Lubomír Zeman: Elektromobilität und Spritzgießen von Thermoplasten, Teil 2.

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5. GEWICHTSREDUZIERUNG VON AUTOMOBILEN, BIOKUNSTSTOFFE, SELBSTVERLÖSCHENDE KUNSTSTOFFE

Am Ende des vorangegangenen Kapitels habe ich das deutlich höhere Gewicht eines vollelektrischen Automobils im Vergleich beispielsweise zu einem vergleichbaren Pkw mit Dieselmotorantrieb erwähnt. Auch die Batteriekapazität wurde angesprochen, die direkt proportional zur spezifischen Energie des Akkumulators ist und das Verhältnis zwischen Energie und Batteriegewicht ausdrückt, was sich auf die Reichweite des Elektroautos auswirkt. Das Fahrzeuggewicht ist zusammen mit der Fahrgeschwindigkeit, der Anzahl der Beschleunigungsvorgänge, dem Überwinden von Steigungen und der Fahrweise des Fahrers, einschließlich der Nutzung der im Automobil zur Komfortsteigerung eingebauten elektrischen Verbraucher (insbesondere der Klimaanlage, die ebenfalls Energie aus dem Akkumulator bezieht; die Rückgewinnung von Wärmeenergie reicht zum Betrieb der Verbraucher nicht aus)  einer der Hauptfaktoren, die die Reichweite begrenzen.

Je höher also die geforderte Reichweite des Elektroautos ist, desto schwerer und größer muss seine Batterie sein, denn die Lösung für die relativ geringe spezifische Energie von Lithiumzellen (relativ gering im Verhältnis zum Heizwert von Benzin und Diesel) ist nach wie vor eine Frage der künftigen technologischen Entwicklung, während der politisch vorangetriebene Übergang zur Elektromobilität eine  gegenwärtige und aktuelle Angelegenheit ist.

Wenn die Anforderungen an Autos mit einer möglichst großen „komfortablen“ Reichweite auch für batterieelektrische Fahrzeuge gelten sollen, dann ist bei den gegenwärtigen technologischen Möglichkeiten und der spezifischen Energie von Lithiumzellen klar, dass auf dem Markt  große und schwere Elektroautos erscheinen werden (höhere Belastung der mechanischen Fahrzeugteile, höhere Belastung und höherer Verschleiß der Fahrbahnen, höherer Reifenabrieb, höherer Verschleiß und Abrieb der Bremsen, höhere Belastung der Böden in Parkhäusern, die für solche Belastungen nicht ausgelegt sind, usw.), wobei die Herstellung der Traktionsbatterien, die umso größer sein müssen, je größer die Nachfrage nach großen BEV ist, entsprechend energieintensiver sein und entsprechend mehr zusätzliche Treibhausgasemissionen verursachen wird.

Soll der Übergang zur Elektromobilität einen Schritt zur Verringerung der Treibhausgasemissionen und zum Erreichen der Klimaneutralität bis 2050 darstellen, dann wird er angesichts der bestehenden Nachfrage nach großen und leistungsstarken Automobilen (sie sind auch für die Automobilhersteller vorteilhaft, da sie eine höhere Gewinnmarge als kleine Autos generieren) nicht nur völlig zwecklos sein, sondern im Gegenteil den Zielen und Verpflichtungen der Europäischen Union und damit auch des Pariser Klimaabkommens zuwiderlaufen. Es ist ganz sicher, dass der Übergang zur Elektromobilität beispielsweise die Emissionen durch Reifenabrieb und im Zusammenspiel mit Automatikgetrieben ( keine Möglichkeit der Motorbremsung ) auch durch den wesentlich höheren Abrieb der Bremsen, die wesentlich größere Massen abbremsen müssen, nicht beseitigen wird.

Darüber hinaus könnte die neue europäische Abgasnorm Euro 7, deren Umsetzung ab Mitte 2025 vorgesehen ist, sofern sie in ihrer derzeitigen Fassung gilt, die Einstellung weiterer Kunden zum Kauf von Personenkraftwagen verändern. Die Umsetzung der Anforderungen der Norm Euro 7 in der Konstruktion von Personenkraftwagen könnte deren Verkaufspreis im Durchschnitt um bis zu 50 000,- CZK erhöhen, was natürlich kleinere Autos mit einem derzeit niedrigeren  Verkaufspreis stärker treffen wird.

Das genannte Missverhältnis muss sich zwangsläufig in den Bemühungen der Konstrukteure von Hybrid- und Elektroautos niederschlagen, deren Konstruktionsgewicht zu reduzieren. Diese Herausforderung beginnt bei der Auswahl neuer Werkstoffe, was natürlich auch Kunststoffe betrifft, wobei eine der sehr wichtigen Anforderungen nicht vergessen werden darf, nämlich die Selbstverlöschung der in den genannten EV-Fahrzeugtypen eingesetzten Kunststoffe.

