Thermoplastisches Polyurethan (TPU) wird seit langem für seine außergewöhnliche Abriebfestigkeit, Haftung und Verarbeitbarkeit geschätzt, was es zu einem Material der Wahl in Branchen wie der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie macht. Seine hohe Entflammbarkeit und die erhebliche Rauchentwicklung bei der Verbrennung haben jedoch seine Anwendungen in den Bereichen Transport, Elektrotechnik und Textil eingeschränkt.
Nanofüller: Der Schlüssel zur TPU-Modifizierung
Das Aufkommen von Nanofüllern hat neue Möglichkeiten zur Verbesserung der Flammhemmung von TPU eröffnet. Materialien wie Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), Graphen-Nanoplättchen (GNPs), Molybdändisulfid (MoS
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) und Graphenoxid (GO) haben erhebliche Verbesserungen in der Feuerbeständigkeit von TPU gezeigt. Zum Beispiel:
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TPU/Graphenschaum (TPU/GF)-Nanokomposite, die durch Infiltration hergestellt wurden, zeigten eine Reduzierung der maximalen Wärmeabgaberate (PHRR) um 35,1 % im Vergleich zu reinem TPU.
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TPU mit 2,0 Gew.-% funktionalisiertem MoS
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erreichte eine Reduzierung der PHRR um 45,4 %.
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TPU-Nanokomposite, die mit 2,7 Gew.-% GNPs gefüllt waren, zeigten eine Abnahme der PHRR um 41,1 %.
Der Kompromiss: Flammhemmung vs. mechanische Eigenschaften
Während Nanofüller die Flammhemmung verbessern, beeinträchtigen sie oft die Zähigkeit und Elastizität von TPU. Dieser Kompromiss hat die Suche nach einer Lösung vorangetrieben, die gleichzeitig die Brandsicherheit und die mechanische Leistung verbessert.
MXen: Ein vielversprechendes neues Material
MXen (Ti
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), ein zweidimensionales Material, hat aufgrund seiner piezoelektrischen, mechanischen und elektronischen Eigenschaften Aufmerksamkeit erregt. Studien deuten auf sein Potenzial in flammhemmenden Polymer-Nanokompositen hin:
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Das Hinzufügen von 2,0 Gew.-% Ti
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zu ungesättigtem Polyesterharz reduzierte die PHRR und die Gesamtausbeute an Kohlenmonoxid (COTY) um 29,6 % bzw. 31,6 %.
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TPU/Ti
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-Nanokomposite mit 3,0 Gew.-% exfoliertem Ti
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erreichten eine Reduzierung der maximalen Rauchentwicklungsrate (PSPR) um 51,4 % und eine Abnahme der COTY um 57,1 %.
Trotz seiner beeindruckenden flammhemmenden Eigenschaften ist die Fähigkeit von MXen, die mechanische Leistung zu verbessern, begrenzt.
DOPO-HQ: Der organische Phosphor-Vorteil
DOPO-HQ (10-(2,5-Dihydroxyphenyl)-9,10-dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthren-10-oxid), eine organische Phosphorverbindung, hat sich als Nanofüller bewährt. Es verbessert nicht nur die Flammhemmung, sondern auch die mechanischen Eigenschaften. Zum Beispiel:
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DOPO-HQ-funktionalisiertes GO (FGO-HQ) reduzierte die gesamte Wärmeabgabe (THR) und die gesamte Rauchentwicklung (TSR) von Polylactid-Nanokompositen um 43,0 % bzw. 83,0 %, während die hervorragende mechanische Leistung erhalten blieb.
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Neue Oligomere auf Basis von DOPO-HQ- und Ferrocen-Gruppen (PFDCHQ) verbesserten die Brandsicherheit und den Young-Modul von Epoxy/PFDCHQ-Kompositen erheblich.
Synergistische Effekte: Kombination von MXen und DOPO-HQ
Um die Einschränkungen von MXen zu beheben, haben Forscher die Kombination von Ti
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und DOPO-HQ untersucht. Ein durch Wasserstoffbrückenbindung induzierter Selbstorganisationsansatz wurde verwendet, um einen neuartigen Nanohybriden (Ti
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-D-H) zu synthetisieren, der dann in TPU eingearbeitet wurde.
Ergebnisse: Ein umfassender Leistungsboost
Die Studie ergab, dass das Hinzufügen von nur 2,0 Gew.-% Ti
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-D-H zu TPU die Wärme- und Rauchentwicklung deutlich reduzierte und gleichzeitig die Zugfestigkeit und Zähigkeit verbesserte. Zu den wichtigsten Ergebnissen gehören:
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Flammhemmung:
PHRR und Rauchemission wurden deutlich reduziert, wodurch die Brandsicherheit erhöht wurde.
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Mechanische Eigenschaften:
Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Schlagzähigkeit verbesserten sich alle.
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Thermische Stabilität:
Die thermogravimetrische Analyse (TGA) zeigte erhöhte thermische Zersetzungstemperaturen, was auf eine bessere Leistung bei hohen Temperaturen hindeutet.
Mechanismen: Wie Ti
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-D-H funktioniert
Die Wirksamkeit des Nanohybriden beruht auf mehreren synergistischen Mechanismen:
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Physikalische Barriere:
Ti
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-Nanoblätter bilden eine Barriere, die die Wärme- und Rauchdiffusion verlangsamt.
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Chemische Flammhemmung:
DOPO-HQ setzt Phosphorradikale frei, die die Verbrennung hemmen.
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Kohlebildung:
DOPO-HQ fördert die Verkohlung und erzeugt eine Schutzschicht, die Wärme und Sauerstoff blockiert.
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Mechanische Verstärkung:
Ti
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erhöht die Festigkeit, während DOPO-HQ die Dispersion und Zähigkeit verbessert.
Anwendungen: Erweiterung der Horizonte von TPU
Dieser Durchbruch eröffnet Türen für TPU in:
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Transport:
Feuerbeständige Fahrzeuginnenräume, Flugzeugkomponenten und Hochgeschwindigkeitsbahnsitze.
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Elektronik:
Flammhemmende Kabel, Gehäuse und Isoliermaterialien.
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Textilien:
Schutzkleidung und feuerfeste Stoffe.
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Konstruktion:
Feuerfeste Beschichtungen und Baumaterialien.
Fazit: Eine neue Ära für TPU
Die Entwicklung von Ti
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-D-H stellt einen bedeutenden Fortschritt in der TPU-Modifizierung dar und bietet eine ausgewogene Verbesserung der Flammhemmung und der mechanischen Eigenschaften. Diese Innovation ebnet den Weg für breitere Anwendungen von TPU in verschiedenen Branchen und gewährleistet sowohl Sicherheit als auch Leistung.
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