik

Polyamide

Polypropylen

Zu zweit leichter

Die Optik spielt bei Kunststoffbauteilen eine immer größere Rolle. Entscheidend für ein ansprechendes Aussehen sind glänzende und gleichmäßige Oberflächen. Diese Anforderungen lassen sich bei glasfaserverstärkten Polyamiden bisher meist nur mit einer zusätzlichen Lackierung erreichen. Eine Alternative bietet ein speziell für die Gestaltung von Oberflächen entwickeltes Polyamid.

Bei Sichtbauteilen ist häufig eine gleichmäßige, glänzende Oberfläche gewünscht, die sich mit glasfaserverstärktem Polyamid oft nur schwer erreichen lässt. Grivory G7V von EMS löst dieses Problem

Aliphatisches Hochleistungspolyamid für Oberflächen

Spritzgießen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Oberflächentechnik

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Faserverbundwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Kunststofffasern

Verstärkungsstoffe

Glänzende Bauteile ohne Lackierung

Der Fortschritt bei Fügetechnologien wie dem Laserdurchstrahlschweißen, die steigende Nachfrage nach wärmeleitenden Kunststoffen, der Leichtbau und die Elektromobilität gehören in der Material- und Anwendungsentwicklung mit Polyamid zu den großen Trends. Auch bei bei diesem Polymer wächst der Bedarf an nachhaltigeren Werkstoffen. Geschlossene Stoffkreisläufe werden deshalb künftig in der Herstellung von PA 6 und PA 66 eine immer wichtigere Rolle spielen.

Motorradtank aus Durethan BC550Z 900116 DUSXBL: Das unverstärkte und schlagzäh modifizierte PA 6 wird zu zwei Halbschalen spritzgegossen, die durch Heizelementschweißen zum Tank gefügt werden

Polyamid (PA): Produktverbesserungen und Ersatz von PA 66 durch PA-6-Compounds

Hybridtechnik

Compound

Automotive

Vibrationsschweißen

Verbindungstechnik Verfahren

Thermisches Fügeverfahren

Hybridwerkstoffe

Recycling

Umweltmanagement

Technische Kunststoffe

Laserschweißen

Laserauftragsschweißen

Laserbearbeitungen

Lasertechnik

Kunststoff-Recycling

Kunststoff-Aufbereitung

Verbesserungen bei Materialien und  der Verarbeitung

Umfangreiche Produktpalette an Rohstoffen und Additiven.

Nordmann, Rassmann GmbH  

https://www.nrc.de

Additive

Distribuenten

Handel

Dienstleistungen

Farbstoffe

Flammschutzmittel

Masterbatches

Polystyrol

Schaumstoffe und Vorprodukte

Tenside-Industrie

Die TER Plastics POLYMER GROUP ist mit dem Vertrieb technischer Kunststoffe, Commodities und eigener Compounds der Marke TEREZ in den Märkten aktiv. Zur Firmengruppe der TER Plastics gehören nunmehr neben der Compound-Tochtergesellschaft TEREZ Performance Polymers auch die Unternehmen TER Plastics Polska, TER Hell Plastics Spain, TER Hell Plastic-PE Distribution, TER Hell-IT und die TER Engineering Plastic Trading, in Suzhou, China sowie eine Vielzahl etablierter Verkaufsbüros in Deutschland, Österreich, der Schweiz, Frankreich, Spanien, Polen, Ungarn, der Tschechischen Republik und der Slowakei.

Ter Hell Plastic GmbH  

https://www.terhell.de

Antistatika

Kunststoffhandel

Styrol-Copolymerisate

Treibmittel

Verarbeitungshilfmittel

Weichmacher

Wiederaufbereitung

Gerade bei hochwertigen Polymeren lohnt sich die Wiederverwendung von Produktionsabfällen. Ein Forschungsprojekt konnte nun Zweifel daran ausräumen, dass Anteile an rezyklierten Kunststoffen von mehr als 25 % die Eigenschaften der Bauteile zu sehr schwächt.

Sicherungsträger müssen flammgeschützt werden. Reiher verwendet für seine Modelle ein mit rotem Phosphor flammgeschütztes, mit 25 % Glasfasern verstärktes PA 66

Mehr als ein Viertel Polyamid-Produktionsabfälle für das Spritzgießen verwenden

Recycling flammgeschützter  Produktionsabfälle

Trotz alternativer Mobilitätskonzepte, ist der Wunsch nach einem eigenen Fahrzeug nach wie vor groß. Da hochwertige und nachhaltige Materialien die Kaufentscheidung des Endkunden beeinflussen, kommen im Innenraum von Fahrzeugen neuentwickelte Polymere zum Einsatz.

