Stabilisierung von Kunststoffen gegen UV-C-Strahlung

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© MetraLabs GmbH, STERYBOT®
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Zielsetzung

Die Corona-Pandemie ist ein Treiber für die Verbreitung von UV-C-basierten Desinfektionsgeräten. Kommerziell erhältliche Geräte auf Basis von Quecksilberdampflampen (λ = 254 nm) und UV-C-LEDs (260 nm < λ < 290 nm) werden bereits an vielen Orten wie in Bahnen, Flugzeugen, Supermärkten und öffentlichen Gebäuden eingesetzt. Bestrahlte Bauteile erstrecken sich von Sitzbezügen und Verkleidungen über Verpackungen und Gehäuse bis hin zu Fußbodenbelägen und Wandverkleidungen. Somit wird nahezu jeder technische Kunststoff (z. B. PE, PP, PA, PS, Polyester, PF/MF-Harze, Elastomere) dieser hochenergetischen Strahlung ausgesetzt. Ein effektiver Schutz vor der UV-C-Strahlung besteht in der Regel nicht, da Polymere für Innenanwendungen kaum oder gar nicht gegen UV-Strahlung stabilisiert sind.

Für Außenanwendungen werden Kunststoffe durch Additivierung routinemäßig gegen UV-A und UV-B-Strahlung stabilisiert, jedoch tritt UV-C-Strahlung nicht in der Natur auf und wurde daher bisher in der Additiventwicklung nicht berücksichtigt. Es ist folglich unklar, ob diese Additive auch einen Schutz gegen UV-C-Strahlung bewirken.

Es ist davon auszugehen, dass UV-C-Desinfektionsgeräte über die Corona-Pandemie hinaus eingesetzt werden und einige der bestrahlten Kunststoffe – vor allem Kunststoffe, die für Innenanwendungen ausgelegt sind – vorzeitig vergilben, ausbleichen, rissig und/oder permeabel werden. Optik und Schutzfunktion der Kunststoffprodukte sind dann gefährdet und Reklamationen absehbar.

Ziele des Verbundvorhabens sind daher:

  • die Wirksamkeit verfügbarer UV-Stabilisatoren gegen UV-C-Strahlung zu testen
  • und anhand vorhandener Additive wirksame(re) Additivkombinationen zu identifizieren.

Mit dem Wissen über die UV-C-Empfindlichkeit gängiger Polymere können Unternehmen potentielle Risiken durch UV-C-Desinfektion für ihre im Markt vorhandenen Materialien einschätzen. Angestrebt ist, dass Materialhersteller, Additiventwickler, Kunststoffverarbeiter und Hersteller von Kunststoffprodukten sowie von UV-C-Desinfektionsgeräten durch die Projektergebnisse konkrete Handlungsempfehlungen zur Vermeidung von Reklamationen an ihre Kunden ausgeben können. Mit den aus dem Projekt entstehenden Additivierungskonzepten kann zudem die Chance bestehen, frühzeitig Wissen zu erfolgversprechenden Additivkombinationen und –konzepten zu erlangen und so für alle beteiligten Firmen die Möglichkeit zu schaffen, innovative UV-C-stabile Materialien und Produkte herzustellen und gezielt zu vermarkten.

Schwerpunkte und Vorgehen

Zum Erreichen der Ziele ist folgende Vorgehensweise geplant. Eine detaillierte Abstimmung erfolgt zu Projektbeginn gemeinsam mit den Projektpartnern.

Schwerpunkte der Projektarbeit sollen (I) die Untersuchung der Wirksamkeit bestehender UV-Additive gegen UV-C-Strahlung und (II) die Entwicklung leistungsfähiger Schutzkonzepte auf Basis bestehender Additive sein. Aufgrund der hohen Verbreitung schlägt das LBF die Untersuchung von Polyolefinen wie PE und PP vor, sowie PA, PS, Polyester, für Handläufe oder Dichtungen genutzte Elastomere und Melamin- und Phenolharze, die z. B. in Laminaten Anwendung finden. Eine paritätische Anpassung der betrachteten Substrate im Konsortium ist selbstverständlich möglich. Ebenso können Füllstoffe, Pigmentierung und Einfärbung berücksichtigt werden.

