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Flexible, niedrigdichte Schäume aus Biokunststoffen im Extrusionsverfahren herzustellen war bisher industriell noch nicht möglich. Im Verarbeitungstechnikum Biopolymere des Fraunhofer IAP wurde in einem Projekt die Eignung von PBS-basierten Biokunststofftypen für Schaumanwendungen erforscht und weiterentwickelt.
Die Werkstoffklassen
(2020)
Es werden die vier Werkstoffklassen Metalle, Keramiken, Polymere und Verbundwerkstoffe sowie ihre Untergruppen vorgestellt. Die metallischen Werkstoffe umfassen die Eisen- wie die Nichteisenwerkstoffe und ihre Legierungen. Neben den Ingenieurkeramiken werden auch Glas und Glaskeramik, Naturstoffe und Erdstoffe sowie Baustoffe behandelt.
Nach einer Übersicht zu den immer schneller aktualisierenden Rahmenbedingungen von Politik und Gesellschaft folgt eine Übersicht zu materialwissenschaftlichen Problemen des Recyclings von Kunststoffen. Lösungsansätze aus der Forschung reichen von einfacher Optimierung bis hin zur radikalen Neukonstruktion der polymeren Werkstoffe. Aus dem bereits möglichen Ansatz "performance-by-design" wird ein neuer Weg des "recycling-by-design" adressiert. Dies inkludiert methodisch eine skalenübergreifende Modellierung und die Depolarisation bis zum Monomer.
Die Anwendung thermoanalytischer Methoden für die Polymercharakterisierung hat aufgrund der makromolekularen Struktur von Polymere Vorteile. Es wurden zwei neue thermoanalyti-sche Verfahren entwickelt und deren Einsatz anhand von Anendungsbeispielen demons-triert, sowie mit etablierten, thermoanalytischen Methoden verglichen.
Für die thermische- und thermo-oxidative Zersetzungsgasanalytik wurde die Thermogravi-metrie (TGA) gekoppelt mit der Thermodesoptions-Gaschromatographie-Massenspektrometrie (TDS-GC-MS). Die Zersetzungsgase der TGA wurden dafür über ei-nen Festphasenadsorber geleitet, auf dem eine repräsentative Auswahl von polymerspezifi-schen Analyten adsorbiert wurde. Die thermische Extraktion der Analyten erfolgte in der TDS-GC-MS. Dies ermöglichte die Trennung der Analyten sowie die eindeutige Identifizie-rung mittels charakteristischer Massenfragmentmuster. Sie wurde als TED-GC-MS bezeichnet. Es stellte sich heraus, dass sie sich besonders für die Analyse von komplexen Kohlen-wasserstoffgemischen mit Molmassen von mehr als 100 g/mol eignet. In Kombination mit anderen Kopplungstechniken wie beispielsweise die TGA-FTIR/MS, die speziell für die Ana-lyse von kleineren Molekülen verwendet wurde, konnten neue grundlegende Zersetzungs-mechanismen entwickelt werden. Es wurde beispielsweise sichtbar, dass sowohl bei der thermischen als auch bei der thermo-oxidativen Degradation von Polyamid 66 (PA 66) Kon-densationsreaktionen eine wichtige Rolle spielen. Die Methode erwies sich darüber hinaus als besonders geeignet für die Identifizierung und Quantifizierung von Polymeren in Umweltproben. Es entstand dazu eine erste grundlegende Arbeit für die quantitative Bestimmung von Polyethylen (PE) Mikroplastik in Umweltproben.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde eine steuerbare beheizbare Zelle eingeführt. Mit ihr war es möglich, mit Hilfe der Nahinfrarotspektroskopie (NIR), sich verändernde Netzwerkstrukturen während der Härtung sichtbar zu machen. Vergleichend dazu wurden etablierte, kalorische Messungen durchgeführt. Somit konnten für verschiedene Epoxidsysteme die Aushärtegrade während der Härtung mit variablen Heizraten bestimmt werden. Dadurch konnten Aushär-tungskinetiken erstellt werden, die durch isotherme und komplexe Aushärtungsszenarien validiert wurden.
Bei elektrisch isolierenden Polymeren kann durch Beimischung leitfähiger Partikel eine Leitfähigkeit erreicht werden. Polymere mit einem strukturell geordneten, ungesättigten Polymerkörper besitzen bereits eine intrinsische Leitfähigkeit. Dünne Polymerschichten, wie sie mit Plasmaverfahren erzeugt werden, unterscheiden sich ganz wesentlich in ihrer Struktur von den klassischen Polymeren. So besitzen Plasmapolymerschichten aus leitfähigen Polymeren nur sehr geringe Leitfähigkeiten. Diese kann durch eine Dotierung mit Jod bei erhöhter Temperatur verbessert werden. Da eine Dotierung während des Plasmaprozesses mit elementarem Jod schwierig ist, wurde am Fraunhofer-Institut für Angewandte Materialforschung ein neues Plasmaverfahren entwickelt und in einer Laboranlage erprobt. Die Anlage arbeitet mit einem Argon-Mikrowellenplasma, dem jodhaltige aromatische Monomere (2-lodthiophen) zugesetzt wird. Die elektrische Leitfähigkeit der erzeugten Plasmapolymerschicht ist gut; ihr Aufbau und molekulare Struktur wurden mit ESCA und IR-Spektroskopie untersucht.
