Feuer ohne das Gewicht standhalten

Die Liste der mechanischen Funktionen, die Verbundwerkstoffe erfüllen sollen, ist bekannt und lang:Festigkeit, Steifigkeit, Zähigkeit, Haltbarkeit, Witterungsbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Schlagzähigkeit, Feuerbeständigkeit. Diese letzte Anforderung wird von Verbundwerkstoffen seit vielen Jahren erfüllt. Die Branche verzeichnet jedoch einen steigenden Bedarf an Brandverhalten, angetrieben durch die Entwicklung von Elektrofahrzeugen (EVs) – sowohl am Boden als auch in der Luft – und schließlich durch die zunehmende Durchdringung des feuerbewussten Schienenverkehrs, der Schifffahrt und des Bauwesens Märkte.

Materiallieferanten reagieren, wie hier gezeigt wird, auf diesen Marktsog, aber die Industrie kann sich nicht nur auf traditionelle Brandschutzlösungen verlassen, um die Anforderungen dieses Marktes zu erfüllen. Furan- und Phenolharze sind beispielsweise seit langem Lösungen für feuerbeständige Verbundwerkstoffe. Sie werden jedoch durch Kondensationsreaktionen vernetzt, was die Verarbeitung erschwert und oft Porositäten erzeugt, die mehrere Arbeitsgänge erfordern, um eine gute Oberflächengüte zu erzielen. Sie neigen auch dazu, spröde zu sein. In der Zwischenzeit erfordern Flammschutzmittel wie Aluminiumtrihydroxid (ATH), die Harzen zugesetzt werden, um Feuerbeständigkeit zu verleihen, typischerweise eine Beladung von 20 Vol.-%, was die Verarbeitung, die mechanischen Eigenschaften und die Oberflächenbeschaffenheit nachteilig beeinflussen kann. Inzwischen sind halogenierte Flammschutzmittel, einst eine attraktive Alternative, nun durch europaweite Vorschriften wie REACH und RoHS verboten. Daher forscht und entwickelt die Verbundwerkstoffindustrie weiter an neuen Lösungen.

Feuerbeständige Materialien müssen auch den Bewohnern im Brandfall ausreichend Zeit und Schutz bieten, um zu entkommen. In strengsten Anwendungen bedeutet dies nicht nur die Verhinderung der Flammenausbreitung, der Wärmeabgabe, der Temperaturübertragung und der giftigen Rauchentwicklung, sondern auch die Aufrechterhaltung der Belastbarkeit des Verbundwerkstoffs für bis zu 60 Minuten.

FR-Methoden und -Maßnahmen

Im Allgemeinen brennen anorganische Fasern (z. B. Glas, Kohlenstoff, Basalt, Keramik) und anorganische Matrixmaterialien (z. B. Keramik/Kohlenstoff, Metalle, Polysialat/Geopolymere) nicht und viele halten hohen Temperaturen stand. Die meisten Bio Fasern und Polymermatrizes zersetzen sich bei hohen Temperaturen und Feuer (Abb. 1) und können außerdem brennbare Gase und giftigen Rauch freisetzen. KEVLAR Para-Aramid und NOMEX Meta-Aramid organische Fasern sind bemerkenswerte Ausnahmen, da es sich um organische Fasern mit inhärent flammbeständigen chemischen Strukturen handelt.

Die Brandleistung eines Verbundwerkstoffs wird anhand einer Vielzahl von Eigenschaften gemessen, darunter Zündfähigkeit, Selbstverlöschungsfähigkeit, Flammenausbreitung, Durchbrennen, Wärmefreisetzung, Rauchentwicklung und Rauchtoxizität. Eine weitere häufig zitierte Anforderung ist der limitierende Sauerstoffindex (LOI), der die minimale Sauerstoffkonzentration (in Volumenprozent) misst, die für die Verbrennung erforderlich ist; somit bedeutet ein höherer LOI eine höhere Flammbeständigkeit. Die Standardtests für diese Leistungsmessungen variieren je nach Branche und reichen in der Größe der Testproben von kleinen Coupons bis hin zu großmaßstäblichen Konstruktionen, die für den Einsatz im Betrieb repräsentativ sind. Weitere Details finden Sie in der Online-Seitenleiste „Messen und Verbessern des Feuerwiderstands in Verbundwerkstoffen“.