Die als Selbstverlöschung bezeichnete Eigenschaft von Kunststoffen ist bei den im Automobilbau eingesetzten Kunststoffen natürlich nicht neu, gewinnt aber mit der Entwicklung von Automobilen, die für ihren Antrieb und zur Speicherung der Antriebsenergie Batterien – im Allgemeinen meist sogenannte Lithiumbatterien – nutzen, deutlich an Bedeutung. 

5.1 Lithiumbatterien

Eine Lithiumbatterie ist im Prinzip eine elektrochemische Zelle, was bedeutet, dass infolge der in der Batterie ablaufenden Reaktion eine elektrische Spannung entsteht. Die Batterie besteht aus zwei Halbzellen (Anode - Kathode), die in einen Elektrolyten eingetaucht und durch einen Separator getrennt sind, der einen Kurzschluss der Batterie verhindert.

Die Materialien der positiven Elektroden sind Stoffe mit einem hohen Anteil an chemisch gebundenem Sauerstoff und wirken somit brandfördernd. Die Materialien der negativen Elektroden sind selbst brennbar und nicht selten an der Luft selbstentzündlich. Hinzu kommt der Elektrolyt, der aus einer Lösung eines Lithiumsalzes in einer organischen, üblicherweise brennbaren Flüssigkeit besteht. 

Die Batterien in BEV bestehen aus einzelnen Zellen, die üblicherweise eine zylindrische oder quaderförmige  prismatische) Form haben. Die Zellen werden zu Modulen zusammengefügt, aus denen Packs – Li-Batterien – zusammengesetzt werden. Zur Veranschaulichung: Das Tesla Model Y hat eine Batterie mit einer maximalen Leistung von 310 kW, die 7 104 zylindrische Zellen enthält; das Tesla Model 3 mit einer Batterie mit einer maximalen Leistung von 250 kW hat 4 416 davon. Jede Zelle ist im Durchmesser und in der Länge um einige Millimeter größer als eine Standard-Mignonzelle des Typs AA (die Abmessungen einer AA-Batterie sind – Durchmesser 14 mm, Länge 50  mm).

Im Zusammenhang mit dem Betrieb batteriebetriebener Fahrzeuge kann es zu einer Beschädigung der Batterie – des Batteriepacks – kommen. Bei einer Beschädigung der Batterie kann im Inneren der Batterie eine unerwünschte Reaktion ausgelöst werden, die  einen Temperaturanstieg hervorruft. Wird die Batterie nicht rechtzeitig gekühlt, kommt es zur Rauchfreisetzung und anschließend möglicherweise zur Entzündung der Batterie.

Zu den häufigsten Schadensursachen zählen:

- mechanische Beanspruchung - ein typisches Beispiel ist ein Verkehrsunfall. Infolge des Aufpralls kann der Separator beschädigt werden und es kann anschließend zu einem Kurzschluss in der Batterie kommen, der mit der Freisetzung großer Energiemengen verbunden ist. Auch wenn ein Verkehrsunfall eines Elektrofahrzeugs mit anschließendem Brand ein Albtraum für die Feuerwehr ist, ist nicht davon auszugehen, dass es bei jedem Verkehrsunfall eines Elektrofahrzeugs zu einem Brand kommt

- elektrische Beanspruchung - dazu kann es beispielsweise durch die Verwendung eines ungeeigneten Ladegerättyps oder infolge einer Störung kommen

- thermische Beanspruchung - auch eine Erwärmung der Batterie kann eine Reaktion im Inneren der Batterie auslösen. Zu einer Erwärmung kann es beispielsweise bei einem sich ausbreitenden Brand kommen, der außerhalb des Batteriebereichs entstanden ist

Es gibt auch weitere mögliche Schadensursachen – beispielsweise einen Herstellungsfehler, eine vorsätzliche Beschädigung usw., diese treten jedoch seltener auf. Selbstverständlich berücksichtigen Fahrzeugkonstrukteure diese Gefahren und passen die Konstruktion, beispielsweise die Unterbringung der Batterie im Fahrzeug, entsprechend an, einschließlich der Ausstattung des Fahrzeugs mit verschiedenen elektronischen Sensoren zum Schutz der Batteriesysteme.

5.2 Thermoplaste mit verringerter Brennbarkeit

5.2.1 Brennbarkeit

Untersuchungen darüber, wie Kunststoffe – Duroplaste, Thermoplaste und Verbundwerkstoffe mit Polymermatrix -  brennen, waren und sind nach wie vor einer der Hauptforschungsbereiche an Hochschulen, in der Industrie und in verschiedenen staatlichen, militärischen und privaten Laboratorien weltweit. Bislang war niemand in der Lage, alle Faktoren zu klären, die bei der Verbrennung polymerbasierter Werkstoffe auftreten. Für diese Werkstoffe gibt es kein umfassendes Verbrennungsmodell. Einige Aspekte sind klar, andere Aspekte erlauben dagegen nur grobe Näherungen, insbesondere wenn einige ihrer Wirkungen miteinander verknüpft sind, wie dies bei realen Bränden der Fall ist.

