Erfahren Sie mehr über feuerhemmende Mittel für Kunststoffe

Mit der Weiterentwicklung moderner Technologie hat die Anwendung von Kunststoffen stark zugenommen, insbesondere in Branchen wie Bauwesen, Möbel , Elektronik, Haushaltsgeräte und Güter des täglichen Bedarfs, wo sie nach und nach traditionelle Materialien ersetzen.Als organische Polymermaterialien stellt die Entflammbarkeit von Kunststoffen jedoch eine erhebliche Brandgefahr für die Menschheit dar.

Daher sind die Entwicklung und Anwendung feuerhemmender Modifizierungstechnologien für Kunststoffe zu einem wichtigen Mittel zur Verbesserung der Sicherheitsleistung von Kunststoffprodukten geworden.

Die Nachfrage nach feuerfestem Kunststoff ist dramatisch gestiegen.

In diesem Artikel befassen wir uns mit den Prinzipien und Praktiken von Flammschutzmitteln in Kunststoffen und wie sie dazu beitragen, die Leistung von Kunststoffprodukten aufrechtzuerhalten und gleichzeitig deren Sicherheit und Umweltfreundlichkeit zu erhöhen.

Was ist feuerhemmender Kunststoff?

Flammhemmende Kunststoffe werden durch die Einbindung flammhemmender Komponenten in das Kunststoffverarbeitungssystem mit dem Ziel erreicht, flammhemmende Eigenschaften zu verleihen.

In modernen Verarbeitungstechniken wird die Flammschutztechnologie für Kunststoffe hauptsächlich in zwei Typen unterteilt: additive und reaktive.

Bei der reaktiven Flammschutztechnologie werden flammhemmende Elemente während der Kunststoffverarbeitungsphase eingeführt .

Andererseits beinhaltet die additive Flammschutztechnologie die Zugabe von Flammschutzmitteln während der Formung und Verarbeitung von Kunststoffharzen.

Typischerweise verwendet dieser Ansatz ein primäres feuerhemmendes Mittel, das durch verschiedene andere Arten von feuerhemmenden Mitteln ergänzt wird und so ein zusammengesetztes feuerhemmendes System bildet.

Bei modernen Verarbeitungstechniken für feuerhemmende Kunststoffe wird überwiegend der additive Ansatz verwendet.

Klassifizierung als feuerhemmend

Ein Flammschutzmittel ist ein Zusatzstoff, der in Kunststoffmaterialien eingearbeitet wird und in erster Linie dazu dient, die Verbrennungsschwelle von Kunststoffen zu erhöhen, indem er den Verbrennungsprozess hemmt.

Dieser Stoff kann die Ausbreitung von Flammen verlangsamen oder verhindern und dadurch die Sicherheitsleistung des Materials verbessern, wenn es einer Feuerquelle ausgesetzt wird.

Nachfolgend sind die drei Hauptkategorien von Flammschutzmitteln für Kunststoffe aufgeführt:

1. Klassifizierung nach feuerhemmenden Elementen

Basierend auf den enthaltenen flammhemmenden Elementen können Flammschutzmittel in mehrere Kategorien eingeteilt werden, darunter Flammschutzmittel auf Halogen-, Phosphor-, Stickstoff-, Schwefel-, Phosphor-Halogen-, Phosphor-Stickstoff-, Silizium-, Antimon-, Bor- und Aluminium-Magnesium-Basis.

Unter diesen gehören die Flammschutzmittel auf Halogenbasis zu den mengenmäßig größten weltweit.

Sie zeichnen sich durch geringe Zugabemengen und erhebliche feuerhemmende Wirkungen aus und nehmen eine wichtige Stellung im Bereich der Flammhemmung ein.

2. Klassifizierung nach der Art der Verwendung von Flammschutzmitteln

Flammschutzmittel können aufgrund ihrer Anwendungsweise in zwei Typen eingeteilt werden: additive Flammschutzmittel und reaktive Flammschutzmittel.

Reaktive Brandschutzmittel:

Reaktive Flammschutzmittel können mit Monomeren Copolymere bilden oder auf Polymere aufpfropfen und so dem Material eine dauerhafte Flammhemmung verleihen.