Es gibt zwei Hauptansätze zur Verbesserung des Brandverhaltens von Verbundwerkstoffen:Erhöhen Sie die Flammwidrigkeit der Matrix- und/oder Verstärkungsfasern oder stellen Sie eine Schutzbeschichtung bereit.

Fasern kann mit Flammschutzmitteln (FR) wie Borax/Borsäure-Gemischen und Ammoniumsalzen starker Säuren behandelt werden. Flammhemmung in Matrixharzen kann durch drei grundlegende Verfahren verbessert werden:Einbau einer FR-Verbindung in das Polymerrückgrat; Mischen von FR-Verbindungen, Partikeln und/oder Nanomaterialien in das Harz; oder Hinzufügen eines Intumeszenzmittels zu der Matrix. Intumeszenzmittel sind Substanzen, die durch Hitze aktiviert werden, um sich auszudehnen und eine poröse, kohlenstoffhaltige Kohle zu bilden, die den darunter liegenden Verbundstoff thermisch isoliert und die Produktion von brennbaren flüchtigen Stoffen hemmt. Beschichtungen können FR-Additive oder Intumeszenzmittel verwenden.

FR-Additive können mehrere Mechanismen nutzen, um die Zersetzung von Verbundwerkstoffen, die Wärmefreisetzung und die Flammenausbreitung zu verlangsamen. Zum Beispiel können sich Additive über eine endotherme Reaktion zersetzen, wodurch der Verbundstoff abgekühlt wird. Bei dieser Zersetzung können auch Wasser und nicht brennbare Gase entstehen, die die Konzentration entzündlicher Gase verdünnen. Zusätze können auch verkohlen und/oder eine gasförmige Schicht erzeugen, die Sauerstoff ausschließt und das Feuer erstickt. Häufig werden zwei oder mehr FR-Mittel synergistisch kombiniert, um die Brandleistung eines Verbundwerkstoffs zu erhöhen und zu verbreitern – zum Beispiel kann eine FR-Verbindung die Wärmefreisetzung reduzieren, während die nächste Rauch reduziert und die dritte Verkohlung erzeugt.

FR-Optionen für die Infusion

Genau den Systemansatz verfolgt der Materiallieferant SAERTEX (Saerbeck, Deutschland) mit seinen FR-Produkten der LEO-Serie, zu denen neben den Gelegeverstärkungen (NCF) auch FR-Schaumkerne und ATH-gefüllte oder intumeszierende Beschichtungen gehören. Das erste Produkt der Serie, LEO SYSTEM, das 2013 auf den Markt kam, kombiniert FR-behandelte SAERTEX-Gewebe mit FR-Harzen und FR- oder Intumeszenz-Gelcoats. „Wir wollten die Lücke zwischen Brandverhalten und mechanischer Leistung schließen“, erklärt Jörg Bünker, SAERTEX Leiter F&E/Anwendungsservice bei LEO. „Mit LEO SYSTEM ist es möglich, einen hohen Ballaststoffgehalt und . zu erreichen hohe Feuerleistung. Wir begannen mit einem modifizierten Gewebe und Vinylester-Infusionsharz, das kein ATH oder andere Füllstoffe verwendet, sondern stattdessen mit flüssigen Flammschutzmitteln behandelt wird. Es vermeidet auch alle Halogene und Bromide, also keine giftigen Materialien, was bedeutet, dass kein giftiger Rauch oder Dämpfe vorhanden sind.“

