Japanische Brandschutz-Materialien aus papierdünnem Material

Ein Brand entsteht manchmal scheinbar aus dem Nichts und kann sich so schnell ausbreiten, dass für die anwesenden Personen kaum Rettung möglich ist. Ein Grund, warum gute Brandschutz-Eigenschaften für Materialien, die in öffentlichen Bereichen (Flugzeuge, Schiffe, Eisenbahnen, Autos und öffentliche Gebäuden wie Hotels und Theater) eingesetzt werden, absolut elementar ist. Weserland bietet für diese Bereiche halogenfreie und raucharme Flammschutz-Compounds an, die speziell auf die jeweiligen Anforderungen und Einsatzzwecke abgestimmt sind. So können neben Erfordernissen bezüglich Flammschutz, Rauchgasdichte und -toxizität auch die "klassischen" Anforderungen, wie gute Schnittkantenverfestigung bzw. Pol- und Noppeneinbindung, sowie antistatische Eigenschaften erfüllt werden.

Gerne schauen wir mit unseren Entwicklungs-Teams auch über den Tellerrand und sind dabei auf neue Material Gulfeng von Toray (Tokio) gestoßen, das sehr gute Brandschutzeigenschaften mit sehr guten mechanischen Eigenschaften kombiniert.

Was Gulfeng interessant macht, sind seine mechanischen Eigenschaften und die Vielfalt, mit der sich die Fasern verarbeiten lassen. Wo klassische Werkstoffe dazu tendieren dick und steif zu sein, ist Gulfeng dünn, leicht und flexibel. Es lässt sich zu Stoff verweben, stricken oder zu weichen Matten verfilzen. Das Material ist papierdünn (0,06 mm bei 60 g/qm) und kann daher auch sogar im Bettenbereich verwendet werden. Entsprechende Test waren sehr erfolgreich und zeigten eine gute Flammhemmung.

Der flammblockende Effekt von Gulfeng beruht auf der Kombination von zwei Materialien – Polyphenylensulfid (PPS) und oxidiertes Polyacrylnitrit (Ox-PAN), eine nichtschmelzende, temperaturbeständige Faser aus thermisch stabilisiertem PAN.

Karbonisierung unter Ausschluss von Sauerstoff

Wenn das Material einer Flamme ausgesetzt wird, reagieren alle Varianten gleich: Das Gewebe heizt sich auf und beginnt bei 285 °C schmelzen.  Der flüssige Kunststoff bildet dann eine dünne Haut um die oxidierten Fasern, die die Hitze der Flamme unter Ausschluss von Sauerstoff absorbieren, deshalb auch nicht verbrennen. Dabei kommt es zur Karbonisierung – die Fasern wandeln sich in widerstandsfähiges Graphit um. Das geschmolzene Material füllt die Lücken und karbonisiert ebenfalls, sodass eine geschlossene Membran aus Kohlenstoff entsteht, die eine ausgezeichnete Barriere gegen die Flammen bildet.

Dank der guten Materialeigenschaften von Gulfeng kann man einen hohen Komfort und sehr dünne Polster realisieren. Gerade bei der Bestuhlung von Flugzeugen kämpfen ja viele Airlines um jeden Millimeter.   

Eine weitere interessante Entwicklung ist ein Basismaterial für ein Kunstleder. Zusammen mit einem japanischen Kunstlederhersteller entstand ein leichtes und dünnes Material – und da es Gulfeng als Grundgewebe verwendet, ist der Flammschutz bereits mit eingebaut. Normales Kunstleder benötigt eine zusätzliche Schicht als Flammenblocker zwischen dem Außenmaterial und dem Sitzpolster. Diese kann mit dem Spezial-Leder entfallen oder deutlich dünner sein, was insgesamt Gewicht spart und die Herstellung erleichtert.

Funktionale Beschichtung: Atmosphärendruck-Plasmabehandlung auf 3D-gedruckten Polymeroberflächen

3D-gedruckte Bauteile haben einen unverkennbaren Vorteil: Sie verfügen über eine sehr freie Formgebung. Doch bei der Beschichtung, vor allem bei der nachträglichen Funktionalisierung durch andere Materialien wird diese freie Form unter Umständen zum Problem. Die freie Form der 3D-Bauteile macht diese unzugänglich für viele Beschichtungsverfahren, insbesondere im Niederdruck. Hinzu kommt, dass es schwierig ist, 3D­Druckverfahren wie das „Fused Deposition Modeling“ (FDM) mit Niederdruckbeschichtungs-Verfahren, wie Sputter-Deposition, Aufdampfen, plasmaunterstützte chemische Gasphasen-Abscheidung, zu kombinieren.

