Spektralphotometer entwickeln exakte Farbübereinstimmungen bei PTFE-Bändern für die Isolierung elektrischer Leitungen in der Luftfahrt

Endlich scheint Helen sich entspannt zu haben. Sie hat ihre Musik laufen, ihre Augen sind geschlossen, und ihre Atmung ist langsamer geworden. Sogar die Dellen, die sie während des Starts in deinen Arm gegraben hat, nehmen wieder ihre normale Farbe an. Bei der Landung ist sie natürlich wieder dabei, und Sie fragen sich gerade, wie viel ein Paar Handschuhe für den Umgang mit Falken kosten, als der Mann neben Ihnen die Nase rümpft, Augen und Mund verengt und zu Ihnen herüberschaut, um zu fragen: "Riechen Sie Rauch?" Dann gehen die Lichter aus.

Verkehrsflugzeuge verfügen über kilometerlange, labyrinthartige Kabel, die in den druckbeaufschlagten und drucklosen Bereichen des Flugzeugs versteckt sind, wobei einige weitaus besser zugänglich sind als andere. Die Stromstärke, mit der viele dieser Kabel belastet werden, ist energisch genug, um alles zu schmelzen, was keine hochwertige Isolierung hat. Angesichts der drastischen Auswirkungen eines elektrischen Brandes während des Fluges schreiben Flugzeughersteller hochwertige Ummantelungen aus hitzebeständigen, langlebigen Materialien wie Polytetrafluorethylen (PTFE) vor. Die Herstellung von PTFE ist jedoch kein einfacher Prozess, und die Hersteller müssen sicher sein, dass sie die geeigneten Instrumente zur Qualitätskontrolle einsetzen.

Kilometerlange Kabel versorgen die Avionik dieses Sukhoi Superjet 100. Bildnachweis: Flickr User Dmitry Terekhov CC BY 2.0

Inhärente Schwierigkeiten bei der Synthese von Polytetrafluorethylen

PTFE ist in vielerlei Hinsicht1 ein perfektes Material für diese Anwendung, denn es ist flammfest und raucharm, hat eine ausgezeichnete Dielektrizitätskonstante, einen niedrigen Verlustfaktor und ist hochfrequenzstabil. Sein Dauergebrauchstemperaturbereich von - 260 °C bis 260 °C (schmilzt bei 327 °C), seine Beständigkeit gegen alle gängigen Chemikalien und Lösungsmittel sowie seine Feuchtigkeits- und Volumenbeständigkeit tragen dazu bei, dass er den harten Bedingungen des Höhenflugs standhält.

Die Hersteller sind sich jedoch der Kosten und Schwierigkeiten2 bei der Herstellung dieses Materials bewusst. PTFE wird in zwei Schritten synthetisiert: zunächst durch dreistufige chemische Reaktionen zur Herstellung von Tetrafluorethylen und dann durch Polymerisation der TFE-Basis. Diese Reaktionen erfordern den Einsatz extrem gefährlicher Stoffe, einschließlich starker Säuren, und die erforderlichen Temperaturen reichen von unter Null bis 700 °C. Es müssen spezielle Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden, um den mitunter heftig exothermen Polymerisationsprozess einzudämmen. Fehler können zerstörerisch und gefährlich sein und angesichts der Komplexität des langwierigen Formulierungsprozesses auch sehr teuer. Zur Herstellung der Isolierung wird PTFE vor dem Sinterprozess auf die Drähte aufgetragen. Jede Charge, die aufgrund von Fehlern in der Qualitätskontrolle zurückgewiesen wird, hat erhebliche Auswirkungen auf die Rentabilität eines Unternehmens. Bei der Verwendung für die elektrische Isolierung in der Luft- und Raumfahrt kommt eine weitere Komplikation hinzu: die Farbe.