Das SAERTEX LEO SYSTEM kommt in den Böden von 66 ICE-Hochgeschwindigkeitszügen der Version 3 in Deutschland zum Einsatz und reduziert das Gewicht gegenüber bisherigen Sperrholzplatten um 50 % (Bild 2). Die Verbundplatten sind durchschnittlich 2,4 x 1,2 m groß und bestehen aus einem SAERfoam-Kern, Glasfaser-NCF-Haut, LEO-Infusionsvinylesterharz und einer LEO-Schutzschicht im Finish. Mittels Vakuuminfusion mit wiederverwendbaren Silikonmembranen von Alan Harper Composites (Cornwall, UK) werden die Bodenplatten von SMT Montagetechnik (Forst, Deutschland), dem Exklusivlieferanten der Deutschen Bahn, auf 25.000 m² produziert von Tafeln für die 66 achtteiligen Züge.

Bünker sagt, dass LEO SYSTEM gut angenommen wurde, „aber einige Kunden wollten Epoxid-, Polyester- oder thermoplastische Harze verwenden, also haben wir LEO COATED FABRIC entwickelt.“ SAERTEX bringt die intumeszierende Beschichtung nach der Gewebeherstellung auf. „Es imprägniert die Fasern etwas und ermöglicht so eine gute Verbindung zum Verbund“, erklärt er. „Es kann sich nicht wie manche Farben abnutzen oder abkratzen. Im Brandfall bildet die intumeszierende Beschichtung einen Schaum, der den Verbundstoff gegen Flammen und Wärmeenergie isoliert. Es bietet Feuerwiderstand für tragende Konstruktionen ohne Rauch oder giftige Dämpfe und erfüllt höchste Anforderungen.“ LEO COATED FABRIC wird in Rollen geliefert und wie jedes andere Infusionsgewebe verwendet. „Das einzige, was man aufpassen sollte“, warnt Bünker, „ist, wenn man es als oberste Schicht unmittelbar vor dem Vakuumbeutel verwendet, da man durch diese Schicht nicht auf darunter liegende Laminatschichten imprägnieren kann.“

Das dritte Produkt, SAERcore LEO, „ist ein Mikro-Sandwich-Material, das auf beiden Seiten eines speziell FR-modifizierten Polypropylen-(PP)-Kerns aus geschnittener Strandmatte (Glasfaser) besteht“, sagt Bünker. „Diese Materialkombination lässt sich leicht drapieren und sorgt für einen guten Harzfluss während der Infusion.“ SAERcore LEO wird im Light Resin Transfer Moulding (Light RTM) Verfahren mit einer Gegenform in ein Formwerkzeug eingelegt. „Über die Kavität zwischen Werkzeug und Gegenform können Sie die Teiledicke einstellen“, sagt er, „und können im Voraus berechnen, wie viel Harz Sie wollen.“ SAERcore LEO ist in verschiedenen Dichten und Dicken erhältlich und kann mit Vinylester-, Epoxid- und Polyesterharzen verwendet werden. „Wenn Sie FR-Methoden kombinieren möchten, können Sie dem Harz ATH hinzufügen“, sagt Bünker. „Das Material wurde am häufigsten bei Polyester-RTM-Anwendungen verwendet. Wir haben die Verwendung eines gefüllten Harzes und Gelcoats von Scott Bader vorgeschlagen, da es getestet wurde und gut funktioniert.“

Alle drei SAERTEX LEO-Produkte haben die europäische Norm für Bahnanwendungen EN 45545, einschließlich der strengsten HL3-Klasse für U- und Hochgeschwindigkeitszüge, erfüllt. SAERcore LEO wird vom globalen Anbieter von Bahnprodukten BARAT Group (Saint Aignan, Frankreich) zur Herstellung von Zugangstüren für die SMILE-Hochgeschwindigkeitszüge von Stadler (Bussnang, Schweiz) eingesetzt. Die Türen verfügen über komplexe geformte Bereiche, die aus einem Stück unter Verwendung von RTM mit FR-Harzen hergestellt werden.

