BGS und Biopolymere – neue Einsatzmöglichkeiten in der Elektronik und Elektrotechnik durch Strahlenvernetzung

In einem gemeinsamen Forschungsprojekt der Fraunhofer-Institute WKI und IAP, des Strahlenvernetzungsdienstleisters BGS und weiterer Industriepartner wurden nun erstmals Erfolge bei der Entwicklung biobasierter Flammschutzmittel in Biokunststoffen erzielt. Dadurch könnten Kunststoffe aus 100% biologischen Materialien künftig in der Elektronik und Elektrotechnik eingesetzt werden. Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde die Verarbeitung durch Compoundieren, Spritzgießen und additive Fertigung getestet.

Im Rahmen des dreijährigen Forschungsprojekts standen mehrere Ziele zur Entwicklung neuer Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe für Anwendungen in der Elektronik und Elektrotechnik im Mittelpunkt. Der Schwerpunkt lag auf der Entwicklung eines halogenfreien Flammschutzmittels (Additivs), das in möglichst geringen Mengen und damit kostengünstig in Biokunststoffen eingesetzt werden kann, sowie auf der Klärung, inwieweit die Strahlenvernetzung das Brandverhalten des Materials weiter verbessern kann. "Im Rahmen unseres Teilprojekts zu den Auswirkungen von Elektronenstrahlung auf die neuen Materialien haben wir uns drei Ziele gesetzt", erklärt Dr. Dirk Fischer, Leiter der Abteilung Anwendungsentwicklung bei BGS. „Durch die Strahlenvernetzung der neuen biologischen Materialien wollten wir einerseits die flammhemmende Wirkung erhöhen und andererseits eine Anbindung des Flammschutzmittels an das Biopolymer erreichen. Darüber hinaus wollten wir die Vernetzbarkeit bereits auf dem Markt verfügbarer Biopolymere nachweisen, insbesondere in verschiedenen Rezepturen und unter Verwendung von Holzpartikeln. Die Ergebnisse zur Vernetzbarkeit und zu den daraus resultierenden Eigenschaftsänderungen überzeugen uns davon, dass dies zu neuen Anwendungen biobasierter Kunststoffprodukte in der Elektrotechnik und Elektronik führen wird", so Fischer weiter.

Neu getestet: Strahlenvernetzung mit Elektronenstrahlung bindet Flammschutzmittel an die zu den Biokunststoffen gehörenden Polylactide (PLA)

Um eine optimale Nichtbrennbarkeit zu erreichen, müssen die Flammschutzmittel gleichmäßig in der Biopolymermatrix außerhalb von PLA verteilt werden. Die Anbindung an die Biopolymermatrix sollte mithilfe speziell entwickelter reaktiver Flammschutzmittel erreicht werden. Als neues Verfahren zur Anbindung der Flammschutzmittel an die Matrix wurde Strahlung mit beschleunigten Elektronen (Elektronenstrahlung) eingesetzt. Dieses nichtthermische Verfahren wird bereits seit vielen Jahren zur Verbesserung der Eigenschaften von Standardkunststoffen und technischen Kunststoffen eingesetzt und ist in vielen Industriezweigen ein Standardverfahren.

Der Strahlenvernetzung im Bereich der Biokunststoffe wurde bislang nur wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Die Eigenschaften der Polymere werden dabei durch das Auslösen kontrollierbarer Vernetzungs- und Bindungsreaktionen mittels einer Strahlendosis modifiziert. Bei den Tests erwies sich ein Additiv als wirksam, bei dem die Vernetzungsreaktion von PLA nachweislich gegenüber dem strahlungsbedingten Polymerabbau überwog. Weitere Additive wurden ebenfalls eingehend getestet. "Die Ergebnisse erweitern unsere Kenntnisse über die zum Teil erstmals eingesetzten Additive sowie über die Prozesse bei der Kunststoffverarbeitung", erklärt Fischer. "Damit konnten wir insbesondere den Einfluss der Bestrahlung auf die Vernetzbarkeit dieser neuen biobasierten Rezepturen nachweisen."

Projektteam: Vordere Reihe von links nach rechts: Dr. Jens Balko (Fraunhofer IAP), Marc Mohring (J. Rettenmaier & Söhne GmbH), Dr. Antje Lieske (Fraunhofer IAP), Jochen Rausch (BGS), Katharina Krupp (BGS) Michaela Loos (BGS); Hintere Reihe von links nach rechts: Reinhard Lorenz (Georg Utz GmbH), Bernd Nass (Clariant Plastics & Coatings GmbH), Dr. Arne Schirp (Fraunhofer WKI), Andreas Neufing (Hager Electro GmbH), Dr. Dirk Fischer (BGS).

Compoundieren mit Bio-PA: Prüfung von Flammschutzmitteln und Strahlenvernetzung

Darüber hinaus wurden im Rahmen des Forschungsprojekts nicht brennbare Rezepturen auf Basis von Biopolyamiden (PA) für das Spritzgießen mit Flammschutz entwickelt und erstmals deren Vernetzbarkeit durch Elektronenstrahlung untersucht. „Es zeigte sich, dass sich die dabei eingesetzten Biopolyamide, namentlich PA6, PA10 und PA11, sehr wirksam vernetzen lassen und gegenüber herkömmlichen Kunststoffen auf fossiler Basis keine Nachteile aufweisen“, sagt Dr. Fischer, Projektleiter bei BGS. Auch der positive Einfluss der Zugabe von Holzpartikeln auf die Wirksamkeit des Flammschutzmittels wurde nachgewiesen. Wie bei den vorherigen Versuchen mit PLA und PBS verringerte sich durch die Zugabe von Holz die Wärmefreisetzungsrate, wobei sich gleichzeitig die Zeit bis zur Entzündung verkürzte. Die vielversprechenden Ergebnisse sind Gegenstand weiterer Forschung.

„Durch die Strahlenvernetzung der entwickelten Materialien entsteht ein neues Eigenschaftsprofil. Bei nahezu allen PA-basierten Rezepturen konnten wir eine Erhöhung der Zugfestigkeit und des Zugmoduls bei gleichzeitiger Verringerung der Kerbschlagzähigkeit nachweisen“, erklärt Fischer. „Das Projekt hat auch gezeigt, dass die Herstellung vernetzbarer Rezepturen und ihre Verarbeitung viele Parallelen zu bekannten konventionellen Kunststoffen aufweisen. Biobasierte Kunststoffe können somit in vielen Anwendungen herkömmliche Kunststoffe ersetzen, und ihr Eigenschaftsspektrum lässt sich durch Strahlenvernetzung weiter optimieren. Dies eröffnet nicht nur neue Möglichkeiten in der Elektronik und Elektrotechnik, sondern erschließt auch neue Einsatzbereiche in der Automobilindustrie – hier besteht ein enormes Potenzial.“

Finanzierung

Projekttitel: Entwicklung neuer Anwendungen von Biokunststoffen und Bioverbundwerkstoffen in der Elektronik und Logistik unter Einsatz halogenfreier Flammschutzsysteme

Fördermittelgeber: Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL)

Projektträger: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR)

Projektpartner

• Fraunhofer WKI
• Fraunhofer IAP
• Clariant Plastics & Coatings (Německo) GmbH
• Linotech GmbH
• Hesco Kunststoffverarbeitung GmbH
• Kabel Premium Pulp & Paper GmbH
• Hager Electro GmbH
• Rettenmaier & Söhne GmbH
• Georg Utz GmbH