Weniger Risiko im Brandfall: Neuartige Flammschutzmittel reduzieren Gefahren durch freigesetzte CFK-Fasern

Presseinformation / 31. Mai 2021

Sicherheit hat oberste Priorität bei modernen Luftfahrzeugen der Bundeswehr. Kommt es zu einem Brand, sind die als Leichtbauwerkstoffe verwendeten kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffe (CFK) als besonders kritisch einzuschätzen. Es können sich beispielsweise lungengängige Faserbruchstücke bilden, die in Verdacht stehen, Krebs auszulösen. In einem Forschungsvorhaben ist es dem Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF gemeinsam mit dem Wehrwissenschaftlichen Institut für Werk- und Betriebsstoffe WIWeB gelungen, dieses Gefährdungspotenzial zu verringern. Dazu entwickelten die Forschenden neuartige Flammschutzmittel, die einen effizienten Flammschutz bieten und keine Fasern mit kritischen Dimensionen innerhalb realistischer Brandzeiten entstehen lassen.

Mit Großbrandversuchen (hier ein brennender Flugzeugflügel) wies das Wehrwissenschaftliche Institut für Werk- und Betriebsstoffe WIWeB die Faserfreisetzung von Fasern mit kritischen Dimensionen nach.

Im Fokus des Forschungsprojektes standen insbesondere kohlenstofffaserverstärkte Epoxidharze, die als Leichtbaumaterialien mit optimierten mechanischen Eigenschaften im Fahrzeug-, Flugzeug-, oder Schiffsbau Anwendung finden. Besonders im Flugzeug ist das Material starken Belastungen ausgesetzt und muss hohen Ansprüchen gerecht werden. Gleiches gilt für den geeigneten, effizienten Flammschutz des Materials.  

Erstmals Faserschutz im Blick

In dem Forschungsprojekt wurde erstmals neben den hohen Anforderungen des modernen, effizienten Flammschutzes auch der Faserschutz bei Einwirkung hoher Temperaturen adressiert. Zunächst testete das Forscherteam die Einarbeitung kommerzieller halogenfreier Flammschutzmittel in die Epoxidharzmatrix auf Flamm- und Faserschutz sowie die Auswirkungen auf die Materialeigenschaften. Dadurch ließen sich Flamm- und Faserschutzmechanismen sowie mögliche Synergismen untersuchen und beschreiben. Auf Basis dieser Ergebnisse synthetisierten die Forschenden maßgeschneiderte Flammschutzmittel auf Basis phosphorhaltiger Polyacrylamide. Dazu gehörte auch eine aufwendige Syntheseoptimierung.

Die neuartigen Flammschutzmittel verfügen über mehrere Vorteile: Die polymere Struktur verhindert das Leaching, einen starken Weichmachereffekt und hat weniger negative Einflüsse auf die thermische Stabilität oder mechanischen Eigenschaften. Phosphorhaltige Flammschutzmittel gelten als gesundheitlich unbedenklich und setzen bei der Verbrennung weniger toxische Gase frei als beispielsweise halogenhaltige Flammschutzmittel. Dank des Baukastenprinzips, in dem Ausgangsmaterialien und Prozessführung bei der Synthese wählbar sind, lassen sich der Flammschutzmechanismus und die Materialeigenschaften maßschneidern.

Gesundheitsgefahr erfolgreich eingedämmt

Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass die neuartigen Flammschutzmittel einen effizienten Flammschutz bieten und keine Fasern mit kritischen Dimensionen innerhalb realistischer Brandzeiten entstehen. Somit konnte die Gesundheitsgefahr durch lungengängige Faserbruchstücke beim Abbrand von CFK-Material erfolgreich eingedämmt werden. Die Flammschutzmittel sind weiterhin für die Prozessierbarkeit in Injektionsverfahren bei der Herstellung von CFK geeignet, die mechanischen und thermischen Eigenschaften der beinhaltenden CFK werden nicht negativ beeinflusst und die technische Umsetzbarkeit ist unter anderem durch den niedrigen präparativen Aufwand in hohem Maße gegeben.

Bei ihren Untersuchungen konnten die Forschenden auf das im Fraunhofer LBF vorhandene umfangreiche Know-How im Bereich des halogenfreien Flammschutzes von Epoxidharzen und faserverstärkten Werkstoffen sowie der Synthese von maßgeschneiderten Flammschutzmitteln zurückgreifen. Die Zusammenarbeit von Fraunhofer LBF und WIWeB war besonders wichtig, da dort Analyse- und CFK-Fertigungsmethoden zur Verfügung gestellt werden konnten, die am Fraunhofer LBF nicht verfügbar waren. Das Projekt erschloss mit dem Faserschutz ein neues Gebiet der Forschung und wird mit weiteren kooperativen Untersuchungen fortgeführt.