SAERTEX LEO-Produkte haben auch ASTM E84 für Bauanwendungen bestanden und wurden von Carbures Civil Works Spain (Puerto de Santa Maria, Cadiz) verwendet, um Kernplatten für das Leichtbaudach des Pavillons der Inspiration im Hauptsitz der Norman Foster Foundation (Madrid, Spanien). „Diese Art der Anwendung passt auch gut zu SAERTEX COATED FABRIC, weil sie typischerweise große, flache Platten mit ähnlichen Anforderungen an die Isolierung wie Schiffsabschottungen verwenden, die beispielsweise ein bestimmtes Temperaturprofil nach 30 und 60 Minuten Feuereinwirkung vorschreiben“, Bünker sagt.

Intumeszierende Schleier

Eine andere feuerbeständige Lösung für den Einsatz in Verbundwerkstoffen sind intumeszierende Schleier. Tecnofire ist eine Familie intumeszierender Vliesstoffe, die von Technical Fiber Products (TFP, Burneside Mills, Großbritannien und Schenectady, NY, USA) im Nasslegeverfahren hergestellt werden (Abb. 1). Die in Rollenform hergestellten Produkte reichen von 0,4 bis 10 mm Dicke (0,5 bis 2,0 mm sind am häufigsten). Seine maximale Breite beträgt 50 Zoll und es kann in Bänder bis zu einer Breite von 0,25 Zoll geschnitten werden. Tecnofire kann mit Pultrusions-, RTM- und Vakuuminfusionsprozessen mit einer Reihe von Harzen verwendet werden, darunter Epoxid, Vinylester, ungesättigter Polyester, Thermoplaste und FR-modifizierte Systeme von Ashland (Columbus, OH, USA) und Polynt (Carpentersville, IL, USA).

„Wenn Tecnofire-Materialien 190 °C erreichen, werden sie aktiviert und dehnen sich unidirektional in z-Richtung bis zum 35-fachen ihrer ursprünglichen Dicke aus“, erklärt Scott Klopfer, Business Development Associate bei TFP. „Diese irreversible Ausdehnung bildet eine isolierende Kohleschicht. Tecnofire wird normalerweise an der Oberfläche eines Teils verwendet, wo es während eines Brandes Hitze und Flammen ausgesetzt wäre.“ Tecnofire wurde speziell entwickelt, um während eines Brandes stabil zu sein und darunterliegende Strukturen zu schützen.

„Wir haben viele Freiheiten, was wir in dieses Material einbringen können, einschließlich verschiedener Arten von Fasern und Partikeln“, erklärt Klopfer. „Wir passen die Zusammensetzung für jede Anwendung an. Zum Beispiel können wir ATH während des Tecnofire-Herstellungsprozesses als Pulver hinzufügen und gleichmäßig im Material verteilen.“ Er stellt dies dem traditionellen Verfahren der Zugabe von ATH zum Matrixharz gegenüber, das zu einer erhöhten Viskosität führen kann. „Außerdem kann das ATH während des Formprozesses ungleichmäßig migrieren oder filtern“, sagt Klopfer. „Tecnofire vermeidet diese Probleme.“

TFP hat seit der Gründung von Tecnofire im Jahr 2005 mehr als 100 Versionen entwickelt, wobei 10-15 Sorten kommerziell verwendet werden. Einer hat bereits Epoxidharz infundiert, erhältlich in 4-mal-8-Fuß-Blättern, wie Sperrholz. „Dies wurde für eine Branche entwickelt, in der ein Furniermaterial benötigt wurde“, erklärt er. „Es ist einer der höchsten Expander. Wir haben auch eine patentierte Version, die mit metallbeschichteten Fasern für einen leitfähigen, feuerbeständigen Verbundstoff elektrisch aktiviert wird. Aber unabhängig von der Qualität wird Tecnofire zu einem integralen Bestandteil des Verbundwerkstoffs.“

