Schiffsbau: Verbundkunststoffe mit Flammschutz

Ausgangsmaterialien für biobasierte Faserverbundkunststoffe mit materialintrinsischem Flammschutz für den strukturellen Leichtbau in Schiffen. Foto: Fraunhofer IFAM

Das Projekt „Green Light“ entwickelt biobasierte Verbundkunststoffe für den Schiffsbau. Eine große Herausforderung ist dabei der Flammschutz.

Beim Schiffsbau sind die Anforderungen an den Flammschutz hoch, daher werden Verbundkunststoffe für strukturelle Teile bislang nicht verwendet. Dabei hätten faserverstärkte Kunststoffe als Leichtbaumaterial das Potenzial, die Ökobilanz von Schiffen zu verbessern. Basieren Fasern und Kunststoffmatrix zudem auf nachwachsenden Rohstoffen, kann der ökologische Fußabdruck weiter reduziert werden.

Ziel eines Forschungsprojektes namens „Green Light“ ist nun die Entwicklung biobasierter Faserverbundkunststoffe mit intrinsischem Flammschutz. Das Ziel: Diese Werkstoffe sollen auch bei tragenden Strukturen im Schiffsbau zum Einsatz kommen und dort die bisherigen Materialien Stahl und Aluminium ersetzten.

Verbundkunststoffe im Schiffsbau

Als Leichtbauwerkstoff sind glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) kostengünstig, korrosionsbeständig und es lassen sich daraus komplexe, mehrfach gekrümmte Bauteile herstellen. Beim Bootsbau werden sie daher häufig verwendet. Beim Bau von Passagierschiffen sieht es derzeit anders aus: Dort dominieren immer noch Stahl und ein geringer Anteil an Aluminium.

Der Grund: Die notwendige Freigabe für den Einsatz in sog. Solas-Schiffen (Safety of Life at Sea) wurde für lasttragende Faserverbundkunststoffe noch nicht erteilt, denn die Richtlinie „Interim Guidelines for use of fibre reinforced plastic (FRP) elements within ship structures: fire safety issues“ erlaubt den Einsatz von Faserverbundkunststoffen in Solas-Schiffen derzeit nur für integrierte Strukturen oder nicht strukturelle Teile.

Verbundwerkstoffe auch für lasttragende Komponenten

Hier setzt das Projekt „Green Light“ an: Für lasttragende Komponenten sollen Faserverbundkunststoffe entwickelt werden, die zugleich die hohen Standards beim Flammschutz erfüllen. Unter der Federführung des Fraunhofer IFAM bringen die Projektpartner Meyer Werft und Invent ihre Expertise zu Materialentwicklung, Fertigungsprozessen und Schiffbau ein.

Brandsichere Faserverbundwerkstoffe besitzen für den strukturellen Leichtbau in Kreuzfahrtschiffen ein großes Potenzial. Foto: Meyer Werft

Bei Faserverbundkunststoffen sind die Temperaturbeständigkeit und das Brandverhalten in hohem Maße von der organischen Polymermatrix abhängig. Unter Wärmebeaufschlagung tritt eine thermische Zersetzung des Polymers durch Pyrolysevorgänge auf, wobei die Zersetzungstemperatur, die entstehenden Gase, deren Brennbarkeit und Toxizität von der chemischen Struktur der verwendeten Polymere beeinflusst werden. Um die Freigabe dieses Materials für Solas-Schiffe zu erhalten, müssen insbesondere die hohen Brandschutzanforderungen erfüllt werden.

Polybenzoxazine als vielversprechender Flammschutz

Das Projekt setzt mit polybenzoxazin-basierten Verbundkunststoffen an dieser Stelle an. Polybenzoxazine (PBz) gehören zur Familie der Phenolharze der neuen Generation. Sie zeigen bzgl. des präventiven Flammschutzes vielversprechende Eigenschaften und zeichnen sich im Brandfall durch geringere Wärmefreisetzung, geringere Rauchgasdichte und -toxizität aus.

Sie zeigen auch ohne Verwendung von halogenierten Flammschutzmitteln einen material-intrinsischen Brandschutz. Faserverbunde mit Polybenzoxazinen werden auch den Anforderungen nach einer mechanischen Verformung der Komponenten durch bspw. Zusammenstöße oder Unfälle gerecht. Mit diesem Ansatz werden strukturelle Komponenten in einer Schiffsstruktur für einen Anwendungsbereich betrachtet, die über den Stand der Technik hinausgehen. So lassen sich zukünftig weitere Leichtbaupotenziale erschließen.

Biobasierte Materialien für die Polymermatrix

Auf Basis von Benzoxazinen sind chemisch, mechanisch und thermisch stabile und sogar biobasierte Polymere als Polymermatrix für Faserverbundkunststoffe zugänglich. Für die Benzoxazin-Synthese sind phenolische Komponenten, Amine und Formaldehyde notwendig, wobei diese Komponenten auch aus nachwachsenden Rohstoffen, wie z. B. der Maisspindel oder Sesamsamen gewonnen werden können.

Im Projekt „GreenLight“-wird die Erforschung nachhaltiger benzoxazin-basierter Verbundkunststoffe im Sinne einer nachhaltigen Chemie erfolgen. Dabei wird bei der Auswahl der Rohstoffe ein besonderes Augenmerk auf ökologische Faktoren im Rahmen einer Nachhaltigkeitsanalyse gelegt.

Um den CO2-Fußabdruck zu reduzieren, besteht zudem die Aufgabe für diese Materialien eine möglichst lange Lebens- und Betriebszeit zu erreichen. Für dieses Ziel werden die Faserverbundkunststoffe mit Sensoren ausgestattet, die eine Zustandsüberwachung der Materialien im Betrieb erlauben. Mit dieser Sicherheit lässt sich die Auslegung der Werkstoffe in der Fertigung verbessern und die Anzahl der Wartungszyklen und der Wartungsaufwand reduzieren.

Integration von Sensoren

Die Integration der Sensoren kann durch das Einbringen von folienbasierten oder gedruckten Sensoren in Form von Pasten erfolgen. Im Rahmen des „Green Light“-Projektes werden diese Ansätze auf biobasierte Polybenzoxazine mit Basaltfaserverstärkung übertragen und Konzepte entwickelt, mit denen die Daten aus den Sensoren für Structural Health Monitoring (SHM) genutzt werden können. Diese Daten bilden auch die Grundlage für einen digitalen Zwilling, welcher das Material über den gesamten Lebenszyklus (Design, Erstellung, Betrieb und Wiederverwertung) abbildet und für die Bewertung der Langzeiteigenschaften verwendet werden kann.

Insbesondere die Hochleistungskunststoffe, wie die hier zu erforschenden benzoxazin-basierten Materialien, besitzen ein hohes Potenzial und sollen im Sinne einer stofflichen Aufwertung in alternativen Anwendungen wiederverwertet werden.

Demontage von Werkstoffverbünden

Eine Wiederverwertung vorhandener Werkstoffe oder sogar Bauteile reduziert die Verwendung von Rohstoffen. Das setzt allerdings voraus, dass die Bauteile in werkstoffreine Komponenten zur weiteren werkstofflichen Nutzung demontiert werden können.

Vor diesem Hintergrund sind in dem Projekt auch Konzepte für eine recyclinggerechte Konstruktion von Bedeutung. Berücksichtigt wird die Demontage von Werkstoffverbünden am Lebensende oder für eine notwendige Reparatur während der Betriebsdauer des Schiffes.

mg

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