Kunststoff Biobasierte Fasern mit gutem Flammschutz

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Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung (DITF)

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Das Forschungsteam „Polymere und Faserverbunde“ der DITF hat den flammgeschützten, biobasierten Kunststoff Polyethylenfuranoat (PEF) entwickelt. Während PEF technologisch bereits weit entwickelt ist und sich auf dem Weg in den Massenmarkt befindet, fehlt es bisher an einem Flammschutz, durch den ein breiter Einsatz im textilen Sektor ermöglicht würde.

Die jüngste Brandkatastrophe in der Schweiz hat offenbart, wie entscheidend die Verwendung von flammgeschützten Materialien als Baustoffe, Isolierungen und in vielen anderen Alltagsgegenständen ist. Textilien mit flammhemmender Wirkung erfüllen hier eine besonders wichtige Funktion, denn sie werden in erheblichen Mengen genutzt - nicht nur in Werkstoffen für den Bau, sondern auch für Sicherheits- und Schutzkleidung, in Fahrzeuginnenräumen und für das Wohninterieur, so in Teppichen und in Polstermöbeln.
Bereits seit Jahrzehnten nutzt man flammhemmende Verbindungen für synthetische Fasern. Gute Wirksamkeit zeigen dabei anorganische, bromierte oder phosphororganische Verbindungen, die besonders in Polyesterfasern angewendet werden. Phosphorverbindungen sind etwas weniger umweltschädlich, wenn sie freigesetzt werden und daher oft die erste Wahl. Ihre Wirksamkeit beruht darauf, dass sie eine schützende Verkohlungsschicht bilden und Radikale abfangen, was die Entflammbarkeit des Materials reduziert. Die Freisetzung giftiger Gase und weitere Hitzeentwicklung wird eingeschränkt.

Biobasierte Fasern gewinnen an Bedeutung

Seit einigen Jahren ist ein Wandel in der Verwendung synthetischer Fasern hin zu biobasierten Fasern zu beobachten. Wenngleich deren Marktanteil im Vergleich zu etablierten synthetischen Fasern wie Polyester oder Polypropylen noch klein ist, so verzeichnen sie doch ein stetiges Wachstum. Biobasierte Fasern gewinnen an Bedeutung, da sie den Bedarf an fossilen Rohstoffen verringern. Gleichzeitig unterstützt deren Verwendung die Kreislaufwirtschaft und reduziert Treibhausgasemissionen.
Ein persistenter und effektiver Flammschutz in biobasierten Fasern, der zudem günstig und umweltverträglich ist, könnte biobasierten Textilien einen Innovationsschub verleihen und zu einer deutlichen Expansion in den Markt beitragen. An dieser Stelle setzt das Forschungsteam „Polymere und Faserverbunde“ der DITF mit der Entwicklung eines flammgeschützten, biobasierten Kunststoffs namens Polyethylenfuranoat (PEF) an. PEF ähnelt in vielen Eigenschaften dem verbreiteten Polyethylenterephthalat (PET), ist im Gegensatz zu diesem aber aus biobasierten Monomeren aufgebaut. Während PEF technologisch bereits weit entwickelt ist und sich auf dem Weg in den Massenmarkt befindet, fehlt es bisher an einem Flammschutz, durch den ein breiter Einsatz im textilen Sektor ermöglicht würde.

Molekulargewicht erhöht

An den DITF wird PEF nicht nur in hauseigenen Reaktoren selbst synthetisiert. Es wurden auch umfangreiche Versuchsreihen gefahren, um verschiedene phosphorbasierte Flammschutzmittel in unterschiedlichen Konzentrationen auf ihre Eignung zu bewerten. Wichtig sind den Forschern dabei zwei Dinge: Zum einen soll das Flammschutzmittel chemisch an die Polymermoleküle angebunden werden, um ein Ausbluten zu verhindern. Das ist bei Fasern aufgrund ihres geringen Durchmessers und ihrer hohen spezifischen Oberfläche entscheidend, um einen langfristigen Brandschutz zu gewährleisten. 
Zum anderen soll das Flammschutzmittel in geringstmöglicher Konzentration und dennoch bestmöglicher Wirkung verwendet werden. Denn trotz ihrer guten Brandschutzeigenschaften ist allen gängigen Additiven gemein, dass sie potenziell gesundheitsschädlich und bei Freisetzung in die Umwelt schwer abbaubar sind, da sie chemisch stabil sind. 
Die Forscher in Denkendorf konnten durch eine Festphasenkondensation der synthetisierten Polymere das Molekulargewicht erhöhen, um Fasern höherer Festigkeit auszuspinnen.
Untersuchungen des thermischen und rheologischen Verhaltens haben die im Spinnprozess einsetzbaren Polymere mit verschiedenen Flammschutzmittelkonzentrationen weiter eingrenzt. Ausgesponnen wurde neben einer flammschutzmittelfreien PEF-Referenz eine PEF-Variante, die fünf Gramm Phosphor je Kilogramm Polymer in Form copolymerisierter Organophosphorverbindungen enthielt. Die im Spinntechnikum gewonnenen Fasern verarbeitete man zu textilen Flächen, die Brandprüfungen unterzogen wurden. Die mit Flammschutz ausgerüsteten Gestricke zeigten eine deutlich verminderte Brennbarkeit. Flammgeschützte, biobasierte PEF-Fasern werden an den DITF auch in Zukunft weiter erforscht.