Zu den Anwendungen gehören durchgehende Profile mit eingebautem Brandschutz für den Einsatz in Dachsystemen, Fenster- und Türrahmen, Stahlträgerverkleidungen und modulare Verbundgehäusebausätze. „Es wird auch für 45- und 90-Minuten-Türen verwendet und bietet eine Lösung, um die UL 10C-Überdrucktests von Türbaugruppen zu bestehen“, sagt Klopfer. „Dieser Standard stellt sicher, dass Türen intakt bleiben, um eine Ausbreitung von Flammen und heißen Gasen zwischen den Räumen zu verhindern. Am Ende des Tests muss die Tür einem Hochdruck-Wasserlöschschlauch standhalten und dennoch unversehrt bleiben, um an Ort und Stelle zu bleiben.“

Siehe „

Biobasierte FR-Prepregs

Polyfurfurylalkohol (PFA) ist ein duroplastisches Harz, das die phenolische Leistung mit besserer Oberflächenverarbeitung und Nachhaltigkeit erfüllt. Seine Herstellung beginnt mit Hemicellulose aus Biomasse – Maiskolben, Reis- und Haferschalen oder Zuckerrohrabfällen (Bagasse) – die in den Furan-basierten Furfurylalkohol umgewandelt und dann (über Säurekatalysatoren oder Temperatur) zu PFA polymerisiert werden. „Glas/Phenol ist so lange das bevorzugte Material, aber wenn Sie die Gewichtsreduzierung beschleunigen möchten, schauen Sie sich Kohlefaser und PFA an“, sagt Gareth Davies, Commercial Manager beim Prepreg-Anbieter Composites Evolution (Chesterfield, Großbritannien). ). Seine Evopreg PFC-Prepregs kombinieren PFA-Harz und Verstärkungen wie Flachs, Glas, Aramid, Basalt oder Kohlefaser und haben FAR 25.583 Flamm-, Rauch- und Toxizitätstests (FST) für Flugzeuginnenräume sowie EN 45545 Klasse HL3 für Schienenverkehr bestanden.

Ein weiteres Unternehmen, das PFA-Prepregs anbietet, ist SHD Composites (Sleaford, Lincolnshire, UK). Das Unternehmen wurde 2010 von Steve Doughty, einem 20-jährigen Verfahrensentwicklungsingenieur bei der Advanced Composites Group, gegründet. SHD Composites ist stark gewachsen und hat Fabriken in Slowenien und Mooresville, NC, USA, hinzugefügt. Es bietet zwei Phenolharzprodukte auf PFA-Basis:FR308 und PS200.

Entwickelt als Phenolersatz für Flugzeuginnenräume, erfüllt FR308 alle FST-Anforderungen für Flugzeuge sowie EN 45545 HL3 für den Schienenverkehr. PS200, das die Brandschutzanforderungen der Europäischen Agentur für Flugsicherheit (EASA) für Flugzeugbatterien erfüllt, ist bereits bei Herstellern von Flugzeugen der Allgemeinen Luftfahrt im Einsatz. In einem Labortest, bei dem thermische Durchgehensbedingungen für Lithium-Ionen-Batterien nachgestellt wurden, bewies ein mit PS200 hergestellter Prototyp einer Batteriebox seine Leistungsfähigkeit. „Obwohl die Innentemperatur 1.100 °C erreichte, überstieg die Außentemperatur nie 250 °C und die Box verbrannte oder zersetzte sich nie“, sagt Nick Smith, technischer Direktor von SHD Composites. Das Unternehmen arbeitet jetzt mit mehreren Elektrofahrzeug-Engineering-Unternehmen an Batteriekästen für Autos und andere Fahrzeugtypen.

Sowohl PS200 als auch FR308 sind so formuliert, dass sie sich wie ein Epoxidharz handhaben lassen und normalerweise bei 120-130 °C in einer Stunde aushärten. Beide bestehen auch BS 476, die britische Materialspezifikation für Gebäudeinnenräume, die Smith als einen beträchtlichen aufstrebenden Markt ansieht.

