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Brandschutz ist eine der zentralen Herausforderungen im Verkehrswesen. Besonders für Schienenfahrzeuge definiert die Norm DIN EN 45545 höchste Anforderungen an die verwendeten Werkstoffe. Ungesättigte Polyesterharze (UP-Harze) stellen eine der mengenmäßig am häufigsten eingesetzte Materialklasse für Schienenfahrzeuge dar, besitzen jedoch nur eine geringe Brandfestigkeit. Heutige flammfeste UP-Harze enthalten in der Regel sehr hohe Anteile an Aluminiumhydroxid oder enthalten halogenierte Flammschutzmittel, um die Anforderungen bezüglich der Brandfestigkeit zu erfüllen. In Bezug zur neuen DIN EN 45545 reicht dies jedoch nicht mehr aus. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden daher phosphorhaltige Monomere als Rohstoffe für UP-Harze und organisch/anorganische Hybridharze aus Polysilazanen und UP-Harzen untersucht.
Es wurden drei phosphorhaltige Monomere (eine Säurekomponente und zwei Diolkomponenten) festgelegt, die in Kombination mit Standardrohstoffen eingesetzt werden sollten. Als Säurekomponente wurde Vinylphosphonsäure verwendet. Diese Säure zeigte jedoch nur mangelhafte Kondensationseigenschaften und führte zu UP-Harzen mit schlechten Verarbeitungseigenschaften, Glasübergangstemperaturen und Brandfestigkeiten. Als phosphorhaltige Diole wurden Derivate des 9,10-Dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthren-10-oxids (DOPO) und Isobutylbis-(3-hydroxypropyl) phosphinoxid untersucht. Beide Monomere wurden in Bezug auf die Kondensations-, Verarbeitungs- (Handlaminierverfahren) und Materialeigenschaften bewertet. Die erhaltenen UP-Harze auf Basis dieser Komponenten zeigten sehr gute Werkstoffeigenschaften, besonders bei Kombination beider Komponenten. Um die Anforderungen der DIN EN 45545 zu erfüllen, war jedoch die Zugabe von ATH als zusätzliches Flammschutzmittel erforderlich. Im Rahmen dieser Arbeiten konnten vier Formulierungen identifiziert und entwickelt werden, die der höchsten Anforderung in Bezug auf den MAHRE-Wert (Maximalwert der durchschnittlichen mittleren Wärmefreisetzung) aus der DIN EN 45545 gerecht werden und gleichzeitig einfacher verarbeitet werden können als heutige kommerzielle Formulierungen.
Durch die Kombination von UP-Harzen mit Polysilazanen zu Hybridharzen sollte ebenfalls die Brandfestigkeit durch die Bildung einer keramischen Schicht erhöht werden. Da Polysilazane mit den Endgruppen (insbesondere mit den Säuregruppen) der UP reagieren, war es erforderlich, die UP-Harze mittels Endgruppenverschlusses zu modifizieren. Um zufriedenstellende Werkstoffeigenschaften zu erreichen, wurden insbesondere vernetzbare Reagenzien für den Endgruppenverschluss eingesetzt.
Die eingebrachten Polysilazane führten zu einem deutlich erhöhten Brandrückstand (keramische Abbauprodukte), einer geringeren Rauchentwicklung und einer geringeren Gesamtwärmefreisetzung als bei Standard-UP-Harzen. Besonders die hohe Festigkeit des Brandrückstands ist für zahlreiche Anwendungen, insbesondere bei tragenden Konstruktionen, interessant.
