Biobasierte Flammschutzmittel für Leder und Textilien (BioFRLeTex)

Ausgangssituation

Im Bereich des Flamm­schutzes gibt es einen wachsenden Trend zum Einsatz von Substanzen, die kein Risiko für Mensch und Umwelt darstellen. Neue gesetz­liche Vorgaben verbieten potenziell gefähr­liche Verbindungen, darunter auch gängige halogen- und stickstoff­haltige Flamm­schutz­mittel. Hinzu kommt ein verstärkter Fokus der Kunden bezüg­lich natürlicher, nicht erdöl­basierter und toxiko­logisch unbedenklicher Produkte. Es besteht daher die Notwendig­keit, wirk­same und umwelt­freundliche Flamm­schutz­mittel zu entwickeln.

Projektziel

Ziel des Projekts war die Entwicklung bio­basierter Flamm­schutz­mittel, die sich für die Anwendung in der Leder- und Textil­herstellung eignen. Die Flamm­schutz­mittel sollten frei von toxischen Verbindungen sein und damit der EU-Gesetzgebung (z. B. REACH) sowie weiteren anwend­baren Kenn­zeichnungs­anforde­rungen (z. B. OEKO-TEX®) entsprechen.

Lösungsweg

Innerhalb des Vorhabens lag der Schwer­punkt auf der Evaluierung geeigneter Non-Food-Proteine und anderer biobasierter Substanzen hinsicht­lich ihrer Eignung als natür­liche Flamm­schutz­mittel. Als poten­zielle Kandidaten wurden die Proteine Kollagen und Keratin sowie verschiedene Polyole, Lignin, Vitamin B5, Vanillin und einige pflanz­liche Ölsäuren als weitere bio­basierte Substanzen einge­setzt. Mit Hilfe verschie­dener Phosphorylierungs­methoden wurden von allen ausge­wählten Verbindungen phosphor­haltige Derivate erzeugt. Diese Derivate wurden mittels verschiedener Analyse­verfahren auf ihre chemische Zusammen­setzung hin untersucht. Anschließend wurden die modifi­zierten Verbindungen in unter­schied­lichen Anteilen in wässrige Polyurethan-Dispersionen einge­arbeitet und die erhaltenen Disper­sionen wurden zur Herstellung von Folien verwendet. Bei einigen Formu­lierungen wurde zur weiteren Erhöhung des Anteils phosphor­haltiger Gruppen das Additiv Ammonium­poly­phosphat (APP) zugesetzt. Von allen Folien wurde der Sauerstoff­index (LOI) als eine erste Kenn­größe zur Evalu­ierung der flamm­hemmenden Wirkung bestimmt. Die effektivsten Formu­lierungen wurden ausgewählt und als bio­basierte Flamm­schutz­mittel für die Ausrüstung von einzelnen Leder- und Kunst­leder­mustern (Beschichtung) sowie Leinen-, Baumwoll- und Polyester-Geweben (Beschichtung oder Imprägnierung) eingesetzt. Die erzeugten Muster wurden bezüglich ihres Brenn­ver­haltens und anderer anwendungs­relevanter Eigen­schaften geprüft.

Ergebnisse

Alle als biobasierte Flamm­schutz­mittel getesteten Substanzen konnten erfolg­reich phosphoryliert werden. Sowohl die nicht modifi­zierten Verbindungen als auch ihre phosphor­haltigen Derivate ließen sich in unter­schied­lichen Anteilen in wässrige Polyurethan-Dispersionen einar­beiten. Der LOI-Wert von mit den verschiedenen Formu­lierungen herge­stellten Folien nahm mit steigendem Additiv­gehalt zu. Zudem zeigten mit diesen Formu­lierungen ausge­rüstete Material­muster während der durch­ge­führten Brenn­prüfungen nach DIN 75200 und DIN ISO 15025 einen verbesserten Flamm­schutz (z. B. Ledermuster in Abb. 1). Ebenso wurden mittels Cone-Kalorimetrie und Thermo­gravi­metri­scher Analyse eine verringerte Gesamt­wärme­menge, eine niedrigere maximale Wärme­frei­setzungs­rate sowie eine stärkere Verkohlungs­neigung bestimmt. Die Ergebnisse belegen, dass durch die Verwendung von bio­basierten stick­stoff­haltigen Substanzen in Kombination mit phosphor­haltigen Gruppen eine flamm­hemmende Wirkung erzielt werden kann.

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