Smith hebt die Schiene als einen weiteren Markt für PFA-Materialien hervor, der sich schnell entwickelt. „Wir bieten für ziemlich große Projekte“, fügt er hinzu. Davies stimmt dem zu und zitiert mehrere Exponate auf der Internationalen Fachmesse für Verkehrstechnik InnoTrans 2018 in Berlin, darunter den U-Bahn-Zug CETROVO des weltgrößten Schienenfahrzeugherstellers China Railway Rolling Stock Corp. (CRRC, Peking), der aus einem Kohlefaserverbundstoff besteht Wagenkasten, Drehgestellrahmen und Fahrerhausausrüstungsschränke. In der Zwischenzeit hat Composites Evolution mit dem Verbundstrukturhersteller Bercella (Varano de Melegari, Italien) zusammengearbeitet, um einen leichten Verbundträger für Schienensitze zu entwickeln (Abb. 3). „Es ist ein ziemlich klobiger, schwerer Teil im Metal“, sagt Davies. Das 1m lange Teil aus Kohlefaser Evopreg wiegt jedoch weniger als 5 kg. „Multiplizieren Sie die Gewichtseinsparung mit der Anzahl der Sitzträger pro Triebwagen, und die Neukonstruktion des Verbundwerkstoffs reduziert die Achslast erheblich.“

Biobasiertes PFA-Prepreg ist auch in einem von TRB Lightweight Structures (Huntingdon, UK) entwickelten Sandwichpaneel-Türblatt aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) enthalten. Im Vergleich zu verklebten Aluminium-Türblättern spart diese nachhaltige CFK-Alternative mit 100 % Recyclingschaumkern 35 % Gewicht – von 40 auf 26 kg – bei vergleichbaren Stückkosten. Das leichte Türblatt von TRB erfüllt EN 45545 HL3 mit einer erwarteten Lebensdauer von 40 Jahren und bietet im Vergleich zu Aluminium eine überlegene Ermüdungsbeständigkeit und niedrigere Wartungskosten sowie ein leichteres Türbetätigungssystem für weitere Gewichts- und Energievorteile.

Obwohl sowohl Composites Evolution als auch SHD Composites auch FR-Epoxidharze anbieten, sagt Davies, dass in Bezug auf die Testdaten „sie nicht die volle FST-Leistung von PFA-basierten Harzen bieten können und sie teurer sind“. Smith stellt fest, dass FR-Epoxidharze immer noch eine höhere Zähigkeit aufweisen, „aber PFA-Harze haben eine bessere Zähigkeit als Phenolharze, und wir arbeiten an Formulierungen, um diese weiter zu verbessern. Außerdem verlangsamen die Flammschutzmittel in FST-Epoxidharzen die Wirkung von Feuer, aber sie brennen trotzdem und geben giftige Dämpfe ab. Wenn PFA verbrennt, setzt es nur CO₂ . frei — es entsteht kein giftiges Gas.“

PFAs können auch herkömmliche Phenole in Bezug auf die Oberflächenbeschaffenheit übertreffen. „Das ist ein großes Thema im Flugzeuginnenraum“, erklärt er. „Hersteller wollen beim ersten Mal eine bessere Teilequalität ohne Nacharbeit. In der Vergangenheit waren FR-Verbundwerkstoffe schwieriger zu verarbeiten und erforderten aufgrund der Porosität mehrere Runden der Oberflächenvorbereitung. PFA-Systeme bieten ein verbessertes Oberflächenfinish mit erhöhtem Glanz. Dies wird durch das Horizon 2020-Projekt IntAir bestätigt, das gezeigt hat, dass der direkte Ersatz von Phenolharz durch PFA-Prepreg die Formzykluszeit um 34 %, die manuelle Nachbearbeitung um 70 % und die Kosten der endgültigen Innenausstattungskomponenten um 58 % reduzierte.

Beseitigung organischer Materialien

Es gibt auch neue Verbundtechnologien, die Feuerbeständigkeit erreichen, indem sie vollständig auf organische Materialien verzichten und sich ausschließlich auf anorganische Fasern und Polymere verlassen. Anorganische Polymere sind traditionell teuer und/oder schwer zu verarbeiten. Einige sind auch spröde und/oder empfindlich gegen Kerb- und Schlagschäden. Jedoch können Polysiloxan, Polysilan und Polysialat/Geopolymer in ein Harz eingemischt oder in das Grundgerüst organischer Polymere synthetisiert werden, ebenso wie die anorganischen Basismonomere. Dieser Ansatz wurde erfolgreich in der FR-Entwicklungsarbeit mit Polypropylen-, Polyethylen-, Epoxid-, Polyvinyl-, Polyester-, Polyamid- und Polyurethanharzen verwendet. Gerade Geopolymere scheinen in der aktuellen Forschung Potenzial zu bieten.

CFP Composites (Solihull, UK) kombiniert gehackte Kohlefasern und anorganisches Harz zu dem so genannten FR.10, das siebenstündige Feuerbeständigkeitstests bei 1.500 °C bestanden hat und dabei fast keinen Rauch oder kein Gas abgibt (Abb. 4). Die Materialien bieten eine kostengünstige, strukturelle Alternative zu Metall mit geringem Gewicht – 2 mm dickes FR.10 wiegt weniger als 3 kg/m ² und 5 mm dick ist weniger als 6 kg/m ² . FR.10 hat auch die strukturellen Tests unter Last bestanden, hält direkter Flamme bei 1.200 °C für zwei Stunden ohne Durchbrennen stand und bietet gleichzeitig genügend Wärmedämmung, um eine bloße Hand auf der Rückseite vollständig zu berühren. Es ist in Platten von 1,3 x 0,8 m in Dicken bis zu 20 mm erhältlich und kann mit herkömmlichen Befestigungselementen oder Klebstoffen einfach verbunden oder verklebt werden.

Das Verfahren zur Herstellung von FR.10 kombiniert die geschnittenen Fasern und das anorganische Harz in einer wassergefüllten Mischung. Diese Mischung wird dann freigegeben, wodurch in Sekundenschnelle vollständig harzinfundierte flache und netzförmige Preforms mit Faserstruktur in x-, y- und z-Richtung hergestellt werden. Diese werden dann in eine 1.000-MT-Presse überführt und zu flachen Platten oder Formteilen formgepresst. „Wir können sehr schnell und ohne Ausschuss leichte Teile herstellen“, sagt Simon Price, Geschäftsführer von CFP Composites. Dieses weltweit patentierte Verfahren ermöglicht niedrigere Kosten im Vergleich zu herkömmlichen Verbundwerkstoffen, während die anorganische Zusammensetzung eine höhere Brandleistung bietet. „Die beiden größten Hürden für die Einführung von Verbundwerkstoffen im Bauwesen, in schweren Schiffen sowie in der Öl- und Gasindustrie sind Kosten- und Brandschutzvorschriften“, sagt Price. „Wir erschließen neue Anwendungen für Verbundwerkstoffe und ersetzen Metalle oder Keramik.“

Eine weitere neue Lösung ist fi:resist für pultrudierte nicht brennbare Profile. Entwickelt wurde es von der FISCO GmbH (Zusmarshausen, Deutschland), einem 2015 gegründeten Joint Venture zwischen dem deutschen Befestigungsspezialisten Fischer (Waldachtal) und dem Fahrzeughersteller Sortimo (Zusmarshausen). Beim European Network for Lightweight Applications at Sea (E-LASS) Seminar Day 2018 (26. Juni, Pornichet, Frankreich) beschrieb Fisco-Produktmanager David Thull fi:resist als Verwendung von 100 % anorganischen Materialien, die bei Flammeneinwirkung keine Dämpfe erzeugen. Außerdem behalten die Matrix und die Glasfasern Berichten zufolge ihre Festigkeit bis zu 1.000°C bzw. 600°C. Das Material bietet außerdem eine hohe Wärmedämmung und erfüllt angeblich die Anforderungen von DIN 4102-1 und EN 13501-1 für die strengsten Baustoffe der Klasse A1.

