Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBFLangzeitstabilität von Kabelmänteln
Wechselwirkungen von Additiven mit Füllstoffen bei flammgeschützten Kabelmänteln
Kunststoffe für Kabelmäntel müssen hohen Anforderungen über einen langen Zeitraum gerecht werden. Die notwendigen Eigenschaften wie beispielsweise der Flammschutz des Kunststoffs werden durch Additive gezielt eingestellt. Durch das Inkrafttreten der Norm hEN 50575:2017 wurden die verschärften Brandschutzauflagen, je nach Zusammensetzung der Kabelformulierung, erst durch den Zusatz von Schichtsilikate erreicht. Diese verringern allerdings maßgeblich die Langzeitstabilität des Kabelmantels - eine Problemstellung, die von den WissenschaftlerInnen des Fraunhofer LBF im Rahmen des Projektes NanoFlame (IGF-Vorhaben-Nr. 20725 N) angegangen wurde.
Die untersuchten Kabelmäntel bestehen neben den Polymeren Polyethylen (PE) und Polyethylvinylacetat (EVA), aus einem hohen Füllstoffanteil, Aluminiumtrihydroxid (ATH), sowie nanoskaligen zwischenschichtmodifizierten Schichtsilikaten. Vervollständigt werden diese Formulierungen durch verschiedene Additive, u.a. Alterungsschutzmittel und Kompatibilisatoren. Im Rahmen des Projektes wurden Additiv-Füllstoff Wechselwirkungen identifiziert, die für die unzureichende Langzeitstabilität verantwortlich sind. Ergänzend wurde eine Methode zur Früherkennung des Versagenverhaltens unter den genannten Randbedingungen entwickelt. Diese kann in die Entwicklung neuer Materialien eingebunden werden, die neben einem adäquaten Flammschutz auch entsprechende Langzeiteigenschaften aufweisen müssen.
Die Oxidation der Kabelformulierung durch die Bewitterung wird bei der verbesserten Rezeptur verringert, eine höhere Langzeitstabilität ist die Folge.
Die Schädigungsanalyse wurde mittels ATR-IR-Spektroskopie durchgeführt, wobei die Auswertung der Daten unter Verwendung der nicht-negativen Matrixfaktorisierung (NMF) erfolgte. Das Verfahren erlaubt eine direkte Zuordnung der für die Oxidation verantwortlichen Signale, die häufig überlagert detektiert werden und daher nur schwer zu interpretieren sind. Zusätzlich wird die zeitliche Veränderung der Probe gemessen, wie die Abspaltung von Acetat aus EVA. Die Wechselwirkungen der zwischenschichtmodifizierten Schichtsilikate, bzw. die Zwischenschichtmodifizierung selbst, auf die Polymermatrix, wie auch auf die Additive, betrachtet werden.
Aus diesen Erkenntnissen resultieren Formulierungs-Empfehlungen, um eine erhöhte Langzeitstabilität zu erzielen. Zwei erfolgreiche Lösungsansätze wurden verfolgt, die Verwendung eines Lichtschutzmittels mit geringerer Neigung zur Bildung von H-Brücken sowie der Einsatz eines Epoxides, um aktive Gruppen auf der Silikatoberfläche zu deaktivieren.
Die NMF kann auf Basis eines umfangreichen Datensatzes, welcher aus den analytischen Methoden gespeist wird, früh eine Schädigung erkennen. Dieses Tool kann zur beschleunigten Formulierungsentwicklung von Kabelmänteln genutzt werden – das Modell ist mit einem, auf dem jeweiligen System basierten, umfangreichen Datensatz auch auf andere Systeme anpassbar.