Allgemein gilt die Feststellung, dass alle Polymere unter bestimmten Bedingungen brennbar sind. Die Brennbarkeit von Polymerwerkstoffen als organischen Stoffen, die bereits von Natur aus mehr oder weniger brennbar sind, ist am höchsten, wenn ihre Makromoleküle ausschließlich aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen bestehen. Ihre Brennbarkeit lässt sich durch Additive verringern, aber auch durch deren Wirkung wird die Brennbarkeit nicht vollständig beseitigt.

Damit der Verbrennungsprozess ablaufen kann, müssen drei Bedingungen erfüllt sein:

1. Unter bestimmten Bedingungen muss ein brennbarer Stoff vorhanden sein, der mit einem Oxidationsmittel reagieren und dadurch zur Entwicklung der Verbrennung beitragen kann – wie oben erwähnt, erfüllen Polymermatrices diese Bedingung praktisch uneingeschränkt
2. Die zweite Bedingung ist das Vorhandensein eines Oxidationsmittels – dabei handelt es sich meist um gasförmigen Sauerstoff oder um sauerstofffreisetzende Stoffe
3. Nicht zuletzt gibt es eine dritte Bedingung – eine Zündquelle – einen Funken, eine Flamme oder andere Wärmeenergiequellen, beispielsweise einen elektrischen Kurzschluss usw.

Offensichtlich ist, dass Glasfasern unter den bei einem Brand üblicherweise herrschenden Bedingungen nicht brennen und somit nicht zur Verbrennung des Werkstoffs beitragen, andererseits jedoch die Masse des jeweiligen Verbundwerkstoffs erhöhen. Auch die meisten anorganischen Füllstoffe brennen nicht, greifen aber in den Verbrennungsprozess ein und können diesen beeinflussen.

Andere Faserverstärkungen – Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Chemiefasern (Polymerfasern), Naturfasern, Fasern tierischen Ursprungs, Mineralfasern usw. – verringern die Dichte von Spritzgieß-Verbundwerkstoffen und brennen unter Brandbedingungen. Ihre Beiträge zur Entstehung und zum Verlauf der Verbrennung sind jedoch im Allgemeinen wesentlich geringer als die der Polymermatrices und werden üblicherweise nicht in nennenswertem Umfang berücksichtigt. 

Die Brennbarkeit  hängt somit vor allem von der chemischen Struktur des Polymers und  von einigen physikalischen Faktoren ab, die die Verbrennung beeinflussen, beispielsweise der Sauerstoffmenge, der Oberflächengröße (Fasern und Folien brennen leichter als Polymere in Form von  Erzeugnissen mit größeren Wanddicken) usw. Ein wichtiger Faktor, der die Zersetzungs- und Verbrennungsgeschwindigkeit von Polymeren beeinflusst, ist ihre Wärmeleitfähigkeit; Polymere mit höherer Wärmeleitfähigkeit sind schwerer entzündbar.

Am besten widerstehen Polymere dem Brennen, die für die Bildung gasförmiger Zersetzungsprodukte die meiste Verbrennungswärme verbrauchen und bei deren Verbrennung umgekehrt am wenigsten Wärme freigesetzt wird. Der Widerstand von Polymeren gegen das Brennen steigt mit dem Verhältnis ihres Kohlenstoff- zu ihrem Wasserstoffgehalt und mit zunehmendem Gehalt an Elementen, die eine inhibierende Wirkung auf die Verbrennung haben (Inhibition = Hemmung, Verhinderung), sowie mit der Fähigkeit, sich bei hohen Temperaturen unter Wasserabspaltung zu zersetzen. Das Vorhandensein nicht brennbarer Elemente in der makromolekularen Kette – Stickstoff, Silizium usw. - erhöht ihre Feuerbeständigkeit.

Polymere, die in ihrem Makromolekül eine ausreichende Konzentration flammhemmender Elemente enthalten (Retardierung = Verzögerung, Verlangsamung, Abbremsung), hören nach dem Entfernen der Flamme auf zu brennen und sind selbstverlöschend (beispielsweise Polyvinylchlorid – PVC - und  Polytetrafluorethylen - PTFE). 

Einen geringen Widerstand gegen Feuereinwirkung weisen Polymere auf, die zu einem brennbaren Monomer depolymerisieren oder sich in brennbare Zersetzungsprodukte aufspalten, beispielsweise Polyolefine (PP , PE), Polystyrol (PS), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyoxymethylen (POM), Kautschuke.

Die Verbrennung eines Polymers erfolgt nur an seiner Oberfläche, sodass die Brenngeschwindigkeit auch von der Größe seiner brennenden Oberfläche abhängt, wobei sich an der Oberfläche eine verkohlte Schicht bildet, die das Polymer von der Flamme isoliert und so die Brenngeschwindigkeit verringert. 

Da keine objektiven Bewertungskriterien zur Verfügung stehen, um Polymere nach ihrem Widerstand gegen Feuereinwirkung zu ordnen, gibt es eine Reihe von Verfahren zur Bewertung der Brennbarkeit von Polymerwerkstoffen. Im Bereich des Spritzgießens von Thermoplasten werden am häufigsten der sogenannte limitierende Sauerstoffindex – LOI (Limited Oxygen Index – LOI) sowie die Prüfverfahren der amerikanischen Organisation Underwriters Laboratories – UL 94 V mit vertikaler Prüfanordnung und UL 94 HB mit horizontaler Prüfanordnung eingesetzt. Die genannten Prüfungen arbeiten mit einer offenen Flamme.

Der limitierende Sauerstoffindex – LOI = ( O₂ / ( O₂ + N₂ )) . 100 /%/ - entspricht der minimalen Sauerstoffkonzentration in Volumenprozent in einem Gemisch mit Stickstoff, bei der das Polymer noch brennt. Ein Polymerwerkstoff ist leicht brennbar, wenn sein LOI unter 21 Volumen-% liegt, langsam brennend bei einem LOI im Bereich von 21 % bis 28 % und selbstverlöschend, wenn sein Sauerstoffindex größer als 28 Volumenprozent ist. Limitierende Sauerstoffindizes einiger Thermoplaste ( in Volumen-%):

POM 15, PMMA 16, PE 17, PP 17, PS 18, PET 23, PA 6 23, PA 66 27, PC 28, PSU 32, PEEK 35, PEI 47, Hart-PVC 47; Phenoplaste 35; Kautschuke: SBR 22,EPDM 24.    

Zur Prüfung und Ermittlung des LOI eines bestimmten Werkstoffs werden kleine Materialproben verwendet, die senkrecht in einem Glasrohr eingespannt sind, in dem eine bestimmte, veränderbare Konzentration von Sauerstoff und Stickstoff vorliegt. Ziel ist es, die Brennbarkeit der mit einer kleinen Flamme entzündeten Probe zu prüfen und die minimale Sauerstoffkonzentration zu ermitteln, die zum Brennen der Probe erforderlich ist. Der Zahlenwert des LOI ermöglicht den Vergleich von Werkstoffen untereinander. Die Prüfung ist wiederholbar und dient der Qualitätssicherung sowie der Bestimmung des Brennbarkeitspotenzials des Werkstoffs.

Aus dem oben beschriebenen Brennverhalten von Thermoplasten ergibt sich, dass wir bei ihrer Verarbeitung im Spritzgießverfahren durch eine Änderung der technologischen Prozessparameter praktisch keine Verbrennung auslösen und somit ihren Widerstand gegen das Brennen weder verringern noch erhöhen können. Richtig gewählte Prozessparameter verändern weder die Zusammensetzung der Makromoleküle des jeweiligen Spritzgießmaterials noch die der daran gebundenen oder darin eingebetteten Additive.

Durch eine ungeeignete Änderung der Spritzgießparameter können wir ( zusammen mit der Konstruktion des Spritzgießwerkzeugs ) das Auftreten des Dieseleffekts beeinflussen, d. h. die Entstehung einer lokalen Stelle mit verbranntem Material; beim Auftreten des Dieseleffekts handelt es sich jedoch nicht um eine Flamme.

Zu einer thermischen Zersetzung, insbesondere von Additiven in Thermoplasten, kann es infolge einer langen Verweilzeit der Polymerschmelze bei Verarbeitungstemperatur im Plastifizierzylinder der Spritzgießmaschine oder im Heißkanalsystem des Spritzgießwerkzeugs kommen. Hier handelt es sich jedoch um eine indirekte Beeinflussung der Brennbarkeit, bei der sich einzelne Komponenten des Polymers bis hin zu seinen Makromolekülen thermisch zersetzen können – jedoch nicht brennen. Dabei handelt es sich um einen allmählichen Prozess, der bereits bei

relativ niedrigen Temperaturen (über 100 °C) beginnen kann. Die Temperaturbeständigkeit eines Polymers lässt sich nicht durch einen einzigen Temperaturwert definieren, sondern durch die Zeitspanne, während der das Polymer einer bestimmten Temperatur ausgesetzt werden kann, ohne dass sich eine bestimmte Eigenschaft, beispielsweise die Festigkeit, verändert. 

Ebenso können wir das Material durch die Einwirkung einer hohen Scherbeanspruchung thermisch schädigen. Diese wird durch die Zusammensetzung des Spritzgießmaterials, die Spritzgießparameter, insbesondere die Einspritzgeschwindigkeit an der jeweiligen Stelle, sowie durch den Querschnitt der Kavität oder des Angusssystems an der jeweiligen Stelle des Werkzeugs beeinflusst. Auch hierbei handelt es sich jedoch nicht um eine Verbrennung.

5.2.2 Mittel zur Verringerung der Brennbarkeit von Polymeren, Flammschutzmittel, Flammhemmer, selbstverlöschende Zusätze

An Erzeugnisse aus Polymerwerkstoffen, in denen das Polymer die Matrix bildet, werden sehr unterschiedliche Qualitätsanforderungen gestellt, die „reine“ Polymere nicht erfüllen können. Deshalb werden diese mit weiteren Stoffen modifiziert – Zusätzen, Additiven, Komponenten, Beimischungen –, die zusammen mit den Polymeren Polymermischungen bilden.

