Nachhaltige flammhemmende Verbundwerkstoffe

Neuartige FST-Materialien für den Marinesektor

Der Trend zu mehr Nachhaltigkeit könnte in der Europäischen Union schon bald gesetzlich verankert werden. Im Automobilsektor beispielsweise schreibt die Altautoverordnung vor, dass die Hersteller den Recyclinganteil in ihren Fahrzeugen angeben müssen und dass 25 % der für Neufahrzeuge verwendeten Kunststoffe aus recycelten Rohstoffen stammen müssen, zusammen mit anderen Anforderungen, die den Herstellern Anreize für ein effektiveres Recycling und die Rückgewinnung hochwertigerer Rohstoffe bieten (siehe: https://environment.ec.europa.eu/topics/waste-and-recycling/end-life-vehicles/end-life-vehicles-regulation_en).

Der Klimawandel zwingt den Luftfahrtsektor dazu, nachhaltigere Materialinnovationen für Flugzeuge zu entwickeln und umzusetzen. So werden Innovationen in diesem Sektor in den kommenden Jahren nach nachhaltigeren Verbundwerkstoffen für die Innenausstattung von Flugzeugen suchen, wobei der Schwerpunkt auf biobasierten Verbundwerkstoffen und Materialien liegen wird, die nach ihrer Nutzungsdauer recycelt werden können. Dies ist besonders wichtig für die Entsorgung von Verbundwerkstoffabfällen, die bei der Innenausstattung von Flugzeugen anfallen und häufig alle 4 bis 7 Jahre ausgetauscht werden [Zarnowka, 2023, Sustainability Assessment of a Sustainable Innovation for the Aviation Industry: Case Study of Bio Composites for Aircraft Interiors]. Bei Anwendungen wie der Innenausstattung von Flugzeugen gibt es sicherheitskritische Eigenschaften, nämlich die Flammwidrigkeit, bei denen es von entscheidender Bedeutung ist, dass die Forschung darauf abzielt, biobasierte und/oder recycelbare Polymermatrizen vom Typ Phenol zu entwickeln, die die erforderlichen Qualifikationen für die Flammwidrigkeit (des gesamten Verbundstoffs) erfüllen und gleichzeitig ihre Umweltauswirkungen verringern. Diese wiederum können mit recycelten Faserverstärkungen wie recycelten Kohlenstofffasern und Phenolen kombiniert werden.

Abbildung 2: Aus einer 30 mm dicken, mit recyceltem Kohlenstoff verstärkten Phenolmatrix-Verbundplatte gefertigter Bügel

Faserverstärkte Verbundwerkstoffe mit hoher Festigkeit und hohem Modul sind wichtige Werkstoffe, deren Eigenschaften so angepasst werden können, dass sie z. B. eine hohe Temperaturbeständigkeit, eine gute Schwingungsdämpfung, einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) und Flammschutz bieten und für Anwendungen, bei denen ein geringes Gewicht im Vordergrund steht, unverzichtbar sind, was sie zur offensichtlichen Wahl für Transportanwendungen macht. Die endgültige Leistung des Verbundwerkstoffs kann in Abhängigkeit von folgenden Faktoren festgelegt werden:

1. Der Art der als Faserverstärkung verwendeten Bestandteile (z. B. Kohlenstoff, Glas, Flachs, Basalt) und der Polymermatrix (z. B. Epoxid, Phenol, Polyester)

2. Die gerichtete Anordnung (z. B. quasi-isotrop) der textilen Verstärkungsform (z. B. gewebt, nicht gekräuselt usw.)

3. Die Herstellungsstrategie, mit der die einzelnen Bestandteile zu einem neuen Verbundwerkstoff zusammengefügt werden, z. B. Flüssiggießen, Prepreg-Methode, Nassverlegung usw.

Bei Juno Composites untersuchen wir neuartige Formulierungen von Phenolharzen, die sich für die derzeit modernsten Verbundwerkstoff-Herstellungsverfahren eignen. Obwohl diese Polymere im Allgemeinen geringere mechanische Eigenschaften und eine geringere chemische Beständigkeit als Epoxidharze aufweisen, sind sie für Anwendungen, bei denen der Brandschutz von größter Bedeutung ist, wie z. B. Innenverkleidungen von Flugzeugen, Offshore-Öl- und -Gasindustrie, Nahverkehr und Elektronik, unerlässlich.

Juno Composites entwickelt derzeit eine Reihe von faserverstärkten Verbundwerkstoffen mit Phenolmatrix und niedrigem Gehalt an freiem Formaldehyd unter Verwendung von recycelten Kohlenstofffasern, Endlostextilien aus Kohlenstoff- und Glasfasern sowie Naturfasertextilien, die in verschiedenen Materialformen erhältlich sein werden, darunter dünne Folien, Sandwich-Kernplatten, Bleche, Platten und Knüppel/Blöcke (für die Bearbeitung komplexer Teile wie z. B. Verbundstoffhalterungen). In der Phase des Materialdesigns stellen wir sicher, dass die Bestandteile (Faserverstärkung und Polymermatrix) und das geformte Verbundteil nachhaltiger und REACH-konform sind, abgesehen von den mechanischen Eigenschaften und dem Brandrauch- und Toxizitätsverhalten (FST).

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