An den Deutschen Instituten für Textil- und Faserforschung Denkendorf DITF arbeitet das Forschungsteam „Polymere und Faserverbunde“ an der flammgeschützten Ausrüstung von PEF. In hauseigenen Reaktoren wird das biobasierte Polymer synthetisiert und in umfangreichen Versuchsreihen mit phosphorbasierten Flammschutzmitteln untersucht, die chemisch an die Polymermoleküle angebunden werden.
Hintergrund ist, dass PEF technologisch bereits weit entwickelt ist, bislang jedoch ein wirksamer Flammschutz für einen breiten Einsatz im textilen Sektor fehlte. Durch die chemische Anbindung soll ein Ausbluten verhindert und ein langfristiger Brandschutz bei möglichst geringer Additivkonzentration erreicht werden, um PEF für sicherheitsrelevante textile Anwendungen nutzbar zu machen.
Phosphorbasierter Flammschutz reduziert Brennbarkeit
Die Notwendigkeit flammgeschützter Materialien ist angesichts schwerer Brandereignisse erneut deutlich geworden. Ob als Baustoff, Isolierung oder Bestandteil zahlreicher Alltagsprodukte, Materialien mit wirksamem Brandschutz tragen wesentlich zur Sicherheit bei. Textilien nehmen hierbei eine besondere Rolle ein, da sie in großen Mengen im Bauwesen, in Sicherheits- und Schutzkleidung, in Fahrzeuginnenräumen sowie im Wohnbereich, etwa in Teppichen und Polstermöbeln, eingesetzt werden.
Seit Jahrzehnten kommen flammhemmende Verbindungen in synthetischen Fasern zum Einsatz. Besonders wirksam sind anorganische, bromierte oder phosphororganische Substanzen, die vor allem in Polyesterfasern verwendet werden. Phosphorverbindungen gelten im Vergleich als weniger umweltschädlich, sofern sie freigesetzt werden. Ihre Wirkung beruht auf der Ausbildung einer schützenden Verkohlungsschicht sowie dem Abfangen freier Radikale. Dadurch wird die Entflammbarkeit reduziert, die Freisetzung giftiger Gase begrenzt und die weitere Hitzeentwicklung eingeschränkt.
Chemische Anbindung als zentraler Lösungsansatz
Parallel zur etablierten Nutzung petrochemisch basierter Polymere ist seit einigen Jahren ein Wandel hin zu biobasierten Fasern zu beobachten. Ihr Marktanteil ist im Vergleich zu Materialien wie Polyester oder Polypropylen noch gering, wächst jedoch kontinuierlich. Biobasierte Polymere verringern die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen, unterstützen die Kreislaufwirtschaft und tragen zur Reduktion von Treibhausgasemissionen bei.
PEF, chemisch als Polyethylenfuranoat bezeichnet, weist viele Eigenschaften des verbreiteten Polyethylenterephthalats auf, basiert jedoch auf biobasierten Monomeren. Technologisch ist PEF bereits weit entwickelt und befindet sich auf dem Weg in den Markt. Für einen breiten Einsatz im textilen Sektor fehlte bislang jedoch ein geeigneter Flammschutz, der dauerhaft wirksam, wirtschaftlich und möglichst umweltverträglich ist.
An den DITF wird PEF nicht nur synthetisiert, sondern gezielt modifiziert. In umfangreichen Versuchsreihen wurden verschiedene phosphorbasierte Flammschutzmittel in unterschiedlichen Konzentrationen untersucht und hinsichtlich ihrer Eignung bewertet. Zwei Aspekte standen dabei im Mittelpunkt. Das Flammschutzmittel sollte chemisch an die Polymermoleküle angebunden werden, um ein Ausbluten zu verhindern. Gerade bei Fasern mit geringem Durchmesser und hoher spezifischer Oberfläche ist dies entscheidend für einen langfristigen Brandschutz.
Zudem sollte die eingesetzte Menge des Additivs so gering wie möglich gehalten werden, ohne die Wirksamkeit zu beeinträchtigen. Trotz ihrer brandschützenden Eigenschaften gelten viele Additive als potenziell gesundheitsschädlich und sind aufgrund ihrer chemischen Stabilität in der Umwelt schwer abbaubar. In Denkendorf gelang es, diese Anforderungen zu erfüllen. Darüber hinaus wurde durch eine Festphasenkondensation das Molekulargewicht der synthetisierten Polymere erhöht, wodurch sich Fasern höherer Festigkeit ausspinnen ließen.
Brandprüfungen bestätigen verminderte Brennbarkeit von PEF
Untersuchungen des thermischen und rheologischen Verhaltens grenzten die im Spinnprozess einsetzbaren PEF-Varianten mit unterschiedlichen Flammschutzmittelkonzentrationen weiter ein. Neben einer flammschutzmittelfreien Referenz wurde eine Variante verarbeitet, die fünf Gramm Phosphor je Kilogramm Polymer in Form copolymerisierter Organophosphorverbindungen enthielt.
Die im Spinntechnikum hergestellten Fasern wurden zu textilen Flächen verarbeitet und Brandprüfungen unterzogen. Dabei zeigten die mit Flammschutz ausgerüsteten Gestricke eine deutlich verminderte Brennbarkeit im Vergleich zur Referenz. Flammgeschützte PEF-Fasern werden an den DITF weiterhin untersucht, um ihre Eigenschaften weiter zu optimieren und den Einsatzbereich im textilen Sektor auszubauen.