Zu den Vorteilen gehören eine gute Stabilität, eine lang anhaltende flammhemmende Wirkung, eine geringe Toxizität und eine minimale Beeinträchtigung der Eigenschaften von Kunststoffen, was sie zu einer idealen Art von Flammschutzmitteln macht.

Ihre Nachteile liegen jedoch darin, dass sie unpraktisch in der Anwendung sind, die Vielfalt begrenzt ist und derzeit nur etwa 10–20 % des Gesamtverbrauchs an Flammschutzmitteln ausmacht.

Reaktive Brandschutzmittel werden hauptsächlich in duroplastischen Kunststoffen und manchmal auch in thermoplastischen Kunststoffen eingesetzt.

Einige reaktive Flammschutzmittel können auch als additive Flammschutzmittel eingesetzt werden.

Additive Brandschutzmittel

Additive Brandschutzmittel werden vor der Verarbeitung in Kunststoffe eingemischt und in der Mischung physikalisch dispergiert.

Sie zeichnen sich durch einfache Handhabung und breite Anwendbarkeit aus und machen derzeit 80–90 % des gesamten Flammschutzmittelverbrauchs aus.

Allerdings weisen sie im Allgemeinen eine schlechte Kompatibilität mit Polymeren auf, so dass größere Mengen erforderlich sind, um eine wirksame Flammhemmung zu erreichen, und sie können die mechanischen Eigenschaften von Polymermaterialien beeinträchtigen.

In thermoplastischen Kunststoffen werden häufig additive Flammschutzmittel verwendet .

3. Klassifizierung nach feuerhemmender Zusammensetzung

Basierend auf der Zusammensetzung von Flammschutzmitteln können sie in zwei Haupttypen eingeteilt werden: anorganische Flammschutzmittel und organische Flammschutzmittel.

(1) Anorganische Flammschutzmittel

Es gibt viele Arten anorganischer Flammschutzmittel mit jeweils unterschiedlichen Funktionen.

Einige können allein verwendet werden, um Flammschutzwirkung zu zeigen, wie etwa roter Phosphor

Einige werden in Kombination mit halogenhaltigen organischen Flammschutzmitteln verwendet, um eine flammhemmende Wirkung zu erzielen, beispielsweise Sb ₂ O ₃  (Antimontrioxid).

Andere dienen sowohl als Füllstoffe als auch als Flammschutzmittel, indem sie sich unter Freisetzung von Kristallwasser zersetzen, wie etwa Aluminiumhydroxid.

Anorganische Flammschutzmittel haben Vorteile wie gute thermische Stabilität, Ungiftigkeit, keine Bildung korrosiver Gase, Nichtflüchtigkeit, Rauchunterdrückung, lang anhaltende Wirkung und Kosteneffizienz.

Sie können jedoch negative Auswirkungen auf die Verarbeitungs- und Formeigenschaften von Polymermaterialien sowie auf deren physikalische und elektrische Eigenschaften haben.

(2) Organische Flammschutzmittel

Es gibt auch viele Arten organischer Flammschutzmittel. Bei der Unterteilung nach Verbindungstyp sind die Hauptkategorien phosphorbasierte und halogenbasierte Flammschutzmittel.

Flammschutzmittel auf Phosphorbasis können weiter in halogenfreie und halogenhaltige Flammschutzmittel unterteilt werden, während Flammschutzmittel auf Halogenbasis in chlorbasierte und brombasierte Flammschutzmittel unterteilt werden können.

Organische Flammschutzmittel, insbesondere bromierte organische Flammschutzmittel, werden aufgrund ihrer wirksamen Flammschutzwirkung, der geringen erforderlichen Mengen und der minimalen Auswirkung auf die Eigenschaften von Kunststoffprodukten bevorzugt.

Trotz Problemen wie Toxizität, höherer Rauchentwicklung und der Freisetzung hochkorrosiver Halogenwasserstoffgase bleiben sie in aktuellen Anwendungen weit verbreitet und wichtige Flammschutzmittel.

Funktionsprinzip des feuerhemmenden Mittels für Kunststoff

Erstens führt die Dehydratisierungswirkung der Zersetzungsprodukte von Flammschutzmitteln dazu, dass organische Materialien verkohlen und so eine Verbrennung verhindert wird.

Bei der Kunststoffverbrennung handelt es sich um einen Zersetzungs- und Verbrennungsprozess, und elementarer Kohlenstoff unterliegt typischerweise keiner flammenerzeugenden Verdunstungsverbrennung oder Zersetzungsverbrennung.