Flammschutzmittel (Flammhemmer) oder selbstverlöschende Zusätze sind Stoffe, die die Temperaturbeständigkeit von Werkstoffen gegenüber Brandeinwirkung erhöhen und dadurch die Brennbarkeit von Thermoplasten verringern beziehungsweise den Verbrennungsprozess verlangsamen, kontrollieren und gegebenenfalls auch löschen. Ihre Wirksamkeit entfaltet sich üblicherweise erst bei höheren Konzentrationen (5 % bis 30%  und mehr, bis zu 80 %), ist vom flammhemmenden Vermögen des jeweiligen Stoffes abhängig, und deshalb beeinflussen diese auch die Verarbeitungseigenschaften (Verweilzeit der Schmelze bei Temperatur, Scherbeanspruchung beim Plastifizieren, Scherbeanspruchung beim Füllen der Kavitäten der Werkzeuge mit Polymerschmelze) sowie die Gebrauchseigenschaften (üblicherweise wirken sie sich negativ auf die mechanischen Eigenschaften der Polymere aus). Auch Füllstoffe anorganischen Ursprungs tragen zur Flammhemmung bei.

Polymere bestehen meist aus Kohlenstoff, Wasserstoff und weiteren Elementen wie Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und anderen. Wird ein Polymerwerkstoff thermisch beansprucht, kommt es zu seinem thermischen Abbau, der sich durch die Spaltung innerer Bindungen im Polymer äußert. Infolge der Spaltung von Bindungen in der Polymerkette entstehen niedermolekulare Gase, die brennbar sind. Die thermische Stabilität praktisch aller Polymere liegt im Temperaturbereich von ca. 350 °C bis ca. 450 °C.

Die vorteilhafteste Methode zur Verlangsamung der Verbrennung ist das direkte Einmischen von Flammschutzmitteln in die Polymermatrix. Diese beigemischten Additive können die Entzündung und die Verbrennung chemisch oder physikalisch unterdrücken.

Die Zugabe von Flammschutzmitteln zu polymeren Stoffen kann sich auf verschiedene Weise auswirken:

- Verdünnung der organischen Substanz mit einem inerten Füllstoff, wodurch die Wärmekapazität des Werkstoffs erhöht, seine thermischen Eigenschaften verbessert, das Volumen des brennbaren Materials verringert und die Rauchentwicklung reduziert werden
- Verdünnung der Gase mit nicht brennbaren Komponenten, die bei erhöhten Temperaturen eine bestimmte Menge Wasser freisetzen und dadurch die Verbrennung verzögern; die Verringerung der Menge der entstehenden Gase begünstigt die Rußbildung, was aus Sicht der Flammhemmung ein positiver Prozess ist, da Ruß eine Barriere zwischen Polymer und Flamme bildet
- Blockierung des Verbrennungsmechanismus
- Bildung einer Beschichtung, die den Luftzutritt begrenzt und dadurch die Verbrennung blockiert sowie beim Verbrennen des Polymerwerkstoffs eine isolierende Schutzschicht bildet

Flammschutzmittel auf Polymerbasis lassen sich in drei grundlegende Gruppen einteilen: 

- Flammschutzmittel auf Basis von Erdalkalimetallhydroxiden – die Dosierung ist mit ca. 30 % bis ca. 60 % relativ hoch, wodurch die physikalischen und mechanischen Eigenschaften der Polymerwerkstoffe beeinflusst werden
- Flammschutzmittel auf Basis von Bromverbindungen – BFR -  der Gehalt im Polymer liegt zwischen 10 % und 15 %,
- Flammschutzmittel auf Phosphor- und Siliziumbasis – der Phosphorgehalt in der Polymermatrix, beispielsweise in phosphorflammgeschützten Polyamiden, beträgt üblicherweise 7 % bis 8 %; bei Verwendung von Silizium als Flammschutzmittel genügt beispielsweise für PA 66 eine Dosierung von 3 % Silizium und 2 % Zinn(II)-chlorid, also deutlich weniger als bei den vorherigen Flammschutzmittelgruppen

Neben Spritzgießmaterialien, die zur Verringerung ihrer Brennbarkeit mit Additiven versehen sind, bieten Granulathersteller verschiedene Typen von Hochleistungsthermoplasten an, die aufgrund ihrer chemischen Beschaffenheit nahezu nicht brennbar sind. Als ein Beispiel lassen sich Verbundwerkstoffe mit einer Matrix auf Basis von Polyphenylensulfid – PPS anführen, die sowohl mit Glasfasern als auch mit mineralischen Füllstoffen gefüllt, mit Elastomeren modifiziert, kriechstromfest, für das Laserschweißen geeignet, thermisch und elektrisch leitfähig sowie mit verbesserten Gleiteigenschaften ausgestattet sind usw. Im Bereich der Elektromobilität werden diese Werkstofftypen beispielsweise insbesondere in Systemen zum Temperaturmanagement elektrischer Antriebe einschließlich Klimaanlagen eingesetzt. 

