Transfermechanismen vom flammgeschützten Polymerwerkstoff in den Faserkunststoffverbund: Flammschutz – Feuerwiderstand – Post-Fire Mechanik

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Holger Ruckdäschel, seit 2/2023; Privatdozent Dr. Bernhard Schartel
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 466390889

Der Flammschutz und der Feuerwiderstand der Verbundwerkstoffe gewinnt zunehmend an Bedeutung. Für nicht-intrinsisch flammhemmend ausgerüstete polymere Matrixsysteme, wie die hier untersuchten Epoxidharze, steht eine Vielzahl von Flammschutzadditiven zur Verfügung. Die Auswahl geeigneter Flammschutzmittel bzw. Flammschutzmittelkombinationen im Reinharz ist bereits anspruchsvoll, deren Übertragung in den Faserverbundwerkstoff noch deutlich komplexer. Ein grundlegendes Verständnis der Wirkungsweise von Flammschutzmitteln im Faserverbundwerkstoff verglichen mit dem Reinharz und deren Einfluss auf die mechanische Performance vor, während und nach dem Brandereignis ist bislang nicht geschaffen worden. Das Hauptziel des Forschungsvorhabens ist die Etablierung von wissensbasiertem Verbrennungsrückstandsdesign für Faserverbundkunststoffe unter Berücksichtigung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen der eingesetzten Flammschutzmittel. Zunächst werden geeignete Flammschutzmittelkombinationen ausgewählt. Dabei spielen neben den zu erwartenden Verbrennungsprodukten (keramisch, glasbildend oder Intumeszenz) auch die Partikelgröße und –größenverteilung der Additive eine entscheidende Rolle. Die maximal einstellbare Obergrenze der Additivmischungen im Prepreg-Verfahren lässt Rückschlüsse auf die optimalen Flammschutzparametern und die Mechanik zu. Das erste Teilziel stellt somit die Evaluierung der Transfereigenschaften der Harzformulierungen in den Verbundwertsoff hinsichtlich Verarbeitung, Mechanik bei RT und Flammschutz dar. Die entsprechenden Eigenschaften müssen im Verbundwerkstoff und im Reinharz ermittelt werden um aussagekräftige Transfermechanismen zu generieren.Ein wesentliches Ziel ist die aussagekräftige Beschreibung der Flammschutzmechanismen und die quantitative Bewertung ihrer Wirksamkeit im Faserverbundwerkstoff im Vergleich zum Harz, als auch im Vergleich von Feuerwiderstand und Brandverhalten. Durch die Auswahl verschiedener Flammmittelkombinationen, insbesondere keramisierende Kombinationen aus Metallhydroxiden und Glasbildnern und intumeszierende Flammschutzkombinationen, werden allgemein gültige Aussagen zu den verschiedenen Flammschutzkonzepten wie Verkohlung, Flammvergiftung oder Intumeszenz erwartet. Im letzten Teil des Vorhabens soll der Einfluss der Flammschutzmittel auf die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffes evaluiert werden. In Analogie zum Verbrennungsprozess, bei dem sich die Probe in eine verbrannte und eine unbeschäftigte Zone unterteilen lässt, werden mechanische Prüfungen durchgeführt. Es werden mechanische Druckeigenschaften unterhalb und oberhalb des Glasübergangspunktes der Matrix, analog zur Temperaturverteilung in der unbeschädigten Probe, durchgeführt sowie eine Messung nach Zersetzung der Matrix (Post-Fire). Als Ziel dieses Teilvorhabens sollen Struktur-Eigenschaftsbeziehungen zwischen Flammschutzmitteln und temperaturabhängigen mechanischen Kennwerten etabliert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Volker Altstädt, bis 1/2023