Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Flammgeschütze Kabelmäntel mit verbesserten Langzeiteigenschaften durch Aufklärung von Wechselwirkungen zwischen nanoskaligen Füllstoffen und Verarbeitungs- oder Langzeitstabilisatoren

Kabelmäntel und Drahtisolierungen müssen über viele Jahrzehnte der Nutzung hohe Anforderungen erfüllen. Die dafür notwendigen Materialeigenschaften des Kunststoffs, wie das Verhalten im Brandfall und der Kettenabbau während der Verarbeitung, der Nutzung und der Lagerung, werden durch Zuschlagstoffe erzielt.

In der harmonisierten Norm hEN 50575:2017 sind die Anforderungen an dauerhaft verbaute Kabel und Leitungen festgelegt. Um die verschärften Brandschutzbestimmungen dieser Norm bei gleichen Werkstoffeigenschaften zu erfüllen, wurden bei bestehenden Formulierungen von Kabelmänteln konventionelle anorganische Flammschutzmittel zum Teil gegen nanoskalige Füllstoffe ausgetauscht. Aktuelle wissenschaftliche Untersuchungen haben die Frage aufgeworfen, ob die große spezifische Oberfläche nanoskaliger Füllstoffe die Langzeitbeständigkeit der Kabelcompounds verringert. Im ungünstigsten Fall geht die Isolierwirkung des Kabelmantels verloren, so dass aufgrund der Gefahr von Kurzschlüssen und Bränden verbaute Kabel aufwendig entfernt und erneuert werden müssen. Viele Firmen in der Wertschöpfungskette von Kabeln sind betroffen. Hieraus ergibt sich der Nutzen für kleine mittelständische Unternehmen (kmU), die Polymer- und Zuschlagstoffhersteller, Planungsbüros, die bei der Kabelentwicklung beraten, und lokale Elektroinstallationsbetriebe umfassen. Nicht zuletzt sind auch öffentliche Einrichtungen wie Schulen, Kindergärten oder auch Krankenhäuser direkt betroffen.

Dieses Vorhaben zielt daher auf eine verbesserte Langzeitstabilität von Kabelmänteln und Drahtisolierungen mit nanoskaligen Füllstoffen als Flammschutzmittel. Beispielhaft soll das Zusammenspiel zwischen Nanoclay und Lichtstabilisatoren (sterisch gehinderte Amine) und primären Antioxidantien (sterisch gehinderte Phenole) untersucht werden, um das vertiefte Verständnis aus den Bereichen Materialforschung, Kunststoffanalytik und Additivierung zur Verbesserung solcher Compounds nutzen zu können.

Ergebniszusammenfassung:

1. Vorhersage der Alterungsstabilität eines Datensatzes zur untersuchten Kabelformulierung. Grundlage hierzu ist das Erstellen des Datensatzes auf Basis der Alterung verschiedener per Versuchsplanung zusammengestellter, variierender Polymerformulierungen mittel ATR-IR-Spektroskopie.

Durch Verwendung von nichtnegativer Matrixfaktorisierung (NMF) können die Veränderungen der Alterungsstabilität bis zu einem gewissen Grad vorhergesagt werden.

Ein ATR-IR ist ein Spektroskopiegerät, welches einen überschaubaren Preis hat und relativ einfach bedient werden kann. Wenn Bedenken über eine verringerte Langzeitstabilität bestehen, kann ein mittelständisches Unternehmen mit einer überschaubaren Auswahl an Modellcompounds einen Versuchsplan erstellen, und der im Projekt beschriebenen Methodik folgen.

2. Das konkrete Problem der verringerten Lebenszeit bei dem Austausch einer kleinen Menge mineralischen Füllstoffes durch nanoskalige Füllstoffe wurde ausgehend untersucht und detailliert beschrieben. Auf der einen Seite führt die große spezifische Oberfläche der interkalierten Schichtsilikate durch aktive Sites auf der Füllstoffoberfläche inhärent zu einer Destabilisierung des Polymers, auf der anderen Seite werden die in der Rezeptur enthaltenen Stabilisatoren durch die Füllstoffe adsorbiert und in Folge deaktiviert, weshalb das Polymer gegenüber Alterung anfälliger wird. Eine Abhilfe in der Rezeptur konnte durch die Erweiterung von Epoxid zur Deaktivierung aktiver Sites der Silikate oder die Nutzung eines NOR-HALS für verringerte Wechselwirkungen mit dem Silikat aufgezeigt werden. Diese Erkenntnis erlaubt eine schnelle Anwendungsmöglichkeit. Ein Unternehmen kann dies direkt in seiner Produktion einsetzen und muss die Rezeptur gegebenenfalls minimal auf die finale Produktanwendung oder Prozessierung anpassen. Weitere plausible Ansätze für die Verbesserung der Langzeitstabilität von flammgeschützt ausgerüsteten Polymernanokompositen wurden identifiziert.