Für die genannten Werkstofftypen gelten beim Spritzgießen ähnliche Grundsätze wie für andere Thermoplaste, sie weisen jedoch auch Besonderheiten auf:

- die Formteile sind relativ spröde – bei der Gestaltung des Formteils und der Kavität des Werkzeugs sollte die geringere Bruchdehnung der PPS-Matrix berücksichtigt werden
- erhöhte Neigung zur Bildung kalter Bindenähte – Simulationsberechnungen verschiedener Varianten zur Bestimmung einer geeigneten Anschnittposition
- Entlüftung – für diese Werkstoffe gelten spezifische Empfehlungen zur Auslegung der Entlüftung
- kurze Verweilzeit bei Verarbeitungstemperatur – bei längerer Verweilzeit kann es bei einigen Typen zu einem deutlichen Anstieg der Schmelzeviskosität und damit zu einer Verringerung der Fließfähigkeit kommen
- insbesondere bei unverstärkten Typen kann es beim Entformen zum Verzug der Formteile kommen

Neben den oben genannten Besonderheiten ist auch der höhere Energiebedarf beim Spritzgießen zu berücksichtigen – Trocknungstemperatur 130 °C, Trocknungsdauer mit Trockenluft 3 bis 4 Stunden, Schmelzetemperatur 310 °C bis 330 °C, Werkzeugtemperatur 130 °C bis 150 °C   

5.3 Gewichtsreduzierung bei Automobilen, Verbundwerkstoffe mit Polymermatrix

Die steigenden Verkaufszahlen von Automobilen mit Elektro- beziehungsweise Hybridantrieb stellen uns vor die Herausforderung, neue, innovative Materialien im Spritzgießverfahren zu verarbeiten, die den durch den Antriebswechsel hervorgerufenen Anforderungen entsprechen. Eine dieser Anforderungen – die Flammwidrigkeit – behandelt das vorherige Kapitel.

Hier möchte ich im Zusammenhang mit den Anforderungen an eine möglichst hohe Flammwidrigkeit auf eine weitere Anforderung eingehen, die diese Materialien erfüllen müssen. Dabei handelt es sich um die gleichzeitige Forderung nach einer dauerhaften Farbgebung der mit der Batterie verbundenen Formteile (Steckverbinder, Abdeckungen und weitere Teile), wobei wir bei einer umfassenderen Betrachtung auch die Kunststoffteile in Ladestationen nicht vergessen dürfen –  eine orange Einfärbung, die der Norm zur Kennzeichnung elektrischer Leiter entsprechen muss. Üblicherweise handelt es sich um Verbundwerkstoffe auf Basis von Polypropylen (PP) oder Polyamid, die mit mineralischen, partikulären Füllstoffen oder verstärkenden Glasfasern gefüllt sind und die Flammwidrigkeitsklasse UL 94 V0 erfüllen.

Aus der angeführten kurzen Beschreibung der Materialien für Teile, die mit der Batterie in Kontakt stehen, geht hervor, dass technologisch und technisch hochentwickelte Materialien (Verbundwerkstoffe mit Füllstoffen und einer ganzen Reihe von Additiven zur Verbesserung ihrer Gebrauchseigenschaften im Hinblick auf die Elektromobilität, die ihre Verarbeitbarkeit beeinträchtigen können), auf die wir insbesondere in Fahrzeugen des Typs BEV nicht verzichten können, das Fahrzeuggewicht erhöhen können, was angesichts der immer strengeren Normen für CO₂-Emissionen unerwünscht ist. Es stellt sich somit die Frage: Welche Lösungen stehen zur Verfügung oder werden zur Verfügung stehen, damit der technische Entwicklungsstand nicht den Anforderungen an eine Gewichtsreduzierung der Formteile entgegensteht? Zu welchem Preis werden wir das Gewicht der Formteile reduzieren?

Ein Weg besteht darin, herkömmliche Füllstoffe wie Glasfasern oder mineralische Füllstoffe durch Naturfasern in PP-basierten Verbundwerkstoffen zu ersetzen (Gewichtsreduzierung um bis zu ca. 20 %). Diese werden am häufigsten für Formteile eingesetzt, die außerhalb der Deformationszonen verbaut werden und keine tragenden Teile der Konstruktion bilden, beispielsweise Türverkleidungen, Teile für Instrumententafeln, Teile für den Gepäckraum usw. Eine weitere Gruppe bilden Materialien mit PP- oder PA-Matrix, bei denen recycelte Kohlenstofffasern als verstärkender Füllstoff eingesetzt werden (beispielsweise aus Rotoren von Windkraftanlagen . Für ihren Einsatz spricht auch die Methodik der Lebenszyklusanalyse, bei der die genannten Materialien eine geringere punktbasierte Umweltbelastung aufweisen (sie werden besser bewertet als Materialien mit Standardfüllstoffen) und somit für die Automobilhersteller eine geringere Umweltbelastung und auch finanzielle Belastung darstellen (Geldstrafen für die Nichteinhaltung oftmals unsinniger Grenzwerte).

