27.11.2018
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Potentiale und Anwendungen flammgeschützter, 
cellulosefaserverstärkter PTT und PBT Compounds in 
Elektro- und Elektronikanwendungen
Naro.tech 2018
Institut für Werkstofftechnik
Kunststofftechnik
Prof. Dr.-Ing. Hans-Peter Heim
N. Gemmeke, H.-P. Heim
Rudolstadt, 22.11.2018
Motivation
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PBT
PTT
PET
PE
PP
PEEK
PS
PPS
PMMA
PA 6
Technische Kunststoffe 
Hochleistungskunststoffe
Standardkunststoffe
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Celluloseregeneratfaser
• Rohstoff ist die aus Holz gewonnene Cellulose (ohne Lignin 
und Hemicellulose)
• Faser wird chemisch hergestellt (Viskoseverfahren)
• Faser mit gleichbleibender Qualität
3
20
833
13
2
12
1,5
70
2750
2
4,5
11
2,5
1
10
100
1000
10000
Cellulose-Faser
(Cordenka)
Glasfaser
(Lanxess CS 7928)
Forschungsvorhaben
Forschungsvorhaben im Rahmen eines FNR-Projektes: 
Herstellung eines Naturfaserverbundwerkstoffes bestehend 
aus PBT und biobasiertem PTT und 
Celluloseregeneratfasern
Gefördert durch das Bundesministerium für Ernährung 
und Landwirtschaft  und die Fachagentur Nachwachsende 
Rohstoffe e.V.
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Motivation/Herausforderung
• Herstellung von technischen Kunststoffcompounds für die E&E Industrie
• Gewichtsreduktion durch Cellulosefasern (vgl. Glasfasern) 
 Leichtbau
• Erhöhung des Bioanteils durch Cellulosefasern 
 30% - 65% Bioanteil
• Erhöhung der Schlagzähigkeit 
 Bauteilanforderungen (z.B. Crashrelevante 
Bauteile)
• Erhöhung der Brandschutzklasse durch die Wahl geeigneter 
Flammschutzadditive
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Cellulose ist brennbar 
 Flammschutz
Verarbeitung von Cellulose bei >>200°C
Materialien
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Matrix und Füllstoff
Technische Kunststoffe PBT (Ultradur B4500, 
BASF)
bio-PTT ( Sorona 3301, 
DuPont)
Schmelztemperatur 223 °C 228 °C
E-Modul 2500 MPa 2400 MPa
Dichte 1,3 
/ 1,32 
/
Monomer 1,4 Butandiol 1,3 Propandiol (biobasiert)
Faser Celluloseregeneratfasern (Cordenka)
Typ CR-Typ 
Dichte 1,5 
/
Länge Schnittfasern (ca.2-2,5 mm)
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Flammschutzadditive
Produktname Budit 341 (Budenheim) Exolit OP 1230 (Clariant)
Stoffname Melaminepolyphosphat
(MPP)
Diethylphosphinsäure
(AlPi)
Zersetzungstemperatur >325 °C >300 °C
Schüttdichte 0,5 
/ 0,5 
/
Partikelgröße ca. 8 µm 25-50 µm
Halogenfreie Flammschutzadditive für gefülltes PBT/bio-PTT:
50 µm 50 µm
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Flammschutzsystem
Intumeszierendes Flammschutzsystem 

• Kohlebildner: Kunststoffmatrix
• Säurespender: AlPi
• Treibmittel: MPP
MPP
AlPi
MPP
MPP
MPP
MPP
AlPi
AlPi
AlPi
AlPi
AlPi
AlPi
AlPi
AlPi
AlPi
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Synergieeffekte der Flammschutzadditive 

• isolierenden Schutzschicht durch 
Verkohlung Aufschäumen der Matrix
• Keine Rauchgasentwicklung 
• Kein Abtropfen während der Beflammung
Compoundierung 
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Materialherstellung
Compoundherstellung auf dem Doppelschneckenextruder: 
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1
5
6
2
7
8
20*D
30*D
40*D
3
4
Werkzeug: 
Flammstäbe
für UL94 
Prüfung
Leistritz ZSE 18HPe 40D
Trocknung der 
Compounds
Werkzeug: 
Zugstäbe
für mechanische  
Prüfungen 
(Zugprüfung, 
Kerbschlagprüfung)
Materialherstellung
Arburg Allrounder 320C
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Probleme bei der Herstellung
PBT + 30 Gew.% CRF + MAPE :
PBT + 30 Gew.% CRF :
Optimierung der Strangoberfläche 
 bessere Einarbeitung der Fasern in die Matrix
Ansatz: Zugabe vom Maleinsäureanhydrid gepfropftes PE Wachs (MAPE) 
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Schlechte Einarbeitung der Schnittfasern in die Matrix: 
Probleme bei der Herstellung
Zu hohe Verarbeitungs- bzw. Massetemperaturen: 