Auch mit glasfaserverstärkten Kunststoffen lassen sich optisch ansprechende Oberflächen gestalten. Das zeigt beispielsweise das PP SoForm 

Der Wunsch nach ansprechenden Oberflächen und einer höheren Nachhaltigkeit treibt die Materialentwicklungen im Fahrzeuginterieur voran

Standardkunststoffe

Polyethylenterephthalat

Fahrzeugbau

Erfolgsfaktor Optik

Elektrische Geräte und elektronische Bauteile müssen häufig strenge Anforderungen an den Flammschutz erfüllen. Dabei dürfen im Brandfall keine für Menschen giftigen Gase austreten und auch an der Bausubstanz sollten durch die verwendeten Additive keine Folgeschäden entstehen. Für Leistungsschutzschalter hat der Compoundeur Sax Polymers ein entsprechendes Compound entwickelt, das ohne den Einsatz von Halogenen und rotem Phosphor auskommt.

Elektrische Bauteile wie Leistungsschutzschalter müssen über einen ausreichenden Flammschutz verfügen. Doepke Schaltgeräte setzt dafür auf ein flammgeschütztes Polyamid von  Sax Polymers 

Flammschutz halogenfrei und ohne roten Phosphor

Giftige und korrosive Gase vermeiden

Für einen effizienten Leichtbau werden vermehrt Faserverbundkunststoffe mit einer thermoplastischen Matrix eingesetzt. Wie können diese optimiert werden?

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

Gewebe, technisch

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

Organobleche (gewebeverstärkte Thermoplast-Halbzeuge)

Kurzfasermodifikation matrixreicher Zonen gewebeverstärkter, thermoplastischer Verbundwerkstoffe mittels In-Situ-Schmelzeimprägnierung – Einfluss auf quasi-statische Eigenschaften

Neben dem Leichtbau hält der Trend zu maßgeschneiderten Produkten weiter an. Dafür müssen Werkstoffe  immer mehr Funktionen gleichzeitig erfüllen, die meist nur mit Additiven und Compounds umsetzbar sind. Dabei rückt die Nachhaltigkeit  zunehmend in den Fokus. 

Additive und Compounds kombinieren immer mehr Eigenschaften 

Stabilisatoren

Pigmente

Fasern

Compoundeure

Vielseitigkeit ist gefragt 

In technisch anspruchsvollen Anwendungen ist ein guter Flammschutz wichtig. Durch Zugabe entsprechender Additive nehmen allerdings die mechanischen Eigenschaften wie Schlagzähigkeit und Festigkeiten eines Materialsystems ab. Dem können Celluloseregeneratfasern entgegenwirken, wie nun gezeigt werden konnte. 

Gegen Flammentwicklung modifizierte PBT-Compounds mit Naturfaserverstärkung 

Gehäuse aus Kunststoff

HV-Anwendungen / Hybridisierung / Elektrifizierung

Celluloseester, -ether

Natürlich nicht brennbar 

Gegenüber petrobasierten Polyamiden mit Glasfasern bieten basaltfaserverstärkte Bio-Polyamide nicht nur einen ökologischen Mehrwert. Auch die mechanischen Eigenschaften können sich sehen lassen. Eine torsionsbeanspruchte Kuppelmuffe, die in der kommunalen Wasserversorgung verbaut ist, zeigt das Potenzial technischer Bio-Compounds. 

Basaltfaserverstärkte biobasierte Polyamide für stark beanspruchte Anwendungen 

Biokunststoffe

Bio für die Technik 

Ein Funktionsträger verbindet im Bereich der Instrumententafel die fahrerseitigen Anzeigen und Funktionselemente mit der Mittelkonsole. Er muss ausgesprochen dimensionsstabil sein und enge Maßtoleranzen erfüllen. Üblicherweise kommt dafür ein Magnesium-Bauteil zum Einsatz, dabei erreicht ein langglasfaserverstärktes ABS vergleichbare Eigenschaften bei wesentlich niedrigerem Gewicht. 

Langglasfaserverstärktes ABS ersetzt Magnesium in semistrukturellem Bauteil 

Glasfasern / -matten

Alles im Rahmen 

Seit Oktober 2020 ist Warden Schijve Teil des AZL-Engineering-Teams und baut den Bereich für Produkt- und Anwendungsentwicklung im Leichtbau weiter aus.