In der Vergangenheit wurde PTFE mit Cadmiumpigmenten eingefärbt, die hochgiftig sind. Mit der weltweiten Einführung der RoHS-Richtlinie suchen die Hersteller nach einem Ersatz für die schwermetallhaltigen anorganischen Pigmente. Die Pigmente werden in einem Trockenmischverfahren mit pulverförmigem PTFE vermischt. Es muss darauf geachtet werden, so wenig Pigment wie möglich zu verwenden, um Lichtbögen zu vermeiden. Eine gleichmäßige Dispersion ist wichtig, um Kantenabhebungen, Faltenbildung, Bandrisse oder elektrische Durchschläge zu vermeiden. Die Kontrolle der Farbqualität ist für die PTFE-Hersteller von entscheidender Bedeutung, da die Farbcodierung zur Angabe der Spannung oder des Zwecks von Avionikkabeln verwendet wird und falsch eingefärbte Drähte von ihren Kunden zurückgewiesen werden können. Die Anpassung dieser Farben mit schwermetallfreien Pigmenten ist schwierig.

Im Einklang mit der Strenge der übrigen PTFE-Synthese ist die genaue Vorhersage der endgültigen Farbe anhand einer vorgegebenen Formel frustrierend schwierig. Dies liegt an der Weiße des PTFE-Pulvers und der 98%igen Kristallinität des Materials. Die Farbe ändert sich nicht nur, wenn die trockene Pulvermischung in das Band extrudiert wird, sondern die Kristallinität bricht auch während der Sinterung zusammen, wodurch sich die Hintergrundfarbe ändert und das Endergebnis beeinflusst wird.

Die hohen Stromstärken, die für die Verkabelung der Avionik erforderlich sind, können die minderwertige Isolierung schmelzen. Bildnachweis: Flickr User Sam DeLong CC BY 2.0

Spektralphotometrische Farbqualitätslösungen für PTFE

Der Einsatz von Spektralphotometern wie HunterLabs UltraScan PRO kann Herstellern von Isoliermaterial für die Luft- und Raumfahrt auf zweierlei Weise helfen, Unsicherheiten bei der Qualitätskontrolle zu verringern. Erstens können Proben von Fertigprodukten gescannt werden, um festzustellen, ob sie in den vom Kunden akzeptierten Farbbereich fallen. Ein Farbmessgerät kann das Rätselraten beseitigen, das mit der menschlichen Farbabstimmung einhergeht, indem es das gesamte visuelle Spektrum der Probe misst. Das UltraScan Pro mit d/8°-Optik, das im Spektraleinschlussmodus arbeitet, ermöglicht es dem Benutzer, die Gesamtfarbe der PTFE-Isolierung zu bestimmen, was zu einer objektiven Beurteilung der Farbqualität der Isolierung durch den Kunden und den Hersteller führt. Standardisierte Beleuchtungseinstellungen verhindern, dass es zu Unstimmigkeiten zwischen Farben kommt, die in unterschiedlichen Beleuchtungsumgebungen betrachtet werden. Dadurch wird sichergestellt, dass alle Beteiligten auf der gleichen, zertifizierbaren Skala messen, was die Gefahr von Fehlurteilen ausschließt.

Zweitens kann die gründliche Integration des Spektralphotometers in den Produktionsprozess Datensätze erstellen, die den Herstellern helfen, die Farbe auf der Grundlage ihrer Ergebnisse vorherzusagen. Durch die Kenntnis der genauen L*a*b*-Koordinaten des endgültigen PTFE und jeder vorangegangenen Stufe, in der sich die Farbe ändert, können die Hersteller verstehen, wie ein bestimmter Satz von Variablen eine bestimmte Farbe erzeugt. Obwohl eine große Anzahl von Chargen verarbeitet werden muss, um einen Datensatz zu erzeugen, auf dem Vorhersagen basieren können, ist jeder Datenpunkt ein genaues Maß für die Farbe. Je mehr Daten gesammelt werden, desto besser können die Hersteller den Färbungsprozess verstehen und eine immer bessere Vorhersagbarkeit erreichen.

Die komplexe, teure und gefährliche Natur der PTFE-Luftfahrtisolierung erfordert Präzision in jedem Produktionsschritt. Durch die Einbeziehung spektralphotometrischer Bewertungen in den Rezepturprozess können Hersteller die Farbunsicherheit verringern, Chargenausfälle reduzieren und ihr Ergebnis verbessern. Für weitere Informationen darüber, wie Spektralphotometer Ihren Betrieb verbessern können, kontaktieren Sie noch heute die Experten bei HunterLab.