title: Faserkunststoffverbunde im Schienenverkehr – Flammschutzstrategien für niedrigviskose Epoxidharze
Creators: name: Häublein, Markus
Publisher: name: University of Bayreuth
Year: 2022
Subjects: subject: Flammschutz
subject: DOPO
subject: nano-SiO2
subject: Cyclophosphazen
subject: Post-Fire
subject: 620

description: Faserkunststoffverbunde (FKV) haben aufgrund des hohen Leichtbaupotentials in den vergangenen Jahren im Schienenverkehr zunehmend an Bedeutung gewonnen. Um deren Einsatz zu gewährleisten, sind jedoch nicht nur mechanische Kenngrößen entscheidend, vor allem die flammhemmenden Eigenschaften spielen in diesem Transportsektor eine wichtige Rolle. Gegenwärtige Flammschutzkonzepte nutzen intrinsisch flammhemmend ausgerüstet Phenolharze oder Polyesterharze mit einem hohen Gehalt an Flammschutzmitteln (FSM) als Matrices für FKV. Epoxidharze zeichnen sich durch eine hohe Flexibilität, einfache Verarbeitung und gute mechanische Eigenschaften aus, allerdings sind geeignete Additive nötig, um den Flammschutzanforderungen gerecht zu werden. Um die Harzformulierung in Einklang mit den etablierten Flüssigimprägnier-Herstell-verfahren für FKV im Schienenverkehr zu bringen, sind neue innovative Flammschutz-Strategien nötig. Durch die Verarbeitungsmethode der Flüssigimprägnierung für Decken- oder Bodenstrukturen im Zugabteil ist die Auswahl an Flammschutzmitteln auf flüssige, im Harz- bzw. Härtergemisch lösliche oder nanoskalige Additive ohne Agglomerationsneigung begrenzt. Als Additive kommen in dieser Arbeit ein 9,10-Dihydro-9-oxa-10-phosphaphenan-thren-10-oxid (DOPO) Novolac, ein Hexaphenoxy-Cyclotriphosphazen (kurz: Cyclophosphazene, CP) und nano-SiO2-Partikel zum Einsatz. Ziel der Arbeit ist es, eine wissenschaftliche Grundlage für die Wechselwirkung der beiden Flammschutzmittel DOPO und CP bzw. DOPO und nano-SiO2 hinsichtlich Flammschutzwirkung und mechanischer Performance zu schaffen. Der wissenschaftliche Fokus der Arbeit liegt auf der Aufklärung von Flammschutzmechanismen und dem Wechselspiel von gas- und festphasenaktiven Additiven während der Verbrennung. DOPO, als alleiniges Additiv eingesetzt, besitzt einen starken gasphasenaktiven Charakter. Es zeigt sich, dass Verkohlungsrückstände von CP durch die partielle Festphasenaktivität von DOPO unterstützt wird. Die Bildung von Verbrennungsrückständen, die die Wärmefreisetzung reduzieren, sind die Folge. Nano-SiO2 in Kombination mit DOPO resultiert in einer Festphasenaktivität des phosphorbasierten DOPO, was zur Bildung von Phosphoroxid-Gläsern führt. Neben dem Flammschutzverhalten im Reinharz werden die Transfermechanismen der Brandschutzeigenschaften in den Faserkunststoffverbund evaluiert. Es zeigen sich vor allem gasphasenaktive Flammschutzmittel als wirkungsvoll. Die matrixdominanten mechanischen Eigenschaften der Faserverbundlaminate wurden in Druckversuchen ermittelt. Es zeigt sich, dass die Interaktion der Flammschutzmittel untereinander entscheidend ist. Die Einarbeitung von Cyclophosphazene erhöht den Reinharz-Modul und folglich die Druckfestigkeit der Laminate. Die sphärischen nano-SiO2-Partikel führen ebenfalls zu einer Verbesserung der Festigkeit, erst in Kombination mit DOPO ist bei CP und SiO2 ein Festigkeitsabfall bei hohen Gehalten messbar. Dies liegt begründet in einer erhöhten Neigung des Cyclophosphazenes zur Phasenseparation bzw. der Agglomerationsbildung der nano-Partikel. Die „Post-Fire“ mechanischen Eigenschaften werden an verbrannten Cone-Kalorimeter-Proben ermittelt. Durch glasbildende Rückstände der nano-SiO2-Systeme bzw. deren Kombination mit DOPO verbessern sich die Festigkeitskennwerte der verbrannten Faserverbundlaminate. Ein „Verkleben“ der Einzellagen ist hier als Grund anzuführen.