Entwicklung eines halogenfreien Flammschutz­konzepts für flexible Kunststoffbahnen aus Polyurethan

BMWK IGF 20855 BR | Laufzeit: 12.2019 – 11.2021 Miriam Bader, Maren Lehmann, FILK Freiberg
  • Categories:
  • Funktionale Schichtsysteme
  • Technische Textilien/Composite

Ausgangssituation

Halogenhaltige Kunststoff­erzeugnisse und Flamm­schutz­mittel (FSM) weisen meist eine gute flamm­hemmende Wirkung auf, setzen jedoch im Brand­fall umwelt­schädliche und korrosive Gase frei. Kunst­stoff­bahnen aus Polyurethan (PUR) stehen immer mehr im Fokus als umwelt­freundlichere und leistungs­starke Alternativen zu bisher üblichen PVC-basierten Produkten. Jedoch ist die Erfüllung bestimmter Brand­schutz­normen für PUR-Kunst­stoff­bahnen ein schwieriges Unter­fangen. Derzeit fehlen ökonomische, ökologische sowie produkt­spezifische Entscheidungs­hilfen zur Erreichung eines anspruchs­vollen Flamm­schutz­konzeptes.

Projektziel

Ziel des Projekts war die Entwicklung eines optimierten Flamm­schutz­konzepts für Kunst­stoff­bahnen aus PUR mit Hilfe verschiedener halogen­freier FSM. Es sollte eine systematische Übersicht zur Wirkung von FSM und FSM-Kombinationen als Entscheidungs­hilfe für die Industrie bei der Produkt­entwicklung resultieren.

Lösungsweg

Folien und ein Kunst­leder­verbund basierend auf einem aromatischen PUR-High-Solid-System wurden mit verschiedenen FSM und FSM-Kombinationen hergestellt und hinsichtlich der thermischen und Brand­eigen­schaften analysiert. Untersucht wurden weiterhin verschiedene FSM-Konzentrationen, die Einbringung der FSM in verschiedene Schichten des Kunstleders und der Einfluss von Synergisten.

Ergebnisse | Nutzen

Als halogenfreie FSM wurden vier verschiedene phosphor­basierte FSM und Aluminium­hydroxid ausgewählt. Um die thermischen Eigenschaften und das Brand­verhalten zu analysieren, wurden die Thermo­gravimetrische Analyse (TGA), die Cone Kalorimetrie, die LOI-Wert-Bestimmung und die vertikale und horizontale Brand­prüfung (in Anlehnung an DIN 75200 und DIN EN ISO 15025) durchgeführt. Die wichtigsten Ergebnisse sind:

  • Die FSM wirken in Folien und im Zwischen­strich des Kunst­leder­verbundes unterschiedlich. Daher ist keine vereinfachte Prüfung möglich, indem lediglich der Zwischen­strich als Folie untersucht wird.

  • Die Erhöhung der FSM-Konzentration führt nur bei den Kunst­leder­proben zu einer Verbesserung der brand­hemmenden Eigenschaften, aber hier auch nur geringfügig.

  • Die Kombination zweier FSM im Zwischen­strich des Kunst­leders führt nur bei einer der zwei untersuchten Kombinationen zu einer Verbesserung und ist abhängig vom Mischungs­verhältnis.

  • Das Einbringen eines FSM im Deck­strich führt zu einer vorteil­haften Erhöhung des Sauerstoff­indexes und die Proben waren in der Oberflächen­beflammung (analog DIN ISO 15025) selbst­verlöschend.

  • Die Zugabe von einem Schicht­silikat oder einem sterisch gehinderten Amin (HALS) als Synergisten zu den FSM führte bei den Kunst­ledern zu keiner wesentlichen Verbesserung des Brand­verhaltens.

  • Die Mehrzahl der FSM wurde als Feststoff in das PUR-System eingearbeitet und sorgten für eine leichte Erhöhung der Festigkeit und Reduktion der Dehnbarkeit. Nur der eingesetzte Phosphat­ester wirkt weich­machend, was aus anderen Anwendungen bereits bekannt ist.

  • Emissionsmessungen (VOC und FOG) zeigen, dass die FSM für eine Erhöhung der Emissionen sorgen, aber nur der Phosphat­ester und die organische Phosphor­verbindung waren über dem Grenz­wert. Über­raschend hat sich gezeigt, dass obwohl die FOG-Werte von ATH als FSM unter dem Grenzwert lagen, gesundheits­schädliche Substanzen im Kondensat nachgewiesen werden konnten. Zurückzuführen ist dies auf die enthaltenen Verarbeitungs­hilfs­mittel.

Die Ergebnisse zeigen, dass das Brand­verhalten differen­ziert betrachtet und die Effizienz von FSM bewertet werden muss je nach Anwendung, Prüf­methode und Material (Folie vs. Kunstleder). Die komplexe Thematik der verschiedensten Prüf­methoden und Bewertung des Brand­verhaltens lässt viel Potential für weitere Forschungs­projekte.

   

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Danksagung

Das IGF-Vorhaben 20855 BR der Forschungs­vereinigung „FILK Freiberg Institute gGmbH, Meißner Ring 1 – 5, 09599 Freiberg“ wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der „Industriellen Gemeinschafts­forschung und -entwicklung (IGF)“ vom Bundes­ministerium für Wirtschaft und Klima­schutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundes­tages gefördert. Wir bedanken uns für die gewährte Unter­stützung.

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