Dank Nano-Füllstoffen: Neuer Weg zur umweltfreundlichen Brandschutzausrüstung von Kunststoffen

Mit dem Doktorandenpreis des Vereins zur Förderung des Leibniz-Instituts für Polymerforschung Dresden e. V. (IPF) wird in diesem Jahr Herr Dr.-Ing. Francis R. Costa ausgezeichnet.

Gewürdigt wird seine Dissertation mit dem Originaltitel „Mg-Al Layered Double Hydroxide: A Potential Nanofiller and Flame-Retardant for Polyethylene“. Herr Dr. Costa, Absolvent der Technischen Universität Kharagpur, Indien, hat an der Fakultät Maschinenwesen der Technischen Universität Dresden bei Prof. Dr. Gert Heinrich promoviert.

Die experimentellen Arbeiten zur Dissertation hat er in der Arbeitsgruppe von Hon.-Prof. Dr.-Ing. Udo Wagenknecht am IPF durchgeführt. Nach Abschluss seiner Promotion ist Herr Dr. Costa nunmehr bei der Fa. BOREALIS Polyolefine GmbH in Linz, Österreich, tätig.

Wie die Gewinner des zeitgleich verliehenen, von der Dresdner Bank geförderten Innovationspreises des IPF (vgl. IPF-Pressemitteilung 08/08) hat sich Herr Dr. Costa in seiner Dissertation mit anorganischen Nano-Füllstoffen für Kunststoffe beschäftigt. Als einer der ersten weltweit hat er das Potential von sogenannten LHDs, Layered Double Hydroxides zur Modifizierung von Kunststoffen erkannt und dieses umfassend, auf hohem wissenschaftlichen Niveau und mit breiter Anwendungsrelevanz untersucht.

Aus der Vielzahl der möglichen LDHs – Metallhydroxiden mit drei- und zweiwertigen Metalllionen in einer Schicht und anorganischen Anionen zum Ladungsausgleich zwischen den Schichten – konzentrierte er sich speziell auf die Gruppe der Hydrotalkite, bei denen Magnesium- und Aluminiumionen gemeinsam vorkommen.

Eine Eigenschaft der Hydrotalkite war dabei besonders interessant: Erhitzt man sie auf eine Temperatur von ca. 320 °C, d.h. oberhalb der Schmelzetemperatur der meisten thermoplastischen Kunststoffe, spalten sie Wasser ab. Daher sind sie geradezu prädestiniert dafür, Kunststoffen als umweltfreundliche Flammhemmer zugesetzt zu werden. Auf diesem Gebiet besteht trotz der breiten Anwendung von Kunststoffen in Technik und Bauwesen noch erheblicher Innovationsbedarf, denn die bisher zur Brandschutzausrüstung von Kunststoffen verwendeten Zusatzstoffe sind entweder umweltbelastend bzw. toxisch oder sie beeinträchtigen die mechanischen Eigenschaften des Kunststoffs.

Die flammhemmende Wirkung der Wasserabspaltung wird zusätzlich noch durch die Plättchenstruktur der Nano-Füllstoffe verstärkt, da diese im Brandfall zu einer den Gasaustausch hemmenden Oberflächenverkrustung führt. Dank dieses Effekts kann die Flammhemmung im Kunststoff bereits bei einem niedrigeren Anteil an Füllstoff erreicht werden, als dies mit klassischen mikroskaligen Flammhemmern möglich ist. Weniger Füllstoff hieße bereits, weniger Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften des Produktes, doch darüber hinaus kann durch die Plättchenstruktur des Flammhemmers sogar ein zusätzlicher Verstärkungseffekt, d.h. eine deutliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, erreicht werden.

Neben Flammhemmung und Verstärkung bieten die Eigenschaften der LDHs noch weiteres Potential für zukünftige Werkstoffentwicklungen. Ideen sind hier u.a. Kunststoffe, die als Biozide gegen Schadorganismen wirken oder solche, die auf Licht bestimmter Wellenlängen reagieren und z.B. dadurch ausgelöste Farbänderungen von Verpackungsmaterialien das Alter von verpackten Waren anzeigen.

In seiner interdisziplinär angelegten Dissertation hat Herr Dr. Costa die Grundlagen geschaffen, um das verheißungsvolle Potential tatsächlich ausnutzen zu können. Dazu mussten einerseits chemische Vorbehandlungsprozeduren entwickelt werden, um LDHs und Kunststoff miteinander reaktionsfähig/verträglich zu machen, und zum anderen mussten Verarbeitungsprozesse angepasst werden, um den Füllstoff gleichmäßig und fein verteilt in die Kunststoffmatrix einzubringen.

Im kleintechnischen Maßstab konnte Herr Dr. Costa am IPF seine Entwicklungen bereits erfolgreich testen. Mit mehreren Industriepartnern wird gegenwärtig an konkreten Projekten zur industriellen Umsetzung gearbeitet, sodass zu erwarten ist, LDH-Polymer-Nanokomposite bald in industrieller Herstellung und praktischer Anwendung zu finden.

Die Preisverleihung findet am 14. November 2008, 13.00 Uhr im Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e. V., Hohe Str.6, 01069 Dresden, statt.