Die eigentliche Materialoberfläche ist eine wichtige Einflussgröße, die die Verwendbarkeit vieler Kunststoffmaterialien maßgeblich bestimmt. Dabei geht es darum durch Beschichtungs- und Funktionalisierungs-Prozesse die Oberflächen-Chemie zu verändern. Im Falle von Beschichtungen bringt dabei das schichtbildende Material die benötigten chemischen Gruppen mit, während bei der Funktionalisierung eine Ankopplung der chemischen Gruppen direkt an die Oberfläche bewirkt wird.

Es geht also darum Oberflächen zu erzeugen, die die Adhäsion zu weiteren Beschichtungen oder Materialien verstärken oder verringern, dabei die Migration von Weichmachern zu reduzieren sowie die mechanische oder chemische Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen zu verbessern.

Eine Lösung hierfür kann die Verwendung des Atmosphärendruck-Plasma-Verfahren sein, das sich in Form von Plasmajets in FDM-Anlagen integrieren lassen, schreibt Dr. Thomas Neubert, Projektleiter am Braunschweiger Fraunhofer Institut für Schicht- und Oberflächentechnik in einem Artikel im Fachmagazin „Plastverarbeiter“.

Kombination von 3D-Druck und Plasmajet-Beschichtung

Am Fraunhofer-Institut werden so genannte dielektrisch behinderte Entladungen (DBE) eingesetzt. Hohe Spannungen führen hierbei zu einer elektrischen Gasentladung in einem Spalt zwischen zwei Elektroden, die so als eigentliche Energiequelle dient. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Kombination von 3D-Druck und Plasmajet-Beschichtung auch die inneren Oberflächen der Polymer-Implantate erfolgreich beschichtet werden. Die Beschichtungen drangen abhängig von Strukturdichte, dem Arbeitsgasfluss und dem Precursor-Dampfdruck mehrere Millimeter in die Polymerstruktur ein. Auch ein Pulsen der elektrischen Leistung des Plasmajets ist möglich und erhöht damit unter Umständen die Dichte der nukleophilen Gruppen auf der Substratoberfläche.

Die Konzentration auf ein solches Verfahren wird deutlich, wenn man beachtet, dass Atmosphärendruck-Plasma-Prozesse sich – verglichen mit anderen Gasphasenbeschichtungs-Prozessen– durch geringe Investitionskosten, hohe Behandlungsgeschwindigkeiten sowie gute Skalierbarkeit auszeichnen. Zudem existieren verschiedene, industriell etablierte Behandlungs-Quellen für flache, gekrümmte oder dreidimensionale Substrate.

Transparenz und Nachverfolgbarkeit bei Produkten durch Pigment-Signaturen

 75 Prozent aller Konsumenten geben bei Umfragen typischerweise an, dass sie nachhaltige Produkte kaufen würden, wenn sie sich über die positive Wirkung klarer wären, beziehungsweise den Claims glauben könnten. Für die Industrie heißt das, eine umfangreiche und vollständig transparente Nachfolgbarkeit zu kreieren, um den Kunden, gar den Verbraucher, auch zu überzeugen und nicht nur auf dessen „blindes“ Vertrauen zu setzen. Sie muss präzise darlegen, was sich in der Wertschöpfungskette abspielt und wo der Ursprung des Rohmaterials ist.

Ein solcher „optischer Fingerabdruck" hat dabei immer zum Ziel, bereits möglichst früh im bestehenden Produktionsprozess ein Teil des zu schützenden Produkts selbst zu werden und dabei weder die Produkt-Charakteristika noch den Prozess der Herstellung zu beeinflussen. Mit Pigmenten wie etwa „Cotton 4.0“ von Tailorlux scheint diese Hürde genommen.

Gerade im Bereich zertifizierter Bio-Baumwolle werden bestimmte Zusätze zur Baumwolle äußerst kritisch gesehen, wie Matthias Funke von Tailorlux in den „Melliand Textilberichten 1/19“ berichtet. Das optische Fingerabdruck-Verfahren des Münsteraner Unternehmens basiert auf Lumineszenz, auf anorganischen Stoffen, die chemisch inert und ungiftig sind. Aufgrund der äußerst hohen Emissions-Intensität für UV-Licht wird eine extrem geringe Konzentration von Pigmenten benötigt, um durch Sensoren eine zuverlässige Messung zu ermöglichen.

Nachfolgbarkeit ohne das Produkt zu beeinflussen

Ganz entscheidend bei dieser Form der Markierung ist, dass die Einbringung begrenzter Mengen an Fremdfasern innerhalb des Spinnprozesses nur einen minimalen Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften des Halbzeugs und der Fertigprodukte erzeugt.

Wie kann man das erreichen? Nun, zur Markierung werden die Pigmente in eine präparierte Faser eingebracht. Diese Faser kann aus verschiedenen Basismaterialien bestehen, identische Markerfasern werden dann mittels einer Faserdosier­Maschine in der Baumwollmühle in die zu markierende Charge Baumwolle eingebracht.

