Brandsichere und biobasierte Faserverbundkunststoffe für strukturellen Leichtbau

Aufgrund des Leichtbaupotenzials werden Faserverbundkunststoffe (FVK) insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und mit steigendem Anteil auch im Schienenfahrzeug- und Bootsbau eingesetzt. Solche faserverstärkten Kunststoffe haben als Leichtbaumaterial das Potenzial, die Ökobilanz etwa von Schiffen zu verbessern. Basieren diese auf nachwachsenden Rohstoffen, so kann der ökologische Fußabdruck sehr gut reduziert werden.

Eine Integration dieser Werkstoffe als strukturelle Komponenten ist nicht Stand der aktuellen Technik und erfordert neue Konzepte, etwa im Schiffbau, schreibt Katharina Koschek vom Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in der Fachzeitschrift „Technische Textilien“. Die Richtlinie „Interim Guidelines for use of fibre reinforced plastic (FRP) elements within ship structures: fire safety issues“ ist die Grundvoraussetzung für den Einsatz von FVK bei Schiffen und Gegenstand der Forschung. Derzeit können integrierte Strukturen oder nicht strukturelle Teile, die nicht zur Festigkeit des Schiffs beitragen, durch Faserverbundkunststoffe  ersetzt werden. Hier setzt das Projekt „GreenLight“ des Bremer Fraunhofer Institut an: Dort sollen für lasttragende Komponenten biobasierte Faserverbundwerkstoffe entwickelt werden, die zugleich die hohen Brandsicherheitsstandards erfüllen.

Brandsicherheit bei Struktur-Elementen

Die Temperaturbeständigkeit und das Brandverhalten sind in hohem Maße von der organischen Polymermatrix abhängig. Unter Wärme-Einwirkung tritt eine thermische Zersetzung des Polymers durch Pyrolysevorgänge auf, wobei die Zersetzungstemperatur, die entstehenden Gase, deren Brennbarkeit und Toxizität von der chemischen Struktur der verwendeten Polymere entscheidend beeinflusst werden. Daher müssen hier besonders hohe Brandschutzanforderungen erfüllt werden.

Polybenzoxazine zeigen bezüglich des nötigen präventiven Brandschutzes vielversprechende Eigenschaften und zeichnen sich im Brandfall durch geringere Wärmefreisetzungsraten, eine geringere Rauchgasdichte und -toxizität aus. Sie zeigen auch ohne Verwendung halogenierter Flammschutzmittel ein großes Potenzial, den notwendigen Anforderungen an den Brandschutz in verschiedenen Anwendungsbereichen gerecht zu werden.

Mit diesem Lösungsansatz kann das Brandverhalten der Faserverbundkunststoffe auch den Anforderungen nach einer mechanischen Verformung der Komponenten durch Zusammenstöße oder Unfälle bewältigt werden und zukünftig weitere Leichtbaupotenziale erschlossen.

Nachhaltigkeit im Fokus

Im Projekt „GreenLight“ der Bremer Forscher wird die Analyse nachhaltiger benzoxazinbasierter Verbundwerkstoffe im Sinne einer nachhaltigen Chemie erfolgen. Dabei soll Rahmen einer Nachhaltigkeitsanalyse bei der Auswahl der Rohstoffe (Herkunft, Gewinnung etc.) ein besonderes Augenmerk auf die ökologischen und sozialen Faktoren gelegt werden.

Solche Hochleistungskunststoffe besitzen ein hohes Wertschöpfungspotenzial und sollen daher zukünftig im Sinne einer stofflichen Aufwertung in alternativen Anwendungen wiederverwertet werden. Eine Wiederverwertung vorhandener Werkstoffe oder sogar Bauteile reduziert die Verwendung von Rohstoffen – setzt allerdings voraus, dass die Bauteile in werkstoffreine Komponenten zum Einsatz kommen.

Foto: Marco2811