Ein großes Hindernis bei der Arbeit mit Verbundwerkstoffen auf Naturfaserbasis ist deren große Vielfalt, sowohl hinsichtlich der Arten als auch der Eigenschaften. Die resultierenden Parameter des Verbundwerkstoffs werden von einer ganzen Reihe von Variablen bestimmt, beispielsweise vom Fasertyp, den natürlichen Bedingungen (Anbauort), der Verarbeitungsmethode und in erheblichem Maße auch von der nachträglichen Behandlung der Fasern.

Generell können wir Naturfasern nach ihrer Herkunft in pflanzliche, tierische und mineralische Fasern einteilen, wobei sie sowohl aus organischen als auch aus anorganischen Verbindungen bestehen können.

Am häufigsten werden Fasern verwendet, die aus Pflanzen gewonnen werden. Diese enthalten Naturfasern in ihren Blättern, Stängeln oder Samen (Früchten). Die Fasern unterscheiden sich in ihren Eigenschaften und ihrer Morphologie, was auf ihre unterschiedlichen Funktionen in den verschiedenen Pflanzenteilen zurückzuführen ist. Die industriell wichtigste Pflanzenfaser ist Baumwolle; für den Einsatz als Verstärkung in Verbundwerkstoffen sind sogenannte Bastfasern wie Flachs, Hanf, Jute oder Sisal von grundlegender Bedeutung. Es gibt jedoch nach wie vor eine ganze Reihe von Fasern, für die im Hinblick auf den Einsatz in der industriellen Herstellung von Verbundwerkstoffen nach einer konkreten Verwendung als Material für die Konstruktion von Formteilen mit den geforderten spezifischen Eigenschaften gesucht wird.  

Es liegt auf der Hand, dass sich Struktur, Zusammensetzung und Eigenschaften der aus verschiedenen Pflanzenarten gewonnenen Fasern unterscheiden. Darüber hinaus kommt es sehr auf die Bedingungen an, unter denen die jeweilige Pflanze angebaut wird. Damit steht auch das Alter der Pflanze, in dem sie üblicherweise geerntet wird, in direktem Zusammenhang,  denn die Zusammensetzung der pflanzlichen Zellwände verändert sich im Laufe der Zeit, was sich selbstverständlich teilweise auf die endgültigen Eigenschaften der Fasern selbst auswirkt. Ein weiterer Faktor ist das gewählte Verfahren zur Gewinnung der Naturfasern aus dem Pflanzenkörper. Diese Verfahren können mechanisch, chemisch oder enzymatisch sein.

Der wichtigste Baustein der Naturfaser ist Zellulose. Dieses Polysaccharid mit hoher Molekülmasse besteht ausschließlich aus Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatomen, d. h., wie bereits im Kapitel über die Brennbarkeit erwähnt, sind diese Fasern sehr leicht entzündlich. Weitere Bestandteile sind Hemizellulose  (ein Polysaccharid), Lignin und eine Reihe weiterer Stoffe wie Wachse, aromatische Salze, stickstoffhaltige Verbindungen usw., wobei diese Verbindungen keine strukturbildende Funktion haben.

Die mechanischen und sonstigen Eigenschaften von Naturfasern hängen von einer Vielzahl von Faktoren ab, was das Hauptproblem für die Reproduzierbarkeit bei der Herstellung von Polymer-Verbundwerkstoffen auf Basis dieser Fasern darstellt. In der folgenden Tabelle sind die grundlegenden mechanischen Eigenschaften und Dichten einiger Naturfasern aufgeführt. Die Tabelle stellt eine Zusammenfassung von Werten aus mehreren Fachquellen dar. In Klammern ist jeweils der am häufigsten angegebene Wert der einzelnen Eigenschaften aufgeführt.

Wie aus der Tabelle ersichtlich und bereits mehrfach erwähnt, haben Naturfasern beispielsweise gegenüber Glasfasern  den Vorteil einer geringeren Dichte – E-Glas 2,6 g.cm^-3 gegenüber durchschnittlich ca. 1,3 g.cm^-3 bei Naturfasern, d. h. eine Gewichtseinsparung von ca. 50 %.

