Wie wirken sich die thermische Zersetzung von DOPO-HQ und der PBT/DOPO-HQ-Verbund auf die Feuerfestigkeit aus?

Organophosphorverbindungen, insbesondere DOPO-Derivate (9,10-Dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthren-10-oxid), gewinnen zunehmend an Bedeutung als effektive, weniger toxische Flammschutzmittel. Diese Verbindungen zersetzen sich bei Bränden und setzen Phosphoroxid-Radikale frei, die Wasserstoff- und Hydroxid-Radikale aus der Pyrolyse inhibieren. Dadurch wird die Wärmeabgabe reduziert und die Kettenreaktion im Brandprozess unterbrochen. Ein weiteres Nebenprodukt, orthophosphorsäure, kann zudem Materialien dehydrieren, was zur Bildung einer schützenden Kohlenstoffschicht führt, die selbst flammschutztechnische Eigenschaften aufweist. Diese Mechanismen der Flammhemmung und die durch die Zersetzung freigesetzten Produkte wurden jedoch bisher nur unzureichend erforscht.

Die Synthese von DOPO-Derivaten ist relativ einfach und ermöglicht eine Vielzahl von Verbindungen, die in den letzten zehn Jahren aufgrund ihrer flammschutztechnischen Eigenschaften großes Interesse geweckt haben. Dennoch bleiben viele Fragen zur toxikologischen Relevanz der Zersetzungsprodukte und der genauen Wirkungsweise der DOPO-Derivate in Brandprozessen offen. Besonders besorgniserregend ist die Bildung von Organophosphaten, die Cholinesterase hemmen können und schwere Symptome wie Überstimulation, Magenkrämpfe und Atemlähmung hervorrufen können. Diese potenziellen Gesundheitsrisiken verlangen nach einer genaueren Untersuchung.

Die vorliegende Studie baut auf den Arbeiten von He et al. (2019) auf, die ein Polybutylenterephthalat/DOPO-HQ-Verbundmaterial (PBT/DOPO-HQ) mit vielversprechenden Sauerstoffindizes entwickelten. Dieser Verbund wurde durch thermogravimetrische Analyse (TGA) reproduziert, um die thermischen Eigenschaften des Materials besser zu verstehen und die Auswirkungen der Zugabe von DOPO-HQ auf die Brandverhaltenseigenschaften zu untersuchen.

Die thermischen Eigenschaften des Schmelzprodukts wurden mit Hilfe von TGA und Differenzieller Scanning Calorimetrie (DSC) analysiert, um einen vereinfachten Produktionsprozess ohne Extruder zu validieren. Die TGA-Kurven zeigen einen kontinuierlichen, einstufigen Masseverlust für DOPO-HQ, PBT und das Kompositmaterial. Der Masseverlust für DOPO-HQ und PBT/DOPO-HQ beginnt bei etwa 300°C und endet bei 520°C, wobei die Temperatur über einen Bereich von 80 bis 100°C langsam ansteigt. Bei DOPO-HQ wird die Masse innerhalb von etwa 150°C fast vollständig verloren, während das PBT/DOPO-HQ-Gemisch etwa 14% der Masse behält. Reines PBT zersetzt sich später, beginnend bei etwa 370°C und endend bei rund 450°C, wobei 7% der Masse als Rückstand verbleiben. Diese TGA-Kurven zeigen, dass die Zugabe von DOPO-HQ die thermische Zersetzung von PBT verlangsamt. Das Verbundmaterial zeigt eine größere thermische Stabilität, was durch die höhere Rückstandsmenge im Vergleich zu reinem PBT und den mit He et al. (2019) durchgeführten Vergleichsstudien bestätigt wird.

Die DSC-Kurven zeigen endotherme Prozesse im Temperaturbereich von 200 bis 250°C und 370 bis 420°C für alle drei Substanzen. Der erste Bereich (200 bis 250°C) stimmt mit den Schmelzpunkten von PBT (227°C) und DOPO-HQ (245–255°C) überein, während der zweite Bereich (370 bis 420°C) auf Verdampfung oder Zersetzung hinweist. Das PBT/DOPO-HQ-Verbundmaterial zeigt eine exotherme Reaktion bei etwa 500°C, die wahrscheinlich auf eine Radikal-Rekombination im Gasphase zurückzuführen ist. Unter 21% Sauerstoff beginnt die oxidative Zersetzung bei 400°C mit einem weiteren exothermen Peak bei etwa 600°C.

Die thermischen Zersetzungsprodukte wurden durch GC-MS-Analyse der Aceton-Waschlösungen ermittelt. Dabei zeigten die chromatografischen Aufzeichnungen, dass die meisten Zersetzungsprodukte aromatische Verbindungen wie Toluol, Styrol, Benzoesäure, Biphenyl und Naphthalin enthalten. Weniger häufige Verbindungen wie o-Hydroxybiphenyl, Dibenzofuran und ((Butenyloxy)carbonyl)benzoesäure sind spezifisch für die Zersetzung des Verbundmaterials und könnten aus den Verbindungen DOPO-HQ und PBT stammen.

