Mehrere Lagen Graphen (MLG), in TEM-Aufnahmen erkennbar, beeinflussen die mechanischen Eigenschaften und das Brandverhalten positiv, z.B. durch erhöhte Brandrückstande
Quelle: BAM, Fachbereich
Gummi gehört zu den weltweit wichtigsten Kunststoffen, da seine Materialeigenschaften wie Elastizität und Abriebfestigkeit in vielen technischen Bereichen Anwendung finden. Um die Lebenszeit dieser synthetischen Kautschuke zu erhöhen, wird vor allem Ruß, auch Carbon Black (CB) genannt, dem Gummi bei der Herstellung beigemischt. Des Weiteren nutzt man Flammschutzmittel wie Aluminiumhydroxid (ATH), die im Brandfall Wasser abspalten, um so den Brand zu verringern.
CB und ATH sind kostengünstige Additive, allerdings benötigt man hohe Füllmengen, um gute Flammschutzeigenschaften zu erzielen. Auf 100 Teile Gummi kommen bis zu 70 Teile (= 70 parts per hundred rubber, phr) CB plus ATH, welches die mechanischen Eigenschaften des Materials erheblich beeinträchtigt.
Anders sind Nanofüllstoffe wie Graphen: Sie sind besonders effektive Füllstoffe für Gummi, da bereits kleine Füllmengen eine große Auswirkung auf die Materialeigenschaften haben. Mehrere Schichten dieser zweidimensionalen Kohlenstoffanordnung, genannt „Multi-layer Graphene“ (MLG), besitzen besondere Materialeigenschaften. Ein hohes spezifisches Verhältnis von Oberfläche zur Masse (ca. 250 m2 g-1), bestimmt mit dem Brunauer-Emmett-Teller (BET) Verfahren, zeichnet sie aus. Als Füllstoff für Gummi zeigt MLG eine multifunktionale Wirkung, da es die mechanischen Eigenschaften stärkt und die Wirkung von ATH unterstützt. Im Brandfall bildet MLG mit ATH eine stark verkohlte Schicht, die als thermische Schutzbarriere fungiert. Aufgrund seiner Multifunktionalität benötigt man nur geringe Füllmengen, weshalb MLG die Mengen an CB und ATH deutlich reduzieren kann.
In diesem Paper wurden Verbundwerkstoffe, auch Komposite genannt, aus Polybutadien und Neopren mit CB und ATH hergestellt und bezüglich ihrer mechanischen Eigenschaften und Flammschutzwirkung untersucht. Zu Vergleichszwecken wurden Nanokomposite mit unterschiedlichen Mengen an MLG, CB und ATH gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass bereits 3 phr MLG bis zu 15 phr CB sowie 3 phr ATH ersetzen kann, ohne dabei die Materialeigenschaften zu beeinträchtigen. Des Weiteren bewirkten die Nanokomposite eine Verstärkung der rheologischen und mechanischen Eigenschaften sowie verbesserte Rückstandsbildung in Brandtests. Aus den Resultaten heraus wird klar, dass Gummi-Nanokomposite mit MLG kosten-effektive, multifunktionale Alternative zu herkömmlichen Gummimischungen sind.
Dieses Open Access Paper des Monats zeigt, dass kleine Dinge oft Großes bewirken, auch im Flammschutz.
Multifunctional Graphene in Flame Retarded Polybutadiene/ Chloroprene/ Carbon Black Composites
Alexander Battig, Naïssa Abdou-Rahaman Fadul, Daniele Frasca, Dietmar Schulze, Bernhard Schartel
erschienen in e-Polymers, Band 21, Heft 1, S. 244 - 262, 2021
BAM Fachbereich Technische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen