Oberflächentechnologie

Forschungsprojekt

BioFla – Halogenfreier Flammschutz für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe in Elektronik und Logistik    

Produkte in der Elektrotechnik, der Elektronik und der Logistik müssen hohe Flammschutzvorgaben erfüllen. Außerdem müssen sie wärmeformbeständig und schlagzäh sein. Die derzeit am Markt erhältlichen Bio-Materialien werden diesen Anforderungen nicht gerecht. In diesem Projekt entwickeln wir Bio-Kunststoffe und Bio-Verbundwerkstoffe, welche die  notwendigen Eigenschaften mitbringen und sich mittels Spritzguss und 3D-Druck verarbeiten lassen sollen. So könnten Produkte wie Lichtschalter, Steckdosen, Bewegungsmelder, Kabelkanäle oder Ladestationen für Elektrofahrzeuge bald aus Bio-Material hergestellt werden. 

Ein Bündel weißer und brauner Filamente liegt auf einem Holzstück
© Fraunhofer WKI | Manuela Lingnau
Flammgeschützte Bio-Filamente für den 3D-Druck.

Im ersten Schritt entwickeln wir gemeinsam mit dem Fraunhofer IAP ein halogenfreies  Bio-Flammschutzmittel. Dieses soll im zweiten Schritt reaktiv an den Biokunststoff Polylactid (PLA) angebunden werden. Für die Herstellung werden wir Alkohol auf Zuckerbasis verwenden und vollveresterte Organophosphorsäureester synthetisieren. Die Phosphorgruppe ist für die Flammschutzwirkung verantwortlich. Die enthaltenen Acrylat- oder Meth(acrylat)-Gruppen dienen der Anbindung an das PLA. Die Anbindung der reaktiven Flammschutzmittel und die Teilvernetzung des PLA erfolgt durch Elektronenbestrahlung.

Die geforderte Schlagzähigkeit versuchen wir durch Zugabe von Schlagzähmodifikatoren zu erreichen. Außerdem fügen wir Holzfasern hinzu. Auf Basis unserer Forschungserfahrung vermuten wir, dass die Holzfasern sich positiv auf die Wärmeformbeständigkeit und den Flammschutz auswirken. Die Wärmeformbeständigkeit des PLA hängt von seiner Kristallisation ab. Die Kristallisation kann beschleunigt bzw. erhöht werden, indem in ein heißes Werkzeug eingespritzt und nachfolgend getempert wird. Je schneller die Kristallisation erfolgt, desto schneller kann das Werkstück ausgeworfen werden und desto kürzer ist die Zykluszeit – was für die Praxis eine große wirtschaftliche Bedeutung hat. In unseren Versuchen ermitteln wir die optimale Kristallisationszeit von PLA und geeignete Verarbeitungsbedingungen unter Verwendung von Flammschutzmitteln und Holzfasern.

Parallel zu den Entwicklungen mit selbst synthetisierten Flammschutzmitteln verwenden wir kommerziell verfügbare Flammschutzmittel bei der Compoundierung mit PLA und Holzfasern. Außerdem betrachten wir weitere Biokunststoffe: Polyhydroxybutyrat (PHB), verschiedene Polyamide (PA 6.10, PA 10.10 und PA 11) sowie Polyethylenterephthalat (PET).

Alle Compounds werden mittels Spritzguss und additiver Fertigung (FDM) zu Prüfkörpern für die folgenden Tests verarbeitet: UL94, Wärmeformbeständigkeit, Glühdrahttest, Kriechstromfestigkeit, Zugfestigkeit und -E-Modul, Schlagzähigkeit, Wasseraufnahme und Quellung.

Versuchsapparatur, in die ein kleiner Prüfkörper aus Bio-Kunststoff eingespannt ist. Der anliegende Draht ist weiß glühend.
© Hager Electro GmbH
Glühdrahttest: Ein Prüfkörper aus Bio-Kunststoff wird auf Entflammbarkeit geprüft. Dabei berührt ein vorgeheizter Glühdraht den Prüfkörper für 30 Sekunden, während verschiedene Kennwerte gemessen werden.
Versuchsapparatur mit zwei Elektroden, die einen in der Mitte liegenden kleinen Probekörper aus Bio-Kunststoff berühren. In kurzem Abstand darüber hängt ein Tropfengeber.
© Hager Electro GmbH
Prüfung auf Kriechstromfestigkeit: Zwei Elektroden berühren einen Prüfkörper aus Bio-Kunststoff, auf den alle 30 Sekunden ein Tropfen fällt.

Ergebnisse (Zwischenstand)

Während des ersten Projektjahres konnten PLA-basierte Formulierungen entwickelt, zu Filamenten extrudiert und gedruckt werden, die die Klassifizierung V0 gemäß UL94 bei einer Prüfkörperdicke von 1,6 mm erreichen. Flammgeschütztes PLA sowie ein flammgeschütztes, holzfaserverstärktes PLA-PBS-Blend bestanden den Glühdrahtttest bei 960° C. Hinsichtlich der Kriechstromfestigkeit erreichte das flammgeschützte, holzfaserverstärkte PLA-PBS-Blend mindestens 175 V; bei einer Einfachprüfung wurden auch 200 V und 250 V erreicht. Flammgeschütztes PLA ohne Holzanteil erreichte 600 V.  

Die Wärmeformbeständigkeit der flammgeschützten, gedruckten und getemperten Prüfkörper erreicht nach ersten Untersuchungen Werte von über 100° C. Dagegen ergab sich bei ungefüllten, getemperten PLA-Prüfkörpern bereits während der Temperung eine starke Verformung. Die Zugabe von Flammschutzmitteln und/oder Holzfasern verbessert somit nicht nur die Flammschutzwirkung, sondern auch die Wärmeformbeständigkeit von PLA. 

Im Hinblick auf biobasiertes PA 6.10, PA 10.10 und PA 11 wurden ebenfalls Formulierungen mit der Klassifizierung V0 (UL94) bei einer Dicke von 1,6 mm entwickelt.

Im zweiten Projektjahr werden wir Untersuchungen mit PHB und PET sowie dem neuen Bio-Flammschutzmittel durchführen. In Kooperation mit unseren Projektpartnern aus der Industrie werden die Formulierungen dann im größeren Maßstab compoundiert und zu Anwendungen in Elektrotechnik und Elektronik (E&E) sowie Logistik verarbeitet. 

Projektpartner

  • Fraunhofer IAP
  • Clariant Plastics & Coatings (Deutschland) GmbH
  • Linotech GmbH
  • Hesco Kunststoffverarbeitung GmbH
  • Kabel Premium Pulp & Paper GmbH
  • Hager Electro GmbH
  • BGS Beta-Gamma-Service GmbH & Co. KG
  • Rettenmaier & Söhne GmbH
  • Georg Utz GmbH

Förderung

Projekttitel: Erschließung von neuen Anwendungen für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe in Elektronik und Logistik unter Verwendung von halogenfreien Flammschutzsystemen

Fördermittelgeber: Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL)

Förderkennzeichen: 22022717

Projektträger: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR)

Laufzeit: 1.2.2019 bis 31.1.2022