Die Berechnungen mittels Dichtefunktionaltheorie (DFT), durchgeführt mit dem Programm Gaussian 16, ergaben, dass die Phosphor-Sauerstoff-Bindung die schwächste im System ist, was auf eine mesomerische Stabilisierung des resultierenden Phenoxyl-Radikals zurückzuführen ist. Diese stabilen Radikale können durch Sterik und Resonanz an den ortho- und para-Positionen stabilisiert werden, was die Zersetzung der DOPO-HQ-Verbindung begünstigt. Die Berechnungen bestätigten eine Zersetzungsmechanismus, bei dem die Phosphor-Sauerstoff-Bindung homolytisch aufbricht, was zur Bildung von Biradikalen führt, die exotherm reagieren und weitere Zersetzungsprodukte erzeugen.

Die Untersuchung der thermischen Zersetzung von DOPO-HQ und dem PBT/DOPO-HQ-Verbundmaterial zeigt, dass die Einführung von DOPO-HQ in das Polybutylenterephthalat eine signifikante Veränderung in den thermischen und brandtechnischen Eigenschaften bewirken kann. Dies macht das Material zu einem vielversprechenden Kandidaten für Anwendungen, bei denen hohe Anforderungen an die Feuerbeständigkeit gestellt werden. Weitergehende Studien zur genauen Mechanistik der Zersetzung und der toxikologischen Bewertung der Produkte sind jedoch notwendig, um das vollständige Potenzial dieser Materialien im Brandschutzbereich zu verstehen.

Wie trägt künstliche Intelligenz zur Steigerung der technischen Zuverlässigkeit bei?

Technische Zuverlässigkeit ist ein zentrales Element bei der Entwicklung und Herstellung technischer Produkte, da sie sicherstellt, dass ein Produkt während seiner gesamten Nutzungsdauer funktionstüchtig bleibt und die geforderten Eigenschaften erfüllt. Sie beschreibt die Wahrscheinlichkeit, dass ein Produkt innerhalb eines definierten Zeitraums oder einer bestimmten Nutzungsdauer keine funktionalen oder sicherheitsrelevanten Ausfälle erleidet. Die Anforderungen an technische Produkte steigen kontinuierlich, bedingt durch zunehmende Komplexität, verkürzte Entwicklungszeiten sowie strengere Sicherheitsnormen.

Der gesamte Produktentwicklungsprozess wird von der Sicherstellung technischer Zuverlässigkeit geprägt. Beginnend bei der Konzeptentwicklung, über die Serienentwicklung mit Prototypenprüfungen bis hin zur Produktion und Markteinführung, muss die Zuverlässigkeit in jeder Phase berücksichtigt werden. Besonders die Produktionsphase verlangt eine genaue Überwachung und Steuerung, um eine kontrollierte und qualitätsfähige Fertigung zu gewährleisten. Hierbei spielt die Prozessfähigkeit eine entscheidende Rolle: Ein Prozess gilt als kontrolliert, wenn die Verteilungsparameter der gemessenen Produktmerkmale stabil bleiben, und als qualitätsfähig, wenn die Produktspezifikationen dauerhaft eingehalten werden. Ziel ist es, Prozesse zu entwickeln, die sowohl stabil als auch spezifikationsgerecht sind, um Ausschussraten zu minimieren.

Die Überwachung der Produktionsprozesse wird durch moderne Verfahren wie das Zustandsmonitoring unterstützt, das im hier betrachteten Kontext durch optische Inline-Inspektionen realisiert wird. Diese Methoden ermöglichen eine kontinuierliche Qualitätskontrolle und Prozesssteuerung in Echtzeit.

Mit der zunehmenden Komplexität technischer Produkte und der enormen Datenmenge, die im Verlauf des Entwicklungs- und Betriebszyklus entsteht, gewinnt der Einsatz künstlicher Intelligenz (KI) im Bereich der Zuverlässigkeitstechnik zunehmend an Bedeutung. Die Daten umfassen Produktionsparameter, Qualitätskennzahlen sowie Felddaten wie Betriebsmetriken und Schadensberichte. Die Auswertung solcher umfangreichen und heterogenen Datenmengen ist mit herkömmlichen Methoden kaum noch effektiv möglich.

KI-Systeme und insbesondere Machine-Learning-Modelle bieten hier einen entscheidenden Vorteil: Sie können komplexe, nichtlineare Zusammenhänge und verborgene Muster in den Daten erkennen, die traditionelle physikalische Modelle oder Expertenurteile nur eingeschränkt abbilden können. Durch das Training an großen Datensätzen sind sie in der Lage, präzise Prognosen zur Produktzuverlässigkeit zu erstellen und frühzeitig potenzielle Fehlerursachen zu identifizieren.