Wenn daher die thermische Zersetzung des Materials schnell durchgeführt werden kann und über die brennbare Stufe direkt zu Kohlenstoff gelangt, kann eine Verbrennung verhindert werden.

Zweitens zersetzen sich Flammschutzmittel bei der Brenntemperatur von Kunststoffen und bilden einen nichtflüchtigen Schutzfilm auf der Oberfläche.

Dieser Film fungiert als Luftbarriere und verhindert so die Verbrennung.

Darüber hinaus sind die Verteilung der Verbrennungswärme und die Verdünnung brennbarer Materialien weitere Möglichkeiten, Flammschutz zu erreichen.

Da viel Verbrennungswärme absorbiert wird, sinkt die Temperatur des Kunststoffs und verlangsamt so die Zersetzungs-, Verdampfungs- und Verbrennungsprozesse.

Andererseits kann sich das Flammschutzsystem in Kunststoffen unter Bildung nicht brennbarer Gase zersetzen, wodurch die brennbaren Gase verdünnt und der Zweck der Flammschutzwirkung erreicht wird.

Gängige feuerhemmende Kunststoffe

Spritzgusshersteller verwenden häufig Flammschutzmittel, um die Flammwidrigkeit von Kunststoffen zu modifizieren.

Hier sind einige der am häufigsten verwendeten flammhemmenden Kunststoffe:

Feuerhemmendes PC/ABS

Um den Brandschutzanforderungen in bestimmten Anwendungsbereichen gerecht zu werden, müssen PC/ABS-Legierungen über eine gute Flammhemmung verfügen.

Beispielsweise müssen Ladesäulen für neue Energiefahrzeuge und bestimmte elektronische und elektrische Flammschutzstufen V-0 erreichen.

Bei PC/ABS-Mischungen weisen Bisphosphat- und Phosphat-Oligomere mit guter thermischer Stabilität, wie z. B. BDP, eine hervorragende Flammhemmung auf.

Zu den wichtigsten Herstellern von nicht-halogenhaltigem flammhemmendem PC/ABS gehören Covestro, SABIC, LG Chem, Kumho Petrochemical, Wanhua Chemical und Luxi Chemical.

Feuerhemmendes PP

PP ist ein Polymermaterial mit hohen Anforderungen an Produktion und Lebensdauer aufgrund seiner niedrigen Produktionskosten, hervorragenden mechanischen Eigenschaften und guten Korrosionsbeständigkeit, das viele Anforderungen im Bereich der Kunststoffanwendungen erfüllt.

Als brennbares Material mit einem begrenzten Sauerstoffindex (LOI) von etwa 18 % und einer schnellen Brenngeschwindigkeit ist die Sicherheit von PP jedoch gering und sein Anwendungsbereich ist eingeschränkt.

Daher ist es notwendig, PP-Materialien zu modifizieren , um ihre Flammhemmung zu verbessern.

Bromierte Alkylphosphat-Flammschutzmittel verbessern die Flammhemmung erheblich und verbessern gleichzeitig die Rheologie und Verarbeitungsleistung von PP bei minimaler Auswirkung auf seine physikalischen und mechanischen Eigenschaften.

Feuerhemmender PC

Polycarbonat  hat einen LOI von 21–24 % und das Material selbst kann die Flammschutzklasse UL94 V-2 erreichen.

Dies reicht jedoch nicht für spezielle Bereiche aus, die eine höhere Flammhemmung erfordern, wie z. B. in der Elektronik-, Elektro- und Automobilbranche, wo PC-Flammhemmung erforderlich ist, um V-0 zu erreichen.

Bei flammhemmendem PC sind Sulfonat-Flammschutzmittel, beispielsweise Kaliumperfluoralkylsulfonat (PPFBS), am wirksamsten.

Durch die Zugabe einer kleinen Menge (unter 0,5 %) Sulfonat-Flammschutzmittel kann die Flammschutzwirkung von PC erheblich verbessert werden, sodass ein V-0-Flammschutzwert von 1,6–3,0 mm erreicht wird.

Darüber hinaus behält das modifizierte PC physikalische und mechanische Eigenschaften bei, die mit denen von gewöhnlichem PC vergleichbar sind, bleibt aber transparent.

