Wechselwirkung zwischen Mechanik und Brandverhalten in halogenfreien Sandwich-Strukturen aus PET-Schaum und glasfaserverstärktem Epoxidharz
Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
Polymermaterialien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Als Ausgangsmaterial für den PET-Schaumkern wurde ein niederviskoses "Bottle Grade" PET gewählt. Dieses ähnelt in seinen molekularen Eigenschaften recyceltem PET, welches unmodifiziert nicht verschäumbar ist. Durch eine Modifizierung mit dem Kettenverlängerer PMDA wurde der Prozess der Schaumextrusion für ein solches PET-Grade erfolgreich optimiert. Die gewonnenen Erkenntnisse können zukünftig für ein "upcycling" von recyceltem PET aus Wertstoffkreisläufen genutzt werden, um dieses wieder für anspruchsvolle Anwendungen zu erschließen. Es wurden Dichten von bis zu 89 g L hoch -1 bei einer Zellgröße von 101 Mikrometern erreicht. Die im Rahmen des Projektes synthetisierten phosphorhaltigen Flammschutzmittel (FSM) für Thermoplaste wurden detailliert untersucht. Für bestimmte FSM-Typen gelang es, mit Hilfe der TG-MS-Analyse das PO-Radikal zu detektieren, welches als Indiz für Gasphasenaktivität gilt. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass dieses Fragment mit den während der Verbrennung freigesetzten reaktiven OH-Radikalen reagiert und somit die Flamme vergiftet. Die Aromaten des PETs beeinträchtigten dabei die Gasphasenanalysen in der TG-MS, weshalb diese an PP durchgeführt wurden. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse helfen, die während eines Brandes ablaufenden Prozesse zu verstehen und künftig maßgeschneiderte FSM für entsprechende Anwendungen herstellen zu können. Die FSM-Systeme zeigten für PET jedoch einen negativen Einfluss auf die Schmelzefestigkeit beim Schäumen und allgemeine Verarbeitbarkeit, weshalb ein Upscaling der Synthese im Projektrahmen nicht realisiert wurde. Für die PET-Schaumextrusion wurden daher vier kommerzielle FSM mit unterschiedlichen reaktiven Spezies gewählt. Der Prozess wurde aufgrund unterschiedlicher Wechselwirkungen der FSM mit dem PET für das jeweilige System optimiert. Final wurden fünf unterschiedlich flammgeschützte PET-Schäume anhand detaillierter Charakterisierung ausgewählt und in größerem Maßstab für die Anwendung im Sandwich hergestellt. Für die im Sandwich benötigte Epoxidharz-Deckschicht wurden ebenfalls neuartige phosphorhaltige FSM entwickelt. Hierfür wurden dreibindige sowie fünfbindige Phosphorspezies mittels Staudinger Reaktion zu phosphorylierten Iminophosphoranen bzw. N-diphosphorylierten Imiden umgesetzt. Durch die Variation der Reaktionspartner konnte die chemische Umgebung der Phosphoratome beeinflusst werden und somit eine Vielzahl neuer FSM generiert werden. Aufgrund des angestrebten VARI-Prozesses wurde dabei der Fokus auf flüssige Stoffe gelegt. Die eingeschränkten Synthesekapazitäten limitierten dabei die verfügbaren Mengen, weshalb im weiteren Verlauf ein kommerzielles FSM im Harz verwendet wurde. In der abschließenden Studie wurden 14 verschiedene Epoxy-GF-PET-Schaum Sandwichsysteme hergestellt. Die Mechanik konnte dabei aufgrund des hohen zeitlichen und präparativen Aufwands im Projektrahmen nicht tiefgehend untersucht werden. Daher wurde der Fokus verstärkt auf das Verständnis der Flammschutzmechanismen gelegt. Dabei konnten neben einer allgemeinen Verbesserung des Brandverhaltens durch den Einsatz von FSM auch signifikante Unterschiede bei den Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen FSM im Kern und dem in der Deckschicht aufgezeigt werden. Die besten Flammschutzeigenschaften konnten durch die Kombination von überwiegend gasphasenaktiven FSM im Schaumkern mit dem feststoffaktiven FSM im Harz erzielt werden. Dies ist im jeweiligen Volumen/Oberfläche-Verhältnis des Schaumes bzw. der GF-verstärkten Harzschicht zu begründen. Die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse können für zukünftige Entwicklungen von flammgeschützten Sandwichsystemen genutzt werden, um deren Anwendungen zu optimieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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"Foaming of PET with Flame Retardants”, FOAMS Konferenz in Bayreuth, 2017
C. Bethke, T. Standau, J.-H. Keller, D. Goeddez, M. Döring, V. Altstädt
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(2018). Development of a Bead Foam from an Engineering Polymer with Addition of Chain Extender: Expanded Polybutylene Terephthalate Industrial & Engineering Chemistry Research, 57, 17170-17176
Tobias Standau, Bianca Hädelt, Peter Schreier, and Volker Altstädt
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„Flame retardant formulations containing radical forming agents for PET"; 29th FLAME in Stamford, 2018
D. Goedderz, C. Fasel, R. Riedel, M. Döring
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(2019), Development of a Bead Foam Based on the Engineering Polymer Polybutylene Terephthalate PPS Dresden 2017 Proceedings Conference Paper
Tobias Standau, Bianca Hädelt, Michael Fafara, Volker Altstädt
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„Novel N-phosphorylated iminophosphoranes as efficient flame retardants in epoxy resins and composites“: 17th European Meeting on Fire Retardancy and Protection of Materials (FRPM) in Turku, 2019
L. Weber, M. Döring
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„Phosphorus containing flame retardants for different polymers and their mode of action regarding key species in flame retardancy"; 17th European Meeting on Fire Retardancy and Protection of Materials (FRPM) in Turku, 2019
D. Goedderz, M. Döring
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(2019) Properties Of Bead Foams With Increased Heat Stability Made From The Engineering Polymer Polybutylene Terephthalate (E-PBT) PPS Izmir 2019 Proceedings Conference Paper, accepted
Tobias Standau, Peter Schreier, Kathrin Hilgert, Volker Altstädt
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(2020). Flame retardant polyester by combination of organophosphorus compounds and an NOR radical forming agent. J. Appl. Polym. Sci., 47876
D. Goedderz, L. Weber, D. Markert, A. Schießer, C. Fasel, R. Riedel, V. Altstädt, C. Bethke, O. Fuhr, F. Puchtler, J. Breu, M. Döring
