Schematischer Herstellungsprozesses eines phosphorhaltigen Vitrimer-Glasfaserkomposits, Brandrückstand und chemische Wirkungsweise eines Vitrimers
Quelle: BAM
Kompositmaterialien rücken als Werkstoffe immer weiter in den Vordergrund. Mittlerweile werden neben Windkrafträder auch Flugzeuge, moderne Züge und Fahrzeuge aus Kompositen hergestellt. Die vorteilhaften Eigenschaften dieser Materialien, wie geringes Gewicht und fehlende Korrosion, machen sie zu interessanten Werkstoffen, des Weiteren ermöglichen Leichtbau-Konstruktionen eine bessere ökologische Effizienz im Personentransport. Komposite bestehen zum großen Teil aus Kunststoff, meistens Epoxidharze, welche im Brandfall zum Brandrisiko stark beitragen. Zur Erhöhung der Sicherheit werden oft Flammschutzmittel additiv eingesetzt, um das Brandverhalten der Polymere zu verbessern. Die Zugabe von Flammschutzmittel kann jedoch die mechanischen Eigenschaften ändern. Zudem sind gängige Matrices kaum recyclebar.
Dagegen bieten sogenannte Vitrimere eine interessante Alternative zu herkömmlichen Duroplasten in Kompositen. Aufgrund ihrer reversiblen kovalenten Bindungen besitzen Vitrimere Eigenschaften von Duroplasten und Thermoplasten zugleich. Sie können, je nach Zusammensetzung, wie Epoxidharze in Form gegossen oder wie Thermoplaste durch Druck- und Temperaturerhöhung immer wieder geformt werden. Bei hohen Temperaturen sind Vitrimere flüssig und verhalten sich wie Thermoplaste, beim Kühlen erstarren sie zu festen Materialien, ähnlich den Duroplasten wie Epoxidharzen. So lassen sich Prepregs, also vorbehandelte Faserkomponente für Komposite, besonders leicht herstellen. Zudem lassen sich Vitrimere aufgrund des reversiblen Schmelzverhaltens auch sehr gut recyceln, im Gegensatz zu herkömmlichen Duroplasten. Somit sind Vitrimere äußerst interessante Materialien für recyclebare Komposite.
In diesem Paper werden phosphorhaltige Vitrimere vorgestellt und in ihrer Rolle als intrinsisch flammgeschützte potenzielle Alternativen zu Durplasten in Kompositen untersucht. Bei der Kooperation zwischen BAM, dem MPIP in Mainz und dem Fraunhofer IFAM in Bremen werden in der Veröffentlichung neben der Synthese und chemischen Charakterisierung auch das Brandverhalten und die mechanischen Eigenschaften eines Phosphonat-basierten Vitrimer-Glasfaserkomposits ermittelt. Im direkten Vergleich zu einem Vitrimer ohne Phosphor zeigte das phosphorhaltige Material eine 27%-ige Reduzierung der Brandlast, zudem ähnelten z.T. die mechanischen Eigenschaften einem faserverstärktem Epoxidharz-Komposit. Des Weiteren konnte die prinzipielle Recycling-Fähigkeit des Materials nachgewiesen werden. Diese Ergebnisse zeigen, dass Vitrimere eine potenzielle multifunktionale Alternative zu gängigen Polymermatrices für Komposite sind.
Intrinsic flame retardant phosphonate-based vitrimers as a recyclable alternative for commodity polymers in composite materials
Jens C. Markwart, Alexander Battig, Tobias Urbaniak, Katharina Haag, Katharina Koschek, Bernhard Schartel und Frederik R. Wurm.
veröffentlicht in Polymer Chemistry, Band 11, 2020, Seiten 4933-4941.
BAM, Division Technische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen