06.01.2021

Fasern warnen vor dem Zerreißen

Dünne Beschichtung aus Germanium-Antimon-Tellur ermöglicht deutlichen Farbwechsel.

Hochleistungs­fasern, die hohen Temperaturen ausgesetzt waren, verlieren meist unerkannt ihre mechanischen Eigenschaften und können im schlimmsten Fall genau dann reißen, wenn Leben davon abhängen. Zum Beispiel Sicherheitsseile der Feuerwehr oder Tragseile für schwere Lasten auf Baustellen. Wissenschaftler des Material­forschungszentrums Empa und der ETH Zürich in der Schweiz haben nun eine Beschichtung entwickelt, die die Farbe wechselt, wenn sie hohen Temperaturen durch Reibung oder Feuer ausgesetzt war.

Abb.: Beschichtete Polyester-Fasern vor und nach dem Hitzetest bei 150 Grad...
Abb.: Beschichtete Polyester-Fasern vor und nach dem Hitzetest bei 150 Grad (r.). Der Farbwechsel von blau nach weiß deutet auf eine geringere Stabilität hin. (Bild: Empa)

Bereits 2018 wurde ein Beschichtungs­system entwickelt, das das Empa-Team nun auf Fasern anwenden konnten. „Das war ein Prozess mit mehreren Schritten“, so Dirk Hegemann von der Abteilung Advances Fibers. Die ersten Beschichtungen funk­tionierten lediglich auf glatten Oberflächen; die Sputter-Methode musste also zunächst einmal so angepasst werden, dass sie auch bei gekrümmten Flächen funktioniert. Damit die Faser bei Hitze auch tatsächlich ihre Farbe verändert, sind drei Schichten nötig. Auf die Faser selbst, im Falle der Forschungsarbeit PET (also Polyester) und VectranTM, eine Hightech-Faser, bringen die Forscher Silber auf. Dieses dient als Reflektor. Dann folgt eine Zwischen­schicht aus Titan­stickoxid, die dafür sorgt, dass das Silber stabil bleibt. Und erst dann folgt jene amorphe Schicht, die für die Farb­veränderung sorgt.

Gerade einmal zwanzig Nanometer dünnes Germanium-Antimon-Tellur (GST) bildet eine Schicht, die erhöhten Temperaturen ausgesetzt wird. Dabei kristal­lisiert sie und der Farbeindruck verändert sich, etwa von blau nach weißlich. Der Farbumschlag basiert auf Inter­ferenz von einfallenden Lichtwellen. Abhängig von der chemischen Zusammensetzung der temperatur­sensitiven Schicht lässt sich diese Farbveränderung auf einen Temperatur­bereich zwischen 100 und 400 Grad einstellen und damit an die mechanischen Eigenschaften des Fasertyps anpassen.

Noch sind die möglichen Anwendungs­gebiete der farb­verändernden Fasern offen, und Hegemann ist derzeit auf der Suche nach möglichen Projektpartnern. Nebst Sicherheits­ausrüstung für Feuerwehr­leute oder Bergsteiger lassen sich die Fasern auch für Lastseile in Produktionsstätten oder auf Baustellen nutzen. Die Forschung am Thema ist jedenfalls noch längst nicht abgeschlossen. So lässt sich die Fasern zurzeit noch nicht über längere Zeiträume lagern, ohne ihre Funktionalität zu verlieren. „Leider oxidieren die Phasen­wechsel-Materialien im Verlauf von einigen Monaten“, so Hegemann. Das bedeutet, dass die Kristal­lisation selbst bei Hitze nicht mehr stattfindet und das Seil somit sein Warnsignal verliert. Dass das Prinzip funktioniert, ist jedenfalls bewiesen und die Haltbarkeit ein Thema zukünftiger Forschung, so Hegemann. „Sobald erste Partner aus der Industrie ihr Interesse für eigene Produkte anmelden, lassen sich die Fasern entsprechend ihren Bedürf­nissen weiter optimieren.“

Empa / JOL

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