Die AVK ist der älteste Verband der deutschen Kunststoffindustrie. Sie wurde gerade 100. Darüber sprachen wir mit AVK-Geschäftsführer Dr. Elmar Witten.

Dr. Elmar Witten ist seit 2007 Geschäftsführer der AVK.

Interview zum 100-jährigen Jubiläum der AVK mit Geschäftsführer Dr. Elmar Witten

Glasfasern / -matten

Kunststoff Werkstoffe

Verstärkungsstoffe

Fasern

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

Streifinger, Florian

Faserverbundwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Kunststofffasern

„Bevor Glasfasern zum Einsatz kamen, setzte man auf Naturfasern“

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

Elektronik

Polyamide

Thermoplaste

Technische Kunststoffe

Flammschutzmittel

Additive

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

Organobleche (gewebeverstärkte Thermoplast-Halbzeuge)

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

Flammschutz wird im E&E-Bereich stark nachgefragt. Lanxess hat dafür ein halogenfreies Additiv für glasfaserverstärkte Kunststoffe entwickelt.

Das Flammschutzmittel wurde primär für den Schutz von Bauteilen im E&E-Bereich entwickelt.

Mit phosphorbasiertem Additiv UL 94 V-0 erreichen

Flammschutz für E&E-Compounds

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.

16:9

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

Blend

Kfz-Elektronik

Polypropylen

Zu zweit leichter

Welchen Einfluss haben verschiedene Kopplungsmechanismen auf die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von hochgefüllten flammgeschützten EVA/LLDPE Compounds?

Polyethylen

Kabel

Automatisierungstechnik

Signalübertragung

Halogenfrei flammgeschützte Kabel Compounds basiert auf hochgefüllten EVA/LLDPE Blend Systemen – Einfluss der Kopplungsmechanismen

Die Herstellung von Polymerblends beweist sich als probates Mittel, um Eigenschaften von Kunststoffwerkstoffen für unterschiedlichste Anwendungen maßzuschneidern.

Werkstoffprüfung, mechanisch

Messtechnik

Werkstoffprüfung

Eigenschaften von Mikro- und Nanostrukturierten PA66/PPE Polymerblends

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 

Compound

Verarbeitungshilfmittel

Farbstoffe

Stabilisatoren

Treibmittel

Pigmente

Masterbatches

Oberflächentechnik

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 

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

Leichtbau mit Faserverbundkunststoffen spart im Betrieb von Automobilen und Flugzeugen Energieressourcen ein. Den Einsparungen stehen jedoch häufig höhere Verbräuche in der Produktion gegenüber. Deshalb rückt die Nachhaltigkeit bei der Fertigung verstärkt in den Fokus. Eine entsprechende Nachhaltigkeitsbetrachtung für die Verarbeitung von thermoplastischen UD-Tapes zu funktionsintegrierten Bauteilen hat das Forschungsinstitut Neue Materialien Bayreuth durchgeführt.

Bild 1. Leichtbau vs. konventionelle Bauweise: Schematische Darstellung des Energiebedarfs für Leichtbaulösungen im Vergleich zu konventionellen Lösungen in der Herstellung sowie anschließenden Nutzungsphase.

Die Umweltauswirkungen der Produktion von FVK-Bauteilen bewerten

UD-Tapes

Nachhaltigkeit

Umweltmanagement

Schnüre, Bänder, Tapes

Wie nachhaltig ist Leichtbau wirklich?

Viele Materialien benötigen ein speziell auf die Materialeigenschaften abgestimmtes Dosierkonzept wie den Faserdosierer FiberXpert von Brabender Technologie.

FiberXpert FX225 eignet sich ideal für das Dosieren von langen und unregelmäßigen Fasern.

Messe K-Kunststoffmesse

kunststoffe-international.com

Materialhandling

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Kunststoff-Aufbereitung

Dosieren von langen und recycelten Fasern

In modernen Fahrzeugen spielt die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) eine immer wichtigere Rolle. EMV-Kunststoffe helfen dabei, Störungen durch elektromagnetische Felder sicher und kosteneffizient zu verhindern.

Interieur des Konzeptfahrzeugs Rinspeed MetroSnap: Bei aktuellen Fahrzeugentwicklungen spielt die EMV-Abschirmung eine immer größere Rolle. Dafür bieten sich in vielen Fällen entsprechend gefüllte Kunststoffe an. 

Fahrzeugelektronik gegen elektrische und magnetische Felder abschirmen

Füllstoffe, allgemein

Füllstoffe für Kunststoffe

EMV-Schutz für den  rollenden Computer

FVK werden für stark beanspruchte Produkte verwendet. Entmischung stellt dabei eine Unsicherheit dar. Ein einfaches Verfahren ermöglicht die Bestimmung.

Einfaches Verfahren zur Analyse der Faserverteilung in Bauteilen

Die Entmischung von Glasfasern bestimmen

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.