BioFlammschutz - Nachhaltige Flammschutzmittel für Biokunststoffe

Im FNR-Projekt »BioFlammschutz« wurden neuartige, biobasierte und umweltverträgliche phosphorhaltige Flammschutzmittel entwickelt. Diese sollen als ökologisch und ökonomisch vorteilhafte Alternative zu den derzeit verwendeten halogenhaltigen und ökotoxikologisch problematischen flammhemmenden Additiven dienen. Die neuen Flammschutzmittel wurden aus Baumwoll- und Holzzellulose und dem kostengünstigen Zuckeralkohol Erythritol mit einer am Fraunhofer LBF entwickelten Methode hergestellt. Ihre Eignung wurde exemplarisch mit dem Flammschutz von Polyolefinen und einem teilbiobasierten Polyamid gezeigt.

Biobasierte Flammschutzmittel sind Gegenstand intensiver Forschungsarbeiten um noch bestehende Nachteile wie geringe thermische Beständigkeit, höherer Preis und eingeschränkte Verträglichkeit mit Kunststoffmaterialien zu überwinden.

Im FNR-Projekt “BioFlammschutz“ wurde die Entwicklung von neuartigen, umweltfreundlichen, biobasierten phosphorhaltigen Flammschutzmitteln, welche eine höhere Thermostabilität haben und besser verarbeitbar sind, vorangebracht. Sie wurden mit einer am Fraunhofer LBF entwickelten Methode erzeugt, die nachhaltig und kosteneffizient ist. Die Eignung der neuen Flammschutzadditive wurde exemplarisch an ihrem Einsatz in Polypropylen und einem teilbiobasierten Polyamid gezeigt.

Die Projektarbeiten erfolgten in Kooperation mit der Hochschule Hamm-Lippstadt sowie den Unternehmen Clariant, BASF SE und ARGUS Additive Plastics GmbH.

Synthese und Strukturoptimierung

Für die Flammschutzmittelsynthese wurde der am Fraunhofer LBF entwickelte Prozess angewendet und weiter verbessert. Dieser besteht aus zwei Schritten: 

• Zunächst wird Cellulose mit einer Mischung aus Acrylsäure, Acrylsäureanhydrid und andren Carbonsäureanhydriden verestert, wobei Celluloseester mit reaktiven Acrylatgruppen erhalten werden.
• Dann wird an letztere ein Phosphorderivat des Zuckeralkohols Erythritol addiert.

Neue biobasierte Flammschutzmittel: Thermostabil, effizient und umweltfreundlich

Vorteilhaft ist, dass biobasierte und kostengünstige Rohstoffe eingesetzt und toxikologisch problematische Lösemittel und Reagenzien vermieden werden und keine Stoffe zum Entsorgen entstehen. Es besteht die Möglichkeit einer breiten Strukturvariierung und -optimierung.

Im Ergebnis wurden zwei Flammschutzmittel selektiert, von denen eines an den Einsatz im teilbiobasierten Polyamid und das andere für Polyolefine strukturoptimiert wurde.

Ersteres wurde aus Biobaumwolle synthetisiert und hat eine für biobasierte Flammschutzmittel ungewöhnlich gute thermische Stabilität (ca. 280°C). Es ließ sich einfach in das teilbiobasierte Polyamid einarbeiten und zeigte gute Flammschutzwirkung (UL94 V2-Klassifizierung). Das für Polyolefine strukturoptimierte Flammschutzmittel wurde aus Holzzellstoff synthetisiert, was aus ökonomischer und ökologischer Sicht sehr vorteilhaft ist. Die Veresterung des reaktionsträgen Holzzellstoffs gelang mit neuen, hochaktiven Katalysatoren und einer speziellen Zellstoff-Aktivierung.

Dieses Flammschutzmittel zeigte eine gute Verträglichkeit mit Polypropylen und gute Flammschutzwirkung in Prüfkörpern und Folien des Kunststoffs, insbesondere in Kombination mit Synergisten.

In dem FNR-Projekt konnten neue, biobasierte Flammschutzmittel bereitgestellt werden, die thermostabil, gut verarbeitbar sowie Flammschutz-effizient. Sie haben ein großes Anwendungspotential.