Insbesondere die Fähigkeit, Kausalbeziehungen zwischen Designparametern, Fertigungsprozessen und Betriebsbedingungen zu modellieren, ermöglicht eine ganzheitliche Betrachtung der Zuverlässigkeit. Dies fördert nicht nur die Vorhersage von Ausfällen, sondern auch die gezielte Optimierung von Produkten und Produktionsverfahren. Die kontinuierliche Analyse von Sensordaten während des Betriebs dient darüber hinaus der frühzeitigen Erkennung von Anzeichen bevorstehender Störungen, was präventive Maßnahmen und somit eine Verlängerung der Produktlebensdauer ermöglicht.

Neben der rein technischen Perspektive sollte der Leser auch verstehen, dass Zuverlässigkeit nicht nur ein statisches Qualitätsmerkmal ist, sondern ein dynamisches System, das während des gesamten Lebenszyklus eines Produkts überwacht und angepasst werden muss. Dies erfordert eine interdisziplinäre Herangehensweise, in der Ingenieurwissenschaften, Datenanalyse und KI-Hand in Hand gehen. Darüber hinaus ist die Transparenz und Nachvollziehbarkeit der KI-Modelle ein kritischer Aspekt, um Vertrauen in deren Vorhersagen zu gewährleisten und diese in regulierte industrielle Prozesse zu integrieren.

Die Einbindung von KI-Technologien in die Zuverlässigkeitstechnik ist kein Selbstzweck, sondern ein notwendiger Schritt zur Bewältigung der Herausforderungen moderner Produktentwicklung. Nur durch die Kombination von traditionellem Ingenieurwissen mit datengetriebenen Methoden lässt sich die Qualität und Sicherheit zukünftiger technischer Produkte nachhaltig sichern und weiterentwickeln.

Wie beeinflusst das Verständnis der Tropfenbewegung den Korrosionsschutz?

Korrosion ist ein Prozess, der typischerweise zu einer Verschlechterung von Metallen auf Basis chemischer Reaktionen führt. Ihre Auswirkungen auf alle Aspekte des täglichen Lebens sind enorm. Die ökonomischen Folgen werden jährlich auf etwa 2,5 Billionen Dollar geschätzt, was sowohl Wartungskosten als auch Verluste durch Produktionsausfälle und Sicherheitsrisiken umfasst. Angesichts dieser enormen Auswirkungen ist ein tiefgehendes Verständnis der Korrosion und insbesondere der Maßnahmen zur Vermeidung von Korrosion erforderlich.

Korrosion ist ein elektrochemischer Prozess, bei dem neben Anode und Kathode auch ein Elektrolyt sowie Sauerstoff erforderlich sind, damit der Korrosionsprozess verhindert wird. Das Elektrolyt stellt die elektrische Verbindung zwischen Anode und Kathode, also zwischen den verschiedenen Metallarten, her und spielt eine entscheidende Rolle für die Korrosion. Die Leitfähigkeit der Flüssigkeit kann durch Zusätze wie Salze oder Säuren erhöht werden. Das Elektrolyt erscheint häufig als kleine Tropfen, die an den Oberflächen von Maschinen, Gehäusen und ähnlichen Strukturen haften. Diese Tropfen geraten oft in den Einflussbereich von Gasströmungen, die über die Oberflächen strömen, auf denen sie sich befinden. Die zusätzliche Kraft dieser Luftströmung kann genutzt werden, um Tropfen gezielt zu entfernen, wie es bei Anwendungen wie dem Wassermanagement in Brennstoffzellen oder Reinigungsprozessen zu sehen ist.

Im Allgemeinen bewegt sich ein Tropfen, wenn die externe Kraft die Adhäsionskraft übersteigt, die ihn an Ort und Stelle hält. Verschiedene externe Faktoren wie Oberflächenvibrationen, Schwerkraft, Magnet- und elektrische Felder sowie Scherströmungen wurden hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf das Tropfenverhalten untersucht. Im Fall von Scherströmungen zeigen Forschungen, dass ein Tropfen zu bewegen beginnt, sobald eine kritische Luftstromgeschwindigkeit erreicht wird. Vor der Ablösung erfährt der Tropfen eine Verformung der Kontur, wobei größere Tropfen eine deutlicher sichtbare Deformation aufweisen als kleinere. Darüber hinaus wurde eine Tropfenschwingung mit charakteristischen Frequenzen beobachtet, obwohl die genauen Mechanismen und Bedingungen, die die Tropfenbewegung auslösen, noch nicht vollständig verstanden sind.