Pflanzenöle als Rohstoff für Polymere versprechen eine gute Nachhaltigkeit beim Einsatz in Duromermaterialien. Aus diesem Grund wurden elektronenstrahlhärtbare Harzsysteme auf Basis von epoxidiertem bzw. acryliertem Lein- oder Sojaöl untersucht, die aufgrund ihrer hohen Funktionalität eine gute Vernetzbarkeit versprechen. Die Elektronenstrahlhärtung hat gegenüber der konventionellen thermischen Härtung den Vorteil, dass wesentlich kürzere Härtungszeiten benötigt werden, die Reaktion bei geringeren Temperaturen stattfinden kann und im Falle der Acrylatharze kein Initiator benötigt wird. Der Schwerpunkt der Arbeit lag auf der Entwicklung von neuartigen Harzsystemen, deren Eigenschaftsprofil geeignet ist für verschiedenartige Anwendungen, z. B. als Maschinengehäuse, Arbeitsplatten im Haushaltsbereich, Schutzbeschichtungen oder für die Inneneinrichtung von Schienenfahrzeugen. Notwendig hierfür sind eine hohe Glasübergangstemperatur, eine hohe Bruchzähigkeit sowie eine hohe Oberflächenhärte des Materials. Insbesondere die Inneneinrichtung von Schienenfahrzeugen unterliegt sehr strengen Normen hinsichtlich des Brandschutzes. Aus diesem Grund lag ein weiteres Augenmerk auf der Optimierung der Flammfestigkeit des Materials. Es wurden Untersuchungen zur Optimierung der Strahlungsdosis und der Initiatorkonzentration durchgeführt. Die Reinharzproben aus epoxidiertem bzw. acryliertem Pflanzenöl waren hierbei allerdings nicht in der Lage, Glasübergangstemperaturen von mindestens 100 °C zu erreichen. Dies ist notwendig, damit das Material beim Kontakt mit z. B. Wasserdampf oder Heizungsluft mechanisch stabil bleibt. Bei den Harzsystemen auf Basis von epoxidiertem Leinöl war eine Steigerung der Glasübergangstemperatur über 100 °C auch nicht durch Zugabe größerer Mengen an petrochemischen Comonomeren möglich, weshalb sie sich als ungeeignet für die angestrebten Anwendungen erwiesen. Bulkproben aus acryliertem Leinöl mit 20 Ma.-% Trimethylolpropantriacrylat und 20 Ma.-% Bisphenol A-Methacrylat erreichten mit einer Strahlungsdosis von 132 kGy hingegen eine Glasübergangstemperatur von 117 °C. Dieses Harz wies allerdings eine sehr hohe Sprödigkeit auf. Aus diesem Grund wurden verschiedene flüssige, wachsartige und thermoplastische Additive zur Steigerung der Bruchzähigkeit untersucht, wobei keines eine signifikante Erhöhung bewirkte. Mehr Erfolg hatte der Einsatz von partikulären Füllstoffen wie Aluminiumhydroxid, phosphorhaltigen Nanopartikeln und Mikrokorund, die in Kombination eine Verbesserung der Bruchzähigkeit auf bis zu K1c = 0,88 MN/m3/2 bewirkten. Die genannten Füllstoffe und phosphorhaltige Flammschutzmittel bewirkten eine Verringerung der Wärmefreisetzung im Brandfall. Allerdings sind die erzielten Werte nicht ausreichend, um die strengen Brandschutzvorschriften im Schienenfahrzeugbereich zu erfüllen. Während Aluminiumhydroxid zudem die Rauchfreisetzung beim Brand deutlich senken konnte, bewirkten sämtliche phosphorhaltigen Flammschutzmittel allesamt eine erhöhte Rauchentwicklung. Bei den phosphorhaltigen Nanopartikeln war hierbei eine direkte Zunahme der Rauchfreisetzung in Abhängigkeit des Phosphorgehalts der Partikel zu beobachten. Die Oberflächenhärte wurde durch alle drei Füllstoffe deutlich erhöht. Der Effekt von Aluminiumhydroxid und phosphorhaltigen Nanopartikeln war dabei über-raschenderweise höher als bei Mikrokorund, obwohl letzterer eine wesentlich höhere Härte aufweist. Fazit: Es ist gelungen elektronenstrahlhärtbare Harzformulierungen mit einem hohen Anteil an nachwachsenden Rohstoffen auf Basis von acryliertem Leinöl herzustellen, die gute thermomechanische Eigenschaften, eine gute Bruchzähigkeit, eine hohe Flammwidrigkeit sowie eine gute Oberflächenhärte besitzen. Die Untersuchungen zeigten, dass Harze auf Basis von epoxidiertem Leinöl die gewünschten Eigenschaften nicht erreichen konnten. Mit dem Eigenschaftsprofil der Harze ist eine Anwendung als Maschinengehäuse, Arbeitsplatten im Haushaltsbereich oder Schutzbeschichtungen möglich. Anwendungen im Schienenfahrzeugbereich sind aufgrund der nicht ausreichenden Brandeigenschaften allerdings nicht möglich.