Thull beschreibt den Einsatz von fi:resist für feuerbeständige Kabelkanäle, die dank der hohen statischen Eigenschaften des Materials größere Spannweiten mit weniger Stützen ermöglichen. Andere vorgeschlagene Anwendungen sind Trennwände auf Schiffen, Decks und Geländer für Schiffsbalkone und feuerfeste Rolltore. Er sagt, dass zukünftige Anwendungen auf die Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie ausgeweitet werden könnten. Fi:resist wurde mit dem JEC Innovation Award 2016 in der Kategorie Bau und Infrastruktur ausgezeichnet.

Weiterführende Entwicklung

Nanoclays sind ein weiterer Bereich mit bedeutender Entwicklung, der das Potenzial für eine hohe FR-Leistung bei geringen Kosten zeigt. Sie fördern die Bildung von Verkohlung und aufgrund ihrer sehr kleinen Partikelgröße und Dispergierfähigkeit im Submikrometerbereich werden im Vergleich zu Additiven im Makrobereich geringere Mengen an Nanotonen benötigt. Bei gleichmäßiger Dispergierung in einem Harzsystem können Nanotonmengen von 5–10 Gew.-% die Spitzenwärmefreisetzung um 70 % reduzieren. Erste Arbeiten zu Graphen-Nanoplättchen (GNPs) und Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs) haben ebenfalls positive Ergebnisse gezeigt.

Während EU-finanzierte Entwicklungsprogramme wie MAT4RAIL und FIBRESHIP bedeutende Meilensteine ​​bei neuen FR-Materialien und verbesserter Verbundleistung verfolgen, gibt es zahlreiche andere Initiativen mit hohem Potenzial. Zum Beispiel:

• US Navy-Programm zum Ersatz von PMR-15 durch ein nachhaltiges Phthalonitril-Harz auf Resveratrol-Basis;
• Hybridpolymer/anorganische Schäume, die in Indien entwickelt wurden, die ohne FR-Additive selbstverlöschend sind, nicht tropfen oder von Flammen zusammenbrechen und eine um 75 % niedrigere Spitzenwärmefreisetzungsrate aufweisen als kommerziell erhältliche feuerhemmende Polyurethane, die unter Verwendung von Eisgerüsten hergestellt werden und Wasser als Lösungsmittel/Porogen;
• MAI Sandwich-Flugzeuginnenausstattung aus Schaumkern und CFK-Laminaten, alle hergestellt aus Ultrason E Polyethersulfon von BASF (Ludwigshafen, Deutschland), verarbeitet zu 1-3m ² Paneele in weniger als 5 Minuten durch automatisiertes Thermoformen und Umspritzen für FST-konforme Seitenwände, Gepäckfächer, Türen und Bordküchenkomponenten.

(Weitere Details in der Online-Seitenleiste „Messen und Verbessern des Feuerwiderstands in Verbundwerkstoffen“)

„Unser Ziel ist es, dass durch die Bereitstellung einer Vielzahl von Hochleistungsmaterialien die Feuerhemmung für den Kunden nicht zum Hauptthema wird, sondern sich auf die Bedürfnisse des Gesamtprojekts konzentrieren kann“, sagt Bünker von SAERTEX. Tatsächlich ist die Verbundwerkstoffindustrie insgesamt auf einem guten Weg, dieses Ziel zu erreichen.

Referenzen

„Flame Retardant Polymer Composites“ von Mahadev Bar, R. Alagirusamy und Apurba Das, Department of Textile Technology, Indian Institute of Technology Delhi, Neu-Delhi, Indien. Fasern und Polymere 2015, Vol.16, No.4, S. 705-717.

„TR 18001 – Eine Literaturübersicht über die Brandeigenschaften von Naturfaserverbundwerkstoffen“ von Asanka Basnayake, Juan Hidalgo, Luigi Vandi und Michael Heitzmann, UQ Composites Group, University of Queensland, Australien. April 2018.

„Composites and Fire:Entwicklungen und neue Trends bei flammhemmenden Additiven“ von Belén Redondo, Composites Department of AIMPLAS, Plastics Technology Centre, Valencia, Spanien.

CompositesWorld Webinar „Enhancing Composite Fire Protection Using Advanced Nonwovens“, präsentiert von TFP am 31. Januar 2018.