Das ist selbstverständlich eine positive Eigenschaft, doch sie weisen auch eine Reihe negativer Eigenschaften auf. Zu den größten Nachteilen gehört die geringe Beständigkeit gegenüber jeglicher Form von Feuchtigkeit. Diese ausgesprochen negative Eigenschaft der Naturfasern wird durch die Hydroxylgruppen innerhalb der Cellulosekette verursacht, die sehr leicht Wassermoleküle aus der Umgebung in die Faser ziehen und dadurch deren Quellung bewirken. Der stärkste Wassereintritt erfolgt über den Faserquerschnitt. Die Wechselwirkung zwischen der hydrophilen Faser (die Faser zieht Wasser an) und der hydrophoben Matrix (wasserabweisend) führt dazu, dass die Faser innerhalb der Matrix zu quellen beginnt. In der Folge wird die Bindung zwischen den einzelnen Phasen geschwächt, und es kann auch zu Rissen in der Matrix kommen, was zu sehr geringen mechanischen Eigenschaften des resultierenden Verbundwerkstoffs führen kann. Um den beschriebenen Vorgang zu begrenzen, müssen die Fasern mit verschiedenen Additiven oder durch chemische Verfahren modifiziert werden. Naturfasern enthalten unter normalen Bedingungen zwischen ca. 8 % und 14 % Wasser bezogen auf die Masse. 

Der Beitrag der Fasern zu den endgültigen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs hängt von ihren mechanischen Eigenschaften, ihrem Typ, ihrer Orientierung und ihrem Volumenanteil sowie von der Grenzfläche zwischen Faser und Matrix und dem Herstellungsverfahren des Verbundwerkstoffs ab. Die wesentlichen Nachteile von Naturfasern müssen überwunden werden, bevor sie in einem Verbundwerkstoff eingesetzt werden. Das größte, bereits oben erwähnte Problem verursacht ihr hydrophiler Charakter, der auf die Anwesenheit polarer Gruppen zurückzuführen ist und zu einer schlechten Haftung zwischen der Faser und der hydrophoben Polymermatrix führt. Naturfasern sind mit unpolaren – hydrophoben Thermoplasten, wie beispielsweise Polyolefinen (PP , PE), nicht kompatibel. 

Es gibt mehrere physikalische Behandlungen (beispielsweise mit Plasma), am häufigsten werden jedoch chemische  Behandlungen eingesetzt. Diese Behandlungen reinigen und modifizieren die Faseroberfläche, verhindern dadurch das Eindringen von Feuchtigkeit und erhöhen die Oberflächenrauheit, was zu einer verbesserten Haftung zwischen den Fasern und der Polymermatrix beiträgt. Naturfasern enthalten Hydroxylgruppen aus Cellulose und Lignin und können daher chemisch modifiziert werden – durch Mercerisierung, Acrylierung, Acetylierung sowie die Behandlung mit Isocyanat, Silan oder Peroxid und weiteren Reagenzien erhalten Naturfasern eine höhere Festigkeit und eine bessere Haftung an der Matrix.

Eine weitere negative Eigenschaft von Bastfasern ist ihre hohe Entflammbarkeit. Bei Temperaturen bis 100 °C treten bei diesen Fasern keine größeren Veränderungen auf. Alle Naturfasern erfahren bei Temperaturen über 100 °C irreversible Veränderungen, die ihre Eigenschaften wesentlich beeinflussen. Unter Einwirkung trockener Luft mit einer Temperatur von 110 °C kommt es zur Depolymerisation der Fasern (Vergilbung bis hin zur Braunfärbung), bei 150 °C bildet sich Pyrocellulose, und bei 240 °C vergasen und verkohlen die Fasern (Lignit wird bereits bei einer Temperatur von etwa 200 °C abgebaut, Cellulose und Hemicellulose werden bei höheren Temperaturen abgebaut). Die Folge ist eine Abnahme der Festigkeit sowie aller anderen Qualitätsparameter. Die Temperaturbeständigkeit von Naturfasern schränkt ihren Einsatz als verstärkender faserförmiger Füllstoff in Matrizes mit erhöhter Verarbeitungstemperatur erheblich ein.

Ein weiteres Problem bei Bastfasern ist die geringe Beständigkeit gegenüber mikrobiologischen Einflüssen – Beständigkeit gegen Schimmelpilze und Mikroben, biologische Beständigkeit, Einfluss lebender Organismen. Liegen geeignete Bedingungen (erhöhte Feuchtigkeit, Anwesenheit von Sauerstoff und geeignete pH-Werte) für die Vermehrung von Schimmelpilzen und Bakterien vor, gewinnen diese Organismen ihre Nährstoffe durch enzymatische Spaltung aus dem Substrat. Bei ihrem Stoffwechsel produzieren Schimmelpilze Oxal-, Milch- und Weinsäure, die das Substrat verfärben und weitere Schädigungen verursachen können. In vielen Fällen lässt sich die Anwesenheit von Schimmelpilzen durch ultraviolettes Licht nachweisen, das an den befallenen Stellen eine intensiv gelbe Fluoreszenz hervorruft. Alle überwiegend aus Cellulose bestehenden Fasern werden durch das Enzym Cellulase gespalten, das Cellulose bis zu Einfachzuckern hydrolysieren kann. 

Der biologische Abbau der Fasern beginnt in ihrem amorphen Bereich und breitet sich in den kristallinen Bereich aus. Ein höherer Ligningehalt in der Faser verlangsamt die mikrobiologische Schädigung.

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Foto: Messe Düsseldorf/ctillmann