Aufgrund der minimalen Konzentration werden diese durch Systeme zur Fremdfasererkennung nicht aussortiert, sondern werden wie etwa die Baumwolle selbst weiter verarbeitet. Die Markierung wird so ausgesprochen homogen im Rohstoff verteilt und damit de facto jeder Stelle der fertig produzierten Gewebe nachweisbar. Tatsächlich ist durch eine entsprechende Sensortechnologie ist eine Verifizierung der Markierung in 1-3 Sekunden möglich.

Prüfungen an jedem Punkt der Wertschöpfungskette

Auf diese Weise sind Prüfungen quasi an jedem Punkt der Wertschöpfungskette durchführbar und das denkbar einfach. Ein entscheidender Punkt gegenüber Technologien, die auf Laboranalysen setzen, ist, dass diese praktisch nicht feldtauglich sind. Ein Grund dafür ist zweifellos, das gemeinhin die Verarbeitung der Rohmasse zwecks Auslastung in einer Geschwindigkeit erfolgt, die dafür sorgt, dass einfach an keiner Stelle ein Eingriff – basierend auf Mess-Ergebnissen – möglich ist.

Die Messdaten werden bei modernen Verfahren wie „Cotton 4.0“ direkt in eine Cloud geladen, was bedeutet, dass die Verifizierung der Zertifikate permanent verfügbar sind – für Produzenten, Händler und Konsumenten gleichermaßen.

Neue Polyamide: Besserer Flammschutz und verbesserte physikalische Eigenschaften

Eine typische Textilprobe lodert nicht wie üblich plötzlich auf, sondern fängt nur zögerlich an zu schmelzen. Das Gewebe zieht sich dabei zuerst nur zusammen, erst sehr verspätet fallen dunkle Polymertropfen herunter ... Ein hervorragendes Ergebnis beim Flammschutz, das durch eine Neuentwicklung der „Deutschen Institute für Textil- und Faserforschung“ (DITF) möglich wurde. Wie das Fachmagazin „Melliand Textilberichte“ berichtet, gelang es damit erstmals eine Art intrinsischen Flammschutz zu erzielen, denn die Eigenschaften sind direkt Teil der Polymerketten des Materials.

Üblicherweise werden flammhemmende Phosphorverbindungen als Additive den Polymeren zugesetzt. Hierbei werden jedoch große Mengen an Phosphorverbindungen benötigt, um eine gute Brandschutzwirkung zuerzielen.Und das geschieht meist auf Kosten der physikalischen und physiologischen Eigenschaften der Textilien.

Entgegen der üblichen Verfahren Flammschutzeigenschaften durch Phosphorverbindungen als Zuschlagstoff dem Polymer beizugeben, konnten die Denkendorfer Forscher diese bei dem neuen Verfahren in geringen Konzentrationen direkt in die Polymerketten einbauen. Das geschieht direkt während der Polykondensation, also der Synthese des Kunststoffs in Reaktorkesseln.

Generell ist das Ziel möglichst langkettige Moleküle entstehen zu lassen, um so gute Eigenschaften für eine spätere Verspinnbarkeit des Polymergranulats zu textilen Fasern zu garantieren.

Weniger Phosphatverbindungen bei gleichen Eigenschaften

Ein Problempunkt traditioneller Herstellungsverfahren ist, dass wenn größere Mengen an Phosphorverbindungen als Additiv zugesetzt werden diese verhindern, dass lange Molekülketten entstehen – sie wirken somit als Kettenabbrecher. Der resultierende Kunststoff lässt sich nur sehr schwer zu Fasern verarbeiten und dazu tritt durch Alterung und Waschvorgänge das Additiv mit der Zeit aus der Faser heraus.

Das neue Verfahren lässt Verbindungen chemisch an die Molekülketten ankoppeln und erreicht damit, dass diese viel fester an das Polymer gebunden werden – mehr, als das bei Additivzumischungen überhaupt möglich wäre.

Durch die Reduzierung der benötigten Flammschutzmittel lässt sich das erzielbare Molekulargewicht wahrend der Synthese deutlich besser steuern, so das Fachmagazin. Es können auf diese Weise genau die Viskositäten eingestellt werden, die eine optimale Verspinnbarkeit des Polymers zu Fasern garantieren.

Außerdem verhindert die chemische Anbindung der Flammschutzmittel an die Polymere eine alterungsbedingte Migration und Auswaschung aus den Fasern, wie sie bei der Verwendung von Additiven üblich ist.

In ihrer Anwendung spielen solche Textilien ausintrinsisch flammgeschützten Polyamiden besonders da ihre Vorteile aus, wo hohe Flammschutzanforderungen an die Materialiengestelltwerden. Also üblicherweise im Heimtextilbereich mit Teppichen, Polster­ und Sitzbezügen sowie Gardinen