Für einen Flüssigkeitstropfen auf einem horizontalen Substrat bilden sich aufgrund der Adhäsions- und Kohäsionskräfte drei Schnittstellen: 1) zwischen der Flüssigkeit und dem umgebenden Gas, 2) zwischen der Flüssigkeit und dem Substrat sowie 3) zwischen dem Gas und dem Substrat. Der Winkel zwischen der Substratoberfläche und dem Tangenten entlang der Tropfenoberfläche wird als statischer Kontaktwinkel (θS) bezeichnet. Abhängig vom Kontaktwinkel werden drei Benetzungsverhalten unterschieden: vollständige Benetzung (θS = 0°), teilweise Benetzung (0 < θS < 90°) und Nicht-Benetzung (90° < θS < 180°). Diese Verhaltensweisen können durch die Oberflächenspannung der Flüssigkeit, die Oberflächenenergie des Substrats und die Grenzflächenspannung zwischen Flüssigkeit und Substrat beeinflusst werden. Forschungsergebnisse zeigen, dass Tropfen auf hydrophilen Oberflächen eine höhere Adhäsion aufweisen als auf hydrophoben Oberflächen, was bedeutet, dass weniger Kraft erforderlich ist, um Tropfen von hydrophoben Oberflächen zu entfernen. Der sogenannte Lotus-Effekt, der durch nanostrukturierte Beschichtungen induziert wird, reduziert die Reibung, erhöht den Kontaktwinkel und verbessert die Selbstreinigungseffizienz. Experimente haben auch gezeigt, dass Tropfentransport durch Einführung eines Benetzungsgradienten auf der Oberfläche gesteuert werden kann, wodurch Tropfen leichter in Richtung der stärker benetzten Bereiche bewegt werden können.

Tropfenverhalten wird auch durch die Eigenschaften des Flüssigkeitsmediums beeinflusst. So wurde festgestellt, dass Tropfen mit niedrigerer Grenzflächenspannung eine deutlichere Verformung aufweisen als Tropfen mit höherer Grenzflächenspannung. Weitere Untersuchungen zur Instabilität von Öltröpfchen in laminarer Wasserströmung haben gezeigt, dass es je nach Tropfengröße, Strömungsgeschwindigkeit und Viskositätsverhältnis verschiedene Regime gibt, die das Verhalten beeinflussen: Gleiten, Kriechen und Ablösung durch Abheben. Das Ablösen eines Tropfens wird deutlicher, wenn die Viskosität der Flüssigkeit steigt. Weitere Studien haben gezeigt, dass die kritische Geschwindigkeit für die Bewegung eines Tropfens stark von der Hysterese des Kontaktwinkels und vom Tropfvolumen abhängt, aber nur schwach von der Tropfenviskosität.

Zusätzlich zu experimentellen Studien wurden zahlreiche numerische Untersuchungen durchgeführt, um das Tropfenverhalten genau zu modellieren. Verschiedene Methoden wurden vorgeschlagen, um den „Pinning-Effekt“ der Kontaktlinie zu simulieren, der entscheidend für die Bewegung des Tropfens ist. In diesen Modellen wird die Variation des Kontaktwinkels in Abhängigkeit von den vorherigen Zeitpunkten berücksichtigt, was zu einer präzisen Simulation der Tropfenablösung führt. Diese numerischen Modelle ermöglichen es, die Einflussfaktoren auf die Tropfenbewegung besser zu verstehen und zu optimieren.

Die Kontrolle der Tropfenbewegung ist von zentraler Bedeutung für Anwendungen wie das Wassermanagement in Brennstoffzellen, wo die effiziente Entfernung von Wassertröpfchen eine Schlüsselrolle spielt. Auch die Oberflächenbehandlung von Materialien, um die Tropfenablösung zu erleichtern, hat direkte Auswirkungen auf die Langlebigkeit und Effizienz technischer Geräte. So haben Untersuchungen gezeigt, dass hydrophobe Oberflächen oder die Einführung von Mikrostrukturen das Entfernen von Tropfen erleichtern und die Korrosionsbeständigkeit von Oberflächen erheblich verbessern können. Dabei ist es jedoch wichtig, auch die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen physikalischen Kräften und den spezifischen Materialeigenschaften zu berücksichtigen, um die besten Ergebnisse in praktischen Anwendungen zu erzielen.

Die Forschung zur Tropfenbewegung ist somit nicht nur für die Grundlagenforschung von Bedeutung, sondern hat auch direkte Relevanz für die Entwicklung effizienter Korrosionsschutztechnologien und für die Verbesserung von industriellen Prozessen. Das Wissen über die verschiedenen Mechanismen der Tropfenbewegung und deren Einflussfaktoren eröffnet neue Perspektiven für die Entwicklung von Materialien und Technologien, die den Auswirkungen von Korrosion und anderen schädlichen Prozessen entgegenwirken.