Wenn Materialien selbstständig reagieren: Neue Ansätze für den passiven Brandschutz

Brandschutzsysteme müssen im Ernstfall zuverlässig funktionieren. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an Energieeffizienz und Nachhaltigkeit. Viele bestehende Systeme basieren auf mechanischen Komponenten oder elektronischer Steuerung. Das erhöht die Komplexität und den Instandhaltungsaufwand. Das Fraunhofer IAP im Potsdam Science Park entwickelt deshalb maßgeschneiderte Materiallösungen, die Temperaturänderungen selbstständig erkennen und ohne externe Energiezufuhr auf kritische Situationen reagieren.

Wie können Materialien Schutzfunktionen autonom aktivieren?

Die Antwort liefert Dr. Thorsten Pretsch, Leiter des Forschungsbereichs Funktionale Polymersysteme am Fraunhofer IAP: „Unsere Formgedächtnispolymere nutzen die Temperatur als natürlichen Auslöser. Dadurch können Brandschutzfunktionen ohne zusätzliche Sensorik, Elektronik oder externe Energie aktiviert werden. Das eröffnet neue Möglichkeiten für wartungsarme und gleichzeitig leistungsfähige Brandschutzsysteme.“

Im Gegensatz zu vielen konventionellen Lösungen reagiert das Material eigenständig auf Temperaturänderungen. Die Auslösetemperatur lässt sich zudem gezielt an die jeweilige Anwendung anpassen, beispielsweise auf 60 °C oder 120 °C. Dadurch können Brandschutzfunktionen exakt auf unterschiedliche Einsatzszenarien abgestimmt werden. Darüber hinaus können die Materialien so programmiert werden, dass sie bei Erreichen der Auslösetemperatur eine definierte Zielgeometrie einnehmen. Sie sind dadurch in der Lage, beispielsweise Kanalquerschnitte zu verschließen, Spalte abzudichten oder andere Schutzfunktionen autonom auszuführen.

4D-Druck macht Brandschutzbauteile reaktionsfähig

Wie dieses Prinzip in der Praxis genutzt werden kann, zeigt ein Demonstrator mit einer thermisch aktivierbaren Brandschutzklappe. Das mittels 4D-Druck hergestellte Stellglied reagiert auf die im Brandfall auftretende Wärme und verschließt selbstständig den Kanalquerschnitt. Solche Systeme könnten künftig beispielsweise in Lüftungsanlagen oder Leitungsdurchführungen eingesetzt werden. „Der 4D-Druck hebt Formgedächtnispolymere im Brandschutz auf eine neue Stufe. Er ermöglicht geometrisch hochkomplexe, individuell angepasste und funktional programmierte Bauteile – ohne Werkzeuge, mit minimalem Materialverschnitt und integrierter thermischer Responsivität“, so Pretsch.

Wie wird aus einer Folie ein schützender Schaumstoff?

Ein weiterer Entwicklungsansatz basiert auf dem FOIM-Prinzip (Foil + Foam). Dabei wird ein Formgedächtnispolymerschaum zunächst in einen kompakten Folienzustand programmiert. Bei erhöhter Temperatur kehrt das Material selbstständig in seine ursprüngliche Schaumstoffform zurück. Für den Brandschutz bietet dieses Konzept besondere Vorteile: Im Einbauzustand benötigt das Material nur wenig Bauraum und lässt sich einfach handhaben. Im Brandfall expandiert es autonom und kann Hohlräume verschließen. Mögliche Anwendungen reichen von Brandschutztürdichtungen bis hin zu Brandbarrieren im Fahrzeug- und Flugzeugbau sowie thermischen Schutzsystemen für Batterien.

Welche Vorteile bieten biobasierte Flammschutzmittel in Kunststoffen und Beschichtungen?

„Biobasierte Flammschutzadditive wie Stärkephosphate sind eine umweltfreundliche Alternative zu konventionellen Lösungen, die oftmals brom- oder chlorhaltige Komponenten enthalten. Im Brandfall setzen herkömmliche Mittel toxische Substanzen frei, zudem beschränken sie die Recyclingfähigkeit von Kunststoffen“, erklärt Dr. Christian Neumann, der in der Abteilung Mikroverkapselung und Polysaccharidchemie am Fraunhofer IAP forscht. Stärkephosphate werden unter anderem eingesetzt, um thermoplastische Biokunststoffe wie PLA für brandschutztechnisch sensible Anwendungen, zum Beispiel in elektronischen Bauteilen, sicherer zu machen.

Die biobasierten Flammschutzadditive erfüllen nicht nur strenge Umwelt- und Gesundheitsstandards, sondern können auch aus natürlichen Quellen oder Reststoffen gewonnen werden. Dies reduziert die Abhängigkeit von importierten Rohstoffen. Gleichzeitig können kürzere Transportwege und der Verzicht auf energieintensive Rohstoffgewinnung zur Verringerung des CO₂-Fußabdrucks beitragen. Biobasierte Flammschutzmittel leisten sowohl einen Beitrag zur Sicherheit als auch zur Förderung einer Kreislaufwirtschaft.

Ergänzend entwickelt das Fraunhofer IAP mikroverkapselte biobasierte Ammoniumsalze als nachhaltige Alternative zu herkömmlichen Flammschutzmitteln. Unter Hitzeeinwirkung bilden sie eine schützende Schicht, die das Material wirksam isoliert. Die Mikroverkapselung erhöht die thermische Stabilität der Ammoniumsalze und ermöglicht dadurch ihre Verarbeitung in Kunststoffen, Beschichtungen und weiteren Materialsystemen.

Welche Unternehmen können von den Entwicklungen profitieren?

Die vorgestellten Technologien richten sich an Unternehmen aus der Bau- und Gebäudetechnik, der Mobilitätsindustrie, der Luftfahrt sowie der Kunststoff- und Werkstoffentwicklung. Besonders interessant sind die Lösungen für Anwendungen, die zuverlässigen Brandschutz mit geringem Gewicht, hoher Designfreiheit und möglichst geringem Wartungsaufwand verbinden sollen. Das Fraunhofer IAP unterstützt Industriepartner entlang der gesamten Innovationskette – von der Materialentwicklung über Machbarkeitsstudien und Demonstratoren bis hin zur Skalierung neuer Technologien. Die aktuellen Entwicklungen bieten vielfältige Ansatzpunkte für gemeinsame Forschungs- und Entwicklungsprojekte.