Bio-Kunststoffe für die Elektrotechnik und Elektronik Biobasierte Flammschutzmittel für Bio-Kunststoffe entwickelt

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Fraunhofer Institut für Holzforschung Wilhelm-Klauditz-Institut

Damit Bio-Kunststoffe auch in der Elektrotechnik und Elektronik eingesetzt werden können, müssen sie hohe Flammschutzvorgaben erfüllen. Bisher gibt es aber noch keine biobasierten Flammschutzmittel. Ein Forschungsprojekt der Fraunhofer-Institute WKI und IAP will das ändern.

Forschenden des Fraunhofer WKI und des Fraunhofer IAP sind mit Industriepartnern erste Erfolge in der Entwicklung von biobasierten Flammschutzmitteln in Bio-Kunststoffen gelungen. Wie das Fraunhofer WKI mitteilt, lag der Fokus darauf, ein halogenfreies Flammschutzmittel auf Basis von biobasierten Alkoholen und phosphorhaltigen Verbindungen zu entwickeln, welches möglichst in geringer Einsatzmenge und daher mit geringen Kosten eingesetzt werden kann. Anschließend wurden zahlreiche Versuche zur Compoundierung mit Polymilchsäure (PLA) als Matrixpolymer durchgeführt.

Compoundierung des Bio-Flammschutzmittels mit Polymilchsäure (PLA)

Laut Fraunhofer WKI erwies sich bei der Synthese der neuartigen halogenfreien Flammschutzmittel der Fokus auf die Herstellung vollveresterter Phosphate als vielversprechend. Wie es heißt, konnte nach Optimierungsversuchen eine Compoundierung mit PLA realisiert werden, aus der eine Rezeptur zur Herstellung von flammgeschützten PLA-Compounds entwickelt wurde. Entflammbarkeitstests gemäß UL94 sollen eine sehr gute Klassifizierung (V-0) bei einer Prüfkörperdicke von 1,6 mm ergeben haben. Der flammgeschützte Biokunststoff könnte beispielsweise mittels Granulat im Spritzguss oder mittels Filamenten additiv zu Bauteilen für Elektrotechnik und Elektronik verarbeitet werden.

Elektronenstrahlvernetzung bindet Flammschutzmittel an PLA

Für die homogene Verteilung des Flammschutzmittel in der Biopolymermatrix aus PLA wurde nach Angaben des Fraunhofer WKI die Elektronenstrahlvernetzung eingesetzt. Bei diesem nicht-thermischen Prozess werden die Eigenschaften der Polymere modifiziert, indem über die Strahlendosis kontrollierbare Vernetzungs- und Kopplungsreaktionen angestoßen werden. In den Versuchen beim Industriepartner BGS Beta Gamma Service erwies sich ein Additiv als wirkungsvoll, bei dem die Vernetzungsreaktion des PLA dem Abbau durch den Elektronenstrahl überwog.

Einsatz herkömmlicher Flammschutzmittel

Die Forschenden am Fraunhofer WKI und Fraunhofer IAP führten des Weiteren Versuche zur Compoundierung unverstärkter und mit Holzpartikeln verstärkter Biopolymere mit halogenfreien, aktuell verfügbaren Flammschutzmitteln durch. Sie konnten feststellen, dass diese für PLA und biobasiertes Polybutylensuccinat (PBS) als Basispolymere verfahrenstechnisch gut einsetzbar sind. In der Verarbeitung von PLA ist die Verwendung eines beheizbaren Werkzeugs erforderlich, um hohe Kristallinitäten und somit hohe Wärmeformbeständigkeiten in den Bauteilen zu erreichen. Es gelang dem Team, Formulierungen für PLA und PBS zu entwickeln, die die Anforderungen an den Flammschutz in den Zielanwendungen weitgehend erfüllen und im Spritzguss sowie mit additiver Fertigung verarbeitet werden können. Dies wurde mit verschiedenen Tests nachgewiesen, darunter UL94, Glühdrahttest und Prüfung der Kriechstromfestigkeit.

Bei den Versuchen mit einer Zugabe von Holzpartikeln konnten die Forschenden außerdem zeigen, dass diese einen positiven Einfluss auf die Flammschutz-Performance aufweisen. Die Wärmefreisetzungsraten wurden durch Holzzugabe deutlich reduziert. Gleichzeitig kam es jedoch zu einer Verkürzung der Entzündungszeitpunkte. Für holzfaserverstärkte, flammgeschützte und auskristallisierte PLA-Compounds konnte eine maximale Wärmeformbeständigkeit von 140 °C bis 160 °C nachgewiesen werden.

Die flammgeschützten Formulierungen auf Basis von Bio-Polyamiden (PA) für den Spritzguss erfüllten die Klassifizierung V-0 (1,6 mm Dicke) im UL94-Test und im Vergleich zu Referenzmaterialien weitgehend die Anforderungen hinsichtlich des Glühdrahttests und für die Kriechstromfestigkeit (CTI). Die Vernetzbarkeit von drei flammgeschützten Bio-PA-Typen wurde erstmals in der Elektronenbestrahlung untersucht. Es zeigte sich, dass der Bio-PA-Typ PA6.10 am besten vernetzbar ist und der Bio-PA-Typ PA11 am wenigsten. Die Forschenden konnten auch hier nachweisen, dass die Zugabe von Holzpartikeln einen positiven Einfluss auf die Flammschutz-Performance ergibt. Die Bestrahlung bewirkte bei fast allen PA-basierten Formulierungen eine Erhöhung der Zugfestigkeit und des Zug-E-Moduls sowie eine Reduzierung der Kerbschlagzähigkeit.

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