Einführung in einige gängige Brandhemmstoffe für Polypropylen (PP)-Kunststoffe

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Dieser Beitrag wurde zuletzt von Sandfisch am 15.12.2016 um 16:27 bearbeitet. Es gibt viele Arten von Brandhemmstoffen, die für PP-Polypropylen verwendet werden können. Nach ihrer chemischen Zusammensetzung lassen sie sich in zwei Hauptkategorien einteilen: organische Brandhemmstoffe und anorganische Brandhemmstoffe； Je nach Verwendungsmethode werden sie in reaktive und additive Typen unterteilt. Typische Brandhemmer sind Bromverbindungen, Phosphorstickstoffverbindungen, Phosphorverbindungen sowie Aluminiumhydroxid und Magnesiumhydroxid. 1. Brombasierte Brandhemmer: Brombasierte Brandhemmer erlebten in den 1970er und Mitte der 1980er Jahre eine schnelle Entwicklung und eine Blütezeit. Aufgrund der niedrigen Bindungsenergie der C-Br-Bindung zerfallen die meisten brombasierten Brandhemmer bei Temperaturen zwischen 200 und 300 °C. Dieser Temperaturbereich entspricht genau dem Zerfallsbereich von Polypropylen. Wenn also Polypropylen durch Wärme zerfällt, beginnen auch die brombasierten Brandhemmer zu zerfallen. Es erfolgt eine Zersetzung, wodurch die durch die Zerfallsreaktionen entstehenden Freien Radikale gefangen werden können. Dadurch wird die Kettenreaktion der Verbrennung verlangsamt oder gestoppt. Der gleichzeitig freigesetzte HBr ist an sich ein schwer entflammbares Gas. Dieses Gas hat eine hohe Dichte und kann sich auf der Oberfläche des Materials ablagern. Dadurch wird die Ausbreitung brennbarer Gase an der Oberfläche verhindert, was wiederum das Verbrennen des Materials hemmt. Solche Brandhemmer können auch in Kombination mit anderen Verbindungen wie Antimontrioxid eingesetzt werden, wodurch durch synergetische Effekte die Brandhemmung erheblich verbessert wird. Brombasierte Brandhemmer spielen eine wichtige Rolle bei der Brandhemmung von Polypropylen. Zu den wichtigsten Produkten gehören Decabromdiphenyläther, Tetrabromdibenzol-A, Tetrabromdipentylenglykol, bromiertes Polystyrol, Pentabromtoluol und Hexabromcyclododecan. Der größte Nachteil der bromhaltigen Brandhemmer ist, dass sie die UV-Stabilität des zu schützenden Materials verringern. Zudem entstehen beim Verbrennen viele Rauchpartikel sowie korrosive und giftige Gase – dadurch wird ihre Anwendung eingeschränkt. 2. Phosphor-stickstoffbasierte Brandhemmer
Phosphor-stickstoffbasierte Brandhemmer werden auch als expandierende Brandhemmer bezeichnet. Bei Erwärmung von Polymeren, die solche Brandhemmer enthalten, entsteht an der Oberfläche eine gleichmäßige Schicht aus Kohlenstoffblasen. Diese Schicht dient dazu, Wärme und Sauerstoff abzuschirmen sowie den Rauchbildung zu verringern. Zudem wird dadurch das Entstehen von Schmelztropfen verhindert. Dadurch weisen diese Brandhemmer hervorragende Brandhemmeigenschaften auf. Expansive Brandhemmungssysteme bestehen in der Regel aus drei Komponenten: einer Säurequelle (Dehydratationsmittel), einer Kohlenstoffquelle (Kohlenstoffbildner) und einer Gasquelle (Stickstoffquelle, Schaumbildner). Expansive Brandhemmer wirken im kondensierten Zustand hauptsächlich durch die Bildung einer porösen Kohlenstoffschicht zur Brandhemmung. Phosphor-stickstoffbasierte Brandhemmer weisen die Vorteile von keinem Halogen, geringem Rauchausstoß und geringer Toxizität auf. 3. Phosphorbasierte Entflammsmittel: Die Wirkung von phosphorbasierten Entflammsmitteln beruht darauf, dass sie bei der anfänglichen Zersetzung der Polymeren zur Dehydratation und Carbonisierung führen. Dieser Schritt der Dehydrierung und Karbonisierung muss von den Sauerstoffsätzen des Polymer selbst abhängen – und zwar bei Polymern, deren Struktur bereits Sauerstoffsätze enthält. Ihre Brandhemmungseigenschaften sind besser. Bei Polypropylen ist aufgrund der Molekülstruktur, die keine Sauerstoffsatze enthält, die Wirkung von Phosphor-basierten Brandhemmstoffen allein unzureichend. Wenn diese jedoch mit Substanzen wie (OH)3 und Mg(OH)2 kombiniert werden, entsteht eine synergetische Wirkung, wodurch eine gute Brandhemmwirkung erzielt werden kann. Häufig verwendete organophosphatische Brandhemmer sind Triphenylphosphat, Trimethylphenylphosphat, Tris(dimethylphenyl)phosphat, Phenoxyphosphate sowie Butylphenylphosphate. Phosphatester zeichnen sich durch eine doppelte Funktion aus: Sie sind entflammbar