Begrüßung des neuen Kollegen im AZL Tech Center (v. l.): Dr. Michael Emonts, Warden Schijve, Philipp Fröhlig und Dr. Kai Fischer

Kohlenstofffasern / -matten

Sekundärfasern

Kunststoff-Rezyklat

Faserverarbeitung

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Aramidfasern

Personen

kunststoffe.de

Werkzeuge für Faserverarbeitung

Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung

Neues Mitglied im AZL-Engineering-Team

CFK verfügen in Abhängigkeit vom Carbonfasergehalt, der Faserlänge sowie der Orientierung der Fasern über eine inhärente Leitfähigkeit. Bisher wurde diese jedoch kaum beachtet oder als störender Effekt betrachtet. Richtig umgesetzt, lassen sich damit jedoch zusätzliche Funktionen wie EMV-Abschirmung und Heizleistung in Bauteile integrieren.

Bild 1. Spezifischer Oberflächenwiderstand verschiedener rCFK: Der Widerstand hängt sowohl vom Faservolumengehalt als auch dem Herstellungsverfahren ab 

Die elektrische Leitfähigkeit von CFK für Zusatzfunktionen nutzen

Mehr als nur Leichtbau

Für den Einsatz als Textilien müssen Polyamidfasern flammgeschützt sein. Eine interessante Alternative zu halogenhaltigen Flammschutzmitteln stellen inhärent flammgeschützt Polymere dar, die zusammen mit Polyamid zu Blends verarbeitet und anschließend zu Fasern gesponnen werden.

Für den Einsatz als Textilien müssen Polyamidfasern ausreichend flammgeschützt sein. Halogenhaltige Flammschutzmittel und die Beschichtung der Fasern sind weit verbreitet, weisen jedoch einige gravierende Nachteile auf. Eine interessante Alternative stellen inhärent flammgeschützt Polymere dar, die zusammen mit Polyamid zu Blends verarbeitet werden und anschließend zu Fasern gesponnen.

Fasern aus Polyamid (PA) bilden mit einem jährlichen Produktionsvolumen von rund 5,4 Mio. t und einem Marktanteil von 5 % am globalen Fasermarkt die zweitgrößte Gruppe synthetischer Fasern [1]. Die Anwendungsgebiete für PA-Fasern reichen dabei von Heimtextilien über Zahnbürsten bis hin zu Airbags. Ein wesentlicher Nachteil von PA ist allerdings seine geringe Feuerbeständigkeit, die den Einsatz ohne eine zusätzliche Ausrüstung mit Flammschutzmitteln (FSM) in vielen Bereichen verhindert [2].

FSM schützen das additivierte Polymer mittels unterschiedlicher Wirkmechanismen. Beispielsweise können sie die Bildung von reaktiven Radikalen hemmen, die beim Verbrennungsprozess des Kunststoffs entstehen würden. Andere FSM bilden eine Schutzschicht an der Oberfläche des Polymers zur Abschirmung von Sauerstoff oder kühlen das Material durch die Verdunstung von freigesetztem Wasser [3].

In der Vergangenheit wurden vorrangig halogenhaltige FSM wie beispielsweise Decabromdiphenylether (DecaBDE) verwendet. Durch ihre potenziell umweltschädlichen und toxischen Eigenschaften ist der Einsatz von halogenierten FSM jedoch umstritten. Zudem liegt DecaBDE, wie auch viele halogenfreie FSM, als unlöslicher Füllstoff in der Polymermatrix vor. Das beeinflusst die mechanischen Eigenschaften der Fasern negativ und führt im Spinnprozess zu Filamentabrissen und kurzen Düsenstandzeiten [2, 4].

Vermieden werden kann dieses Problem durch die Beschichtung der Oberfläche der textilen Strukturen mit dem FSM [2]. Aus ökonomischer Sicht ist das jedoch von Nachteil, da dafür ein weiterer Produktionsschritt notwendig ist. Zudem sind diese Oberflächenbeschichtungen nur begrenzt beständig und werden beim Waschen der Textilien abgetragen. Neben der Minderung der flammhemmenden Wirkung ist das vor allem bei halogenhaltigen FSM auch deshalb problematisch, da diese über das Abwasser in die Umwelt gelangen können [5].