Feuerhemmendes PA

Unmodifiziertes PA verfügt über eine Flammhemmung der Stufe UL94 V-2 und einen LOI von 20–22 %.

Bei Kontakt mit offenen Flammen brennt es schnell und setzt dabei viel Wärme frei. Das geschmolzene Material kann abtropfen, was die weitere Ausbreitung des Feuers begünstigt.

Um Brandgefahren vorzubeugen, gibt es klare Flammschutzanforderungen für PA-Verbundwerkstoffe, die in der Automobil- und Elektroindustrie in der Industrie verwendet werden. Im Allgemeinen müssen sie das UL94 V-0-Niveau erreichen.

Flammschutzmittel auf Halogenbasis werden aufgrund ihrer guten Verträglichkeit und hohen Flammschutzwirkung häufig in PA eingesetzt. Bei nichthalogenhaltigem flammhemmendem PA kommen unterschiedliche Flammschutzmittel zum Einsatz.

Reines PA erfordert typischerweise 12–15 % MCA für die Flammhemmung. Bei PA/GF-Systemen werden aufgrund des „Dochteffekts“ effizientere Flammschutzmittel wie Aluminiumdiethylphosphinat (ADP) verwendet, ergänzt durch MPP und andere für Synergie- und Kostensenkungseffekte.

Es gibt auch flammhemmende PA-Produkte , die mit Magnesiumhydroxid und Aluminiumhydroxid vermischt sind.

Standards für Flammschutzmittel in Kunststoff

Die Entflammbarkeitsbewertung UL94 ist der am weitesten verbreitete Standard zur Beurteilung der Entflammbarkeit von Kunststoffmaterialien.

Dabei wird die Löschfähigkeit des Materials nach der Entzündung beurteilt.

Die Flammschutzklassen werden von der niedrigsten zur höchsten wie folgt eingestuft: HB < V-2 < V-1 < V-0 < 5VB < 5VA, mit einer kurzen Erklärung unten:

HB:Die niedrigste Flammschutzstufe im UL94-Standard. Bei Proben mit einer Dicke von 3 bis 13 mm muss die Brenngeschwindigkeit weniger als 40 mm/min betragen.Bei Proben mit einer Dicke von weniger als 3 mm beträgt die Brenngeschwindigkeit weniger als 75 mm/min; oder die Probe erlischt vor der 100-mm-Marke.

V-2:Nach zwei 10-sekündigen Brenntests an der Probe erlöschen alle verbleibenden Flammen und Nachglühen innerhalb von 60 Sekunden. Herabtropfende Partikel können Baumwolle entzünden.

V-1:Nach zwei 10-sekündigen Brenntests an der Probe erlöschen alle verbleibenden Flammen und Nachglühen innerhalb von 60 Sekunden. Herabtropfende Partikel sollten Baumwolle nicht entzünden.

V-0:Nach zwei 10-sekündigen Brenntests an der Probe erlöschen alle verbleibenden Flammen und Nachglühen innerhalb von 30 Sekunden. Herabtropfende Partikel sollten Baumwolle nicht entzünden.

5VB:Nach fünf 5-Sekunden-Brenntests an der Probe erlöschen alle verbleibenden Flammen und Nachglühen innerhalb von 60 Sekunden.Herabtropfende Partikel sollten Baumwolle nicht entzünden. Blockproben dürfen durchgebrannt werden.

5VA:Nach fünf 5-Sekunden-Brenntests an der Probe erlöschen alle verbleibenden Flammen und Nachglühen innerhalb von 30 Sekunden.Herabtropfende Partikel sollten Baumwolle nicht entzünden. Blockproben dürfen nicht durchgebrannt werden.

Schlussfolgerungen

Flammschutzmittel sind unverzichtbare Zusatzstoffe in Kunststoffen und erhöhen die Sicherheit deutlich, indem sie die Entflammbarkeit verringern.

Diese Schutzmittel schaffen effiziente, wirksame und nachhaltige Flammschutzlösungen für eine Vielzahl von Anwendungen.

Da die Anforderungen neuer Branchenentwicklungen steigen und das Umweltbewusstsein in der menschlichen Gesellschaft zunimmt, werden auch Flammschutzmittel aus Kunststoff nach neuen Wegen für eine umweltfreundliche Entwicklung suchen.