Dazu werden zunächst Prüfkörper aus gängigen, unstabilisierten Polymeren (z. B. PE, PP, PA, PS, Polyester, PF/MF-Harze, Elastomere) hergestellt. Die Materialien werden zusammen mit den Projektpartnern festgelegt und werden – wenn möglich – von diesen in der eingesetzten Form bereitgestellt. Die Herstellung der Prüfkörper erfolgt am Fraunhofer LBF. Die Prüfkörper werden mit UV-C-Strahlung beansprucht. Zu bestimmten Zeitpunkten werden Farbe und Glanz (F&G) und der chemische Abbau durch FTIR-Spektroskopie untersucht. Ergänzend erfolgen Kerbschlagprüfungen zur Bestimmung bruchmechanischer Kennwerte und lichtmikroskopische Aufnahmen (LM) zur Erfassung oberflächennaher Veränderungen. So soll die Schädigung der Polymere durch UV-C-Bestrahlung systematisch erfasst werden. Auch die Auswahl der Messmethoden kann mit den Projektpartnern an die Auswahl der Polymere und deren Einsatzzwecke angepasst werden.

I) Untersuchung der Wirksamkeit bestehender UV-Additive

Anhand der Interessen der Partner und des erworbenen Wissens über die tatsächliche Empfindlichkeit gegenüber UV-C-Strahlung werden Kunststoffe ausgewählt und mit marktüblichen UV-Stabilisatoren ausgerüstet. Es soll untersucht werden, welche Rolle die verschiedenen Additivklassen für eine erfolgreiche UV-C-Stabilisierung spielen. Die Beanspruchung durch regelmäßige, sehr kurze UV-C-Desinfektion ist mit der zerstörerischen Wirkung langjähriger Freibewitterung vergleichbar. Durch die höhere Energie der Photonen sind andere Abbaumechanismen als bei der Bewitterung zu erwarten. Die Wirksamkeit einzelner Stabilisatoren oder ganzer Gruppen kann dadurch verringert oder vollständig unterbunden sein. UV-Absorber, HALS, Quencher und Antioxidantien werden ebenfalls unter paritätischer Beteiligung des Konsortiums in die Untersuchungen einbezogen, um Anwendungsnähe zu gewährleisten.

Die additivierten Prüfkörper werden dazu mit UV-C-Strahlung beaufschlagt und nach bestimmten Zeiten physikalisch-chemisch charakterisiert. Als Referenz sollen Proben gleicher Zusammensetzung UV-A-Strahlung nach genormten Verfahren ausgesetzt und charakterisiert werden, um die Wirksamkeit der Additive im Vergleich zur bekannten UV(-A)-Beanspruchungen zu bewerten.

II) Entwicklung potenter Schutzkonzepte auf Basis bestehender Additive

Auf Basis dieser Ergebnisse werden für ausgewählte Polymere Musterformulierungen mit vorhandenen UV-Additiven entwickelt, die einen möglichst hohen UV-C-Schutz ergeben sollen. Die Wirksamkeit dieser Formulierungen wird durch UV-C-Bestrahlung und Charakterisierung durch Farb- und Glanzmessungen sowie durch Kerbschlagprüfungen, FTIR-Spektroskopie und Lichtmikroskopie untersucht und bewertet. Ziel ist es, grundsätzliche Schutzkonzepte zu entwickeln, die die Projektpartner zur Stabilisierung gegen UV-C-Strahlung in ihren vorhandenen Rezepturen verwenden können.

Die Ergebnisse werden den Projektpartnern in regelmäßigen Treffen im Rahmen eines Vortrages präsentiert und die jeweils nächsten Arbeitsschritte besprochen. Alle Ergebnisse werden zum Projektende in Form eines ausführlichen Forschungsberichtes dokumentiert und den Projektpartnern zur Verfügung gestellt.