In den vergangenen Jahren gab es zwar vermehrt Bestrebungen zur Entwicklung von FSM, die sowohl mit PA6 als auch mit PA66 gemeinsam aufgeschmolzen und somit in die Polymermatrix integriert werden können. Bisher existiert jedoch auf dem Markt kein Produkt, das variabel für verschiedene PA, insbesondere reines PA6 oder PA66, geeignet ist. An diesem Punkt setzt eine gemeinsame Entwicklung des Fraunhofer Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) in Darmstadt und des Instituts für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen an. Die beiden Institute haben zwei phosphorbasierte Polymere entworfen, die als FSM fungieren und sich in die Fasermatrix einbetten lassen. Dadurch können ohne einen zusätzlichen Beschichtungsschritt oder Minderung der mechanischen Eigenschaften inhärent flammgeschützte PA-Fasern und -Textilien produziert werden.

Die Polymere basieren auf phosphorhaltigen Derivaten, die als Substituent in thermoplastischen Polymeren vorliegen. Durch Variation von strukturellen Parametern, wie zum Beispiel der molaren Masse, können die Schmelzspinneigenschaften der FSM gezielt an die Eigenschaften der verwendeten PA angepasst werden. Die am Fraunhofer LBF synthetisierten FSM wurden am ITA mit einem Doppelschneckenextruder mit PA66 compoundiert und auf diese Weise Polymerblends mit jeweils 10 Gew.-% polymerem, phosphorhaltigem FSM hergestellt. Diese wurden in einem Schmelzspinnprozess zu Multifilamentgarnen weiterverarbeitet. Anschließend wurden daraus in einem Rundstrickprozess Gestricke hergestellt.

Partikuläre FSM stören die Orientierung der Polymerketten während der Verstreckung der Fasern. Die vom Fraunhofer LBF synthetisierten FSM liegen hingegen in den PA-Fasern als polymere Blendkomponente vor. Beim Verstrecken der Fasern werden somit sowohl die Polymerketten des PA als auch die des FSM in Verstreckungsrichtung orientiert, was für hohe Festigkeiten ausschlaggebend ist [2, 6]. Die mechanischen Eigenschaften der mit FSM additivierten Fasern sind vergleichbar mit jenen von reinen PA66-Fasern, die unter den gleichen Bedingungen produziert wurden. Die hohe Bruchdehnung der im Pilotmaßstab entwickelten Garne zeigt, dass mit einer deutlichen Festigkeitssteigerung durch eine mehrstufige Nachverstreckung im industriellen Maßstab zu rechnen ist. Der Einsatz der Garne in technischen Anwendungen ist somit mit hoher Wahrscheinlichkeit möglich.

Die Flammschutzwirkung wurde anhand von spritzgegossenen Prüfstäben aus reinem PA66 und aus dem flammgeschützten PA66 in Anlehnung an UL94-V untersucht. Erwartungsgemäß zeigte das reine PA66 eine starke Neigung zum brennenden Abtropfen. Die Flammen lösen sich dadurch vom Prüfkörper und breiten sich somit nicht über den gesamten Prüfkörper aus. Das flammgeschützte PA66 zeigte ein erheblich vermindertes Tropfverhalten in Verbindung mit der Ausbildung einer Kohleschicht, die den Prüfstab vor einer weiteren Entzündung schützt.

Aus Prüfungen an spritzgegossenen Probekörpern lassen sich keine genauen Rückschlüsse auf das Brandverhalten der Textilien ziehen, da deren Oberfläche im Vergleich sehr viel größer ist. Aus diesem Grund wurden auch Gestricke aus reinem PA66 und dem flammgeschützten PA66 betrachtet. Beide Gestricke wurden in Anlehnung an UL94-V untersucht. Das Gestrick aus reinem PA66 zeigt ebenfalls eine starke Neigung zum brennenden Abtropfen. Im Gegensatz zum Prüfstab entzündet sich jedoch das gesamte Gestrick und brennt vollständig ab. Das Gestrick aus flammschütztem PA66 zeigt ein deutlich verringertes Tropfverhalten als das reine PA66-Gestrick. Darüber hinaus bildet sich auf dem flammgeschützten Gestrick eine Kohleschicht, die das Textil vor weiterer Entzündung schützt (Bild 1).