hemmend und gleichzeitig plastifizierend. Es ermöglicht es, Flammschutzmittel ohne Halogene herzustellen. Seine plastifizierende Wirkung verbessert die Formbarkeit von Kunststoffen während des Formvorgangs und kann die Rückstände nach dem Brand eindämmen. Es entstehen weniger giftige und korrosive Gase als bei halogenhaltigen Brandhemmern. Sein Hauptvorteil ist die höhere Effizienz ； Geringer Einfluss auf die Lichtstabilität oder die Wirkung von Lichtstabilisatoren ； Geringe Korrosionsneigung bei Verarbeitung und Verbrennung ； Es wirkt hemmend auf eine Wiederentzündung ； Die Menge an Brandhemmungsmaterialien nimmt kaum zu oder überhaupt nicht zu. Aber die meisten Phosphatestoffe als Brandhemmer weisen auch einige Nachteile auf. Zum Beispiel schlechte Wärmebeständigkeit, hohe Flüchtigkeit, unzureichende Verträglichkeit sowie das Entstehen von Tropfen beim Verbrennen usw. Die wichtigsten Produkte aus der Gruppe der phosphorhaltigen anorganischen Brandhemmer sind rotes Phosphor als Brandhemmer, Ammoniumphosphat sowie Ammoniumpolyphosphat. Mit zunehmendem Einsatz von halogenfreien Brandhemmermaterialien steigt auch der Einsatz von Rotphosphor als Brandhemmer. Die Brandhemmungseigenschaften von Rotphosphor sind besser als die der Phosphatester. Phosphorhaltige anorganische Brandhemmer werden aufgrund ihrer guten thermischen Stabilität, ihres Nichtverdampfens, der Tatsache, dass sie keine korrosiven Gase erzeugen, ihrer langanhaltenden Wirkung sowie ihrer geringen Toxizität weit verbreitet eingesetzt. 4. Aluminiumhydroxid Al(OH)3 (abgekürzt ATH) zersetzt sich bei Temperaturen zwischen 200 und 300 °C. Dabei wird eine Wärmeenergie von 1.967,8 J/g aufgenommen. Es handelt sich dabei um ein Brandhemmungsmittel, das gleichzeitig die Funktionen der Brandhemmung, Rauchreduzierung sowie Füllung erfüllt. Es weist die Vorteile auf, dass es ungiftig, nicht korrosiv ist, eine gute Stabilität aufweist, nicht verdunstet und bei hohen Temperaturen keine giftigen Gase freisetzt. Zudem ist es preisgünstig und leicht erhältlich. Aber als Brandhemmer weist er auch die Nachteile auf, dass er viel Füllstoff benötigt, dessen mechanische Eigenschaften nachlassen und seine Verarbeitbarkeit schlechter wird. Die Temperatur, bei der Al(OH)3 zu zerfallen beginnt, liegt genau in dem Bereich, in dem das Polymer von der festen in die flüssige Phase übergeht. Dadurch wird ein Anstieg der Temperatur des Polymermaterials in den frühen Phasen verhindert. Wenn der Anteil von Al(OH)3 40 % beträgt, kann die Geschwindigkeit der thermischen Zersetzung des Materials erheblich verlangsamt werden. Dadurch entstehen effektive Brandhemmungseffekte sowie eine Verringerung der Rauchentwicklung. 5. Magnesiumhydroxid: Magnesiumhydroxid zersetzt sich bei Temperaturen zwischen 340–490 °C. Dabei wird eine Wärmeenergie von 782,9 J/g freigesetzt. Es weist eine gute thermische Stabilität auf und besitzt außerdem ausgezeichnete Eigenschaften in Bezug auf die Brandhemmung sowie die Rauchreduzierung. Daher eignet es sich besonders gut für die Verarbeitung von Polypropylen-Materialien bei hohen Temperaturen. Mg(OH)2 weist bei der Verwendung in PP (bei einem Zuschlag von mehr als 50 %) eine gute entzündungshemmende Wirkung auf und ist damit besser als Al(OH)3. Bei derselben Füllmenge zeigen verschiedene Verhältnisse von Aluminiumhydroxid und Magnesiumhydroxid nur geringe Unterschiede in ihrer Brandhemmungswirkung. Doch die Kombination beider Stoffe wirkt besser als deren Einzelverwendung – schließlich handelt es sich zwar um Dehydrationsreaktionen, doch es bestehen Unterschiede in der Zersetzungstemperatur sowie im Wärmeaufnahmevermögen. Magnesiumhydroxid muss bei höheren Temperaturen entwässert werden, wobei gleichzeitig eine Carbonisierungsreaktion stattfindet. Die Wärmeaufnahme von Magnesiumhydroxid ist hingegen relativ gering, da seine Wirkung bei der Eindämmung des Temperaturanstiegs des Materials nicht so gut ist wie die von Aluminiumhydroxid. Wenn beide zusammen verwendet werden, können sie sich gegenseitig ergänzen – dadurch ist ihre Brandhemmungseigenschaft besser als bei der Verwendung nur eines der Stoffe. Doch Mg(OH)2 weist auch Nachteile wie eine schlechte Säurebeständigkeit sowie schlechte Dispergiier- und Verträglichkeitseigenschaften auf; es ist daher notwendig, neue Sorten mit besseren Verträglichkeitseigenschaften zu entwickeln.