 Verbrennen der Fasern

 Einsetzten des Synergieeffektes der beiden Flammschutzadditive in der DS
Ansatz: 
• Schonende Schneckenkonfiguration
• Geringe Verarbeitungstemperaturen
• Einarbeitung des Flammschutzes so spät wie Möglich (Sidefeeder)
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Charakterisierung der Compounds
- UL94/Zugversuch/ Kerbschlagbiegeversuch/REM/
Faserlängenvermessung/Wärmeformbeständigkeit
Prüfmethode UL94
V0 V1 V2
Nachbrennzeit jeder 
Beflammung
≤ 10s ≤ 30s ≤ 30s
Gesamtdauer je Satz (10 
Beflammungen)
≤ 50s ≤ 250s ≤ 250s
Nachbrennzeit nach der 2. 
Beflammung
≤ 30s ≤ 60s ≤ 60s
Vollständige Verbrennung nein nein nein
Entzündung der Watte nein nein ja
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Prüfstab
Bunsenbrenner
Watte
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• Mit der Kombination aus zwei halogenfreien Flammschutzadditiven kann nach UL 
94 eine V0 Klassifizierung erreicht werden (127mm*15mm*1,5mm)
* Tropft nicht brennend ab.
Material Flammschutz UL 94 
Klass.
∑t1+t2
PBT 20%AlPi (V0) 0*
PBT 20%MPP V2 153
PBT 14%AlPi+4%MPP V0 22
PBT+30%CRF 14%AlPi+4%MPP V0 19
PBT+30%CRF+MAPE 14%AlPi+4%MPP V0 11
PTT+20%CRF 14%AlPi+4%MPP V0 13
PTT+20%CRF+MAPE 14%AlPi+4%MPP V0 31
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Prüfmethode UL94
Mechanische Eigenschaften
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Festigkeit nimmt mit Flammschutz ab, steigt durch CRF an
Bruchdehnung nimmt mit steigendem Füllstoffanteil (CRF und Flammschutz) ab
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E-Modul steigt mit Füllstoffgehalt an (CRF, Flammschutz)
Kerbschlagzähigkeit steigt durch CRF an und wird durch Flammschutz reduziert
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Mechanische Eigenschaften
x 4
• Fasern werden aus dem Bauteil (Zugstab) gelöst und mittels optischer 
Bildanalyse vermessen 
Faserlängenvermessung
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Material Ø 
Länge
PBT+20%GF+Fl. 
Bauteil
240µm
PBT+20%CRF+Fl. 
Bauteil
319µm
PBT+20%CRF 
Bauteil
507µm
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Wärmeformbeständigkeit
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• HDT-A nimmt mit steigendem Fasergehalt zu
• MAPE Wachs reduziert die Wärmeformbeständigkeit
• Flammschutz reduziert die Wärmeformbeständigkeit
Die HDT-A wurde nach DIN EN ISO 75 bestimmt:
Material: HDT-A
PBT 51°C
PBT+Flammschutz 71°C
PBT+20%CRF 112-120°C
PBT+20%CRF+Flammschutz 96°C
PBT+30%CRF 125-150°C
PBT+20%GF 202°C
PBT+20%GF+Flammschutz 188 °C
Musterbauteile
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Bauteilabmusterungen
Weidezaungerät (horizont) 
Bio-PTT+10%CRF (ca. 
47%Bioanteil)
Kabelführung KATLA Leuchte (Pracht) 
Bio-PTT+10%CRF+18%Flammschutz (ca. 
47%Bioanteil)
Lenkführung (Denk) 
Bio-PTT+20%CRF+18%Flammschutz 
(ca. 57%Bioanteil) 23
• Mech. Kennwerte nehmen mit steigendem Fasergehalt zu 
 Schlagzähigkeit 
kann bis zu einem Faktor 6 im Vergleich zum Rohmaterial erhöht werden
• Einsatz von Cellulosefasern 
 Reduzierung der Bauteilmasse um bis zu 24% 
(vgl. Glasfasern)
• Die Wärmeformbeständigkeit nimmt mit steigendem Fasergehalt zu
• Biobasiertes Compound mit bis zu 67% Bioanteil (Bio-PTT + 30% CRF)
• Mit halogenfreien Flammschutzadditiven wird nach UL 94 eine V0 Klassifizierung 
erreicht 
 für den Elektronik und Elektrobereich geeignet
Fazit
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Vielen Dank 
für Ihre Aufmerksamkeit
nicole.gemmeke@uni-kassel.de
www.ifw-kassel.de
REM
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PBT+20%CRF
PBT+20%CRF+Flammschutz PBT+20%GF+Flammschutz