Zusätzlich zeigen Untersuchungen mittels Cone Calorimeter, dass das flammgeschützte Gestrick eine Absenkung der pHRR (peak heat release rate) gegenüber dem reinen Gestrick aufweist (Bild 2). Die Tests verdeutlichten die Flammschutzwirkung des polymeren FSM im Textil. Die Flammschutzwirkung wurde unter Wahrung der Textileigenschaften erreicht.

Im nächsten Schritt soll das Upscaling der FSM-Synthese und die Prozessoptimierung im Hinblick auf hochfeste, technische Garne untersucht werden. Gemeinsam mit einer Analyse des Marktpotenzials soll die industrielle Umsetzung der intrinsisch flammgeschützten PA ermöglicht werden. Der Projektstart ist für 2023 geplant.

[1] TextileExchange. Preferred Fiber & Materials Market Report 2021. <a href="https://textileexchange.org/wp-content/uploads/2021/08/Textile-Exchange_Preferred-Fiber-and-Materials-Market-Report_2021.pdf" target="_blank">https://textileexchange.org/wp-content/uploads/2021/08/Textile-Exchange_Preferred-Fiber-and-Materials-Market-Report_2021.pdf</a>.

[2]   Weil, E. D.; Levchik, S. Current Practice and Recent Commercial Developments in Flame Retardancy of Polyamides. Journal of Fire Sciences 2004, 22 (3), 251–264. DOI: 10.1177/0734904104040546.

[3]   L. Van Wabeeke. Flame Retardant Plastics: A General Review.

[4] Covaci, A.; Harrad, S.; Abdallah, M. A.-E.; Ali, N.; Law, R. J.; Herzke, D.; Wit, C. A. de. Novel brominated flame retardants: a review of their analysis, environmental fate and behaviour. Environment international 2011, 37 (2), 532–556. DOI: 10.1016/<a href="http://j.envint" target="_blank">j.envint</a>.2010.11.007. Published Online: Dec. 18, 2010.

[5] Horrocks, A. R.; Kandola, B. K.; Davies, P. J.; Zhang, S.; Padbury, S. A. Developments in flame retardant textiles – a review. Polymer Degradation and Stability 2005, 88 (1), 3–12. DOI: 10.1016/<a href="http://j.polymd" target="_blank">j.polymd</a>egradstab.2003.10.024.

[6]   Fourné, F. Synthetische Fasern: Herstellung, Maschinen und Apparate, Eigenschaften; Handbuch für Anlagenplanung, Maschinenkonstruktion und Betrieb; Hanser, 1995.

Fraunhofer Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

https://www.lbf.fraunhofer.de

RWTH-Aachen Inst. f. Textiltechnik (ITA) 

https://www.ita.rwth-aachen.de

Ausgabenartikel KU09-22

Bild 1. Gestrick aus unbehandeltem PA66 a) vor b) und nach der Brandprüfung, sowie Gestrick aus intrinsisch flammgeschütztem PA66 c) vor und d) nach der Brandprüfung: Die Wirkung des Flammschutzmittels ist gut zu erkennen.

Bild 2. Wärmefreisetzungskurven von fünflagigen Gestricken aus PA66 und mit polymerem FSM geschütztem PA66: Die verringerte Wärmefreisetzung ist ein guter Indikator für die Flammschutzwirkung des FSM.

KU 9-22_ITA - Hauptartikel

Felix Krooß befasst sich seit Februar 2020 mit der Entwicklung von additivierten Polymerfasern am Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen (ITA); <a href="mailto:felix.krooss@ita.rwth-aachen.de">felix.krooss@ita.rwth-aachen.de</a>

Martin Pelzer ist seit knapp fünf Jahren im Schmelzspinnbereich des ITA tätigt.

Kabelan Thavayogarajah beschäftigt sich seit 2019 mit der Entwicklung von polymeren Flammschutzmitteln für die Additivierung von Polyamidfasern am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF).

Lais Weber arbeitete zwischen 2017 und 2021 an der Entwicklung von Flammschutzmitteln auf Basis von Phosphor-Stickstoff-Verbindungen im Bereich der Polymersynthese am Fraunhofer LBF.

Roland Klein leitet seit 2012 die Gruppe „Grenzflächen und Polymerarchitekturen“ am Fraunhofer LBF; <a href="mailto:roland.klein@lbf.fraunhofer.de">roland.klein@lbf.fraunhofer.de</a>

Prof. Thomas Gries leitet seit 2001 das ITA.

Das IGF-Vorhaben 20575 N der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e. V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags gefördert. Die Autoren bedanken sich für die Unterstützung.