Zur Toxizität von Brandgasen insbesondere von organischen Stoffen liegen bisher noch unzureichende Erkenntnisse vor, obwohl diese für die Sicherheit der damit konfrontierten Personen oft von entscheidender Bedeutung sind. Ziel der hier dargestellten Untersuchungen ist es, die Zusammensetzung des Brandgases und die Menge der Brandgaskomponenten im Brandfall zu beurteilen und zu quantifizieren sowie entsprechende Prozeduren hierfür aufzuzeigen. Dazu wurden verschiedene Brandszenarien, die durch Verwendung von unterschiedlichen Arten von Prüföfen simuliert wurden, sowie Proben in den unterschiedlichen Größenmaßstäben untersucht. Durch den Einsatz eines mobilen FTIR-Gerätes (Fourier Transformations Infrarot Spektroskopie) ist es experimentell möglich, zeitaufgelöst quantitative Bestimmungen einzelner toxischer Brandgaskomponenten während der jeweiligen Brandszenarien zu ermitteln und somit eine Abschätzung der Toxizität vorzunehmen. Am Beispiel von Polyvinylchlorid (PVC) wird gezeigt, welche Auswirkungen die unterschiedlichen Brandszenarien auf die qualitative und quantitative Brandgaszusammensetzung haben.
Im Rahmen der Richtlinie 2003/11/EG zur 24. Änderung der Richtlinie 76/769/EWG wurde ein Grenzwert von 0,1 Gewichts-% für penta- und octabromierte Diphenylether in Erzeugnissen festgelegt. Zur Überprüfung dieses Grenzwertes wurde ein Standardanalyseverfahren zur quantitativen Bestimmung von ausgewählten Pentabromdiphenylethern (PentaBDE-Isomere) und Octabromdiphenylethern (OctaBDE-Isomere) in Polymeren mit Hilfe der Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC/MS) entwickelt. Zur Verfahrensentwicklung wurden folgende Isomere ausgewählt: BDE85 (2,2,3,4,4-PentaBDE), BDE99 (2,2,4,4,5- PentaBDE), BDE100 (2,2,4,4,6-PentaBDE), BDE203 (2,2,3,4,4,5,5,6-OctaBDE), BDE196 (2,2,3,3,4,4,5,6-OctaBDE) und BDE197 (2,2,3,3,4,4,6,6-OctaBDE). Vorbereitend wurden folgende Modellpolymere hergestellt: Polyurethan (PUR-H) mit 0,1 Gew.-% Summe PentaBDEIsomere, Epoxidharz (EP) mit 0,1 Gew.-% Summe PentaBDE-Isomere, Polystyrol (PS) und Acrylnitril-Butadien-Styrol- Copolymer (ABS) mit jeweils 0,1 Gew.-% Summe OctaBDE-Isomere. Im Rahmen des Projektes wurde ein Ringversuch mit 18 Teilnehmern durchgeführt, bei dem die genannten Polymere dem Standardanalyseverfahren unterzogen wurden. Der Ringversuch wurde zwischen dem 01. Juni und 30. November 2004 veranstaltet. Die Datenauswertung erfolgte in Anlehnung an DIN ISO 5725-2:2002-12 Genauigkeit (Richtigkeit und Präzision) von Messverfahren und Messergebnissen, Teil 2: Grundlegende Methode für die Ermittlung der Wiederhol- und
Vergleichpräzision eines vereinheitlichten Messverfahrens. Folgende Mittelwerte der Ermittlungsergebnisse sowie
Standardabweichungen wurden bestimmt: 1,09 ± 0,16 mg g-1 (15 %) (Summe PentaBDE-Isomere/EP), 1,3 ± 0,19 mg g-1 (15 %) (Summe PentaBDE-Isomere/PUR-H), 0,99 ± 0,27 mg g-1 (27 %) (Summe OctaBDEIsomere/PS), 0,42 ± 0,11 mg g-1 (26 %) (Summe OctaBDE-Isomere/ABS). Als statistische Kennzahlen für das Standardanalyseverfahren wurde folgende Parameter ermittelt: Für PentaBDE-Isomere in EP wurde eine Wiederholstandardabweichung von srj = 0,044 mg g-1 (4,0 %) und eine Vergleichstandardabweichung sRj = 0,167 mg g-1 (15 %) bestimmt. Für PentaBDE-Isomere in PUR-H ergab sich für srj = 0,038 mg g-1 (2,9 %) und sRj = 0,195 mg g-1 (15 %). Für OctaBDE-Isomere in ABS ergab sich für srj = 0,029 mg g-1 (6,9 %) und sRj = 0,114 mg g-1 (27 %) und für OctaBDE-Isomere in PS srj = 0,043 mg g-1 (4,3 %) und sRj = 0,255 mg g-1 (26 %).