Welche Arten von anorganischen Flammschutzmitteln gibt es?

Anorganische Flammschutzmittel sind eine Klasse von Flammschutzmitteln, die Mineralien enthalten, welche Materialien wie Kunststoffe, Gummi, Farben und Kabel zugesetzt wurden. Diese Art von Flammschutzmitteln hat sich als Ersatz für halogenhaltige Chemikalien etabliert, die traditionell von der Industrie verwendet werden.

Der hervorstechendste Aspekt dieser Verbindungen ist die umweltfreundliche Natur ihrer Reaktionen bei Kontakt mit Feuer. Halogenhaltige Flammschutzmittel reagieren mit Feuer und setzen sehr schädliche Substanzen frei, während anorganische Flammschutzmittel nur minimale Mengen an Rauch produzieren und nur harmlose Substanzen wie Wasser freisetzen. Sie sind außerdem äußerst erschwinglich und werden daher im industriellen Maßstab weit verbreitet eingesetzt, bedingt durch moderne Sicherheitsanforderungen, die die Rauchmenge und die Toxizität in Innenräumen regeln.

Dieser Artikel beschreibt im Detail verschiedene anorganische Flammschutzmittel, erklärt, wie sie funktionieren, und gibt Ratschläge zur Compoundierung.

Unter allen Arten von anorganischen Flammschutzmitteln werden metallbasierte Hydroxide am häufigsten eingesetzt. Dazu gehören Aluminiumhydroxid, im Industriesektor auch als Aluminiumtrihydrat (ATH) bekannt, und Magnesiumhydroxid (MDH). Beide wirken durch Kühlung, können aber aufgrund ihrer Unfähigkeit, hohen Temperaturen standzuhalten, in verschiedenen Herstellungsprozessen eingesetzt werden.

Aluminiumhydroxid ist relativ preiswert und liegt in Form eines weißen kristallinen Pulvers vor. Sobald es auf 200°C-220°C erhitzt wird, verursacht es eine endotherme Reaktion, was bedeutet, dass es viel Energie aus dem brennenden Feuer aufnimmt. Im Laufe des Prozesses gibt es Dampf ab. Dieser Dampf hilft, die Entflammbarkeit von Gasen zu reduzieren, während Aluminiumoxid das Material vor dem Entzünden schützt und einen dünnen Film auf seiner Oberfläche bildet. Aufgrund der niedrigen Zersetzungstemperatur eignet es sich für Polymere mit niedrigen Verarbeitungstemperaturen wie PVC, PE und Gummi.

MDH basiert auf demselben Konzept, obwohl MDH eine sehr hohe thermische Stabilität aufweist. Die Verbindung beginnt erst dann, ihren gebundenen Wassergehalt abzugeben, wenn eine Temperatur von 340 °C erreicht ist. Daher ist sie ideal für den Einsatz in technischen Thermoplasten wie PP oder Nylon aufgrund ihrer hohen thermischen Stabilität.

Sowohl ATH als auch MDH werden aufgrund ihrer hervorragenden Rauchentwicklungseigenschaften in der Draht- und Kabelisolierung, in Baumaterialien und in der Elektronik weit verbreitet eingesetzt. Da sie jedoch auf der physikalischen Freisetzung von Wasser zur Brandbekämpfung beruhen, erfordern sie hohe Beladungsmengen – oft 50 % bis 65 % des Gesamtgewichts der Mischung.

Bei der Verwendung dieser Materialien in großen Mengen führen die unbeschichteten Mineralien zu schlechter Kompatibilität, was zu spröden Kunststoffen sowie einer erheblichen Reduzierung ihrer Zugfestigkeit führt. Um dieses Problem zu lösen, verwenden Hersteller nur oberflächenbeschichtete Mineralien. Die Anwendung von Silanen oder Fettsäuren als Beschichtungsmittel hilft, eine gute Kompatibilität des Füllstoffs mit dem Weichmacher zu gewährleisten.

Wenn einfache Metallhydroxide strenge Brandschutzstandards nicht erfüllen oder wenn die hohe Verwendung dieser Additive die Leistung des Materials beeinträchtigt, haben Chemiker zu anderen anorganischen Flammschutzmitteln gegriffen. Solche Materialien können manchmal nach chemischen Mechanismen wie Verkohlung wirken oder als Leistungsverstärker dienen.

Im Gegensatz zur kühlenden Wirkung von Hydroxiden üben roter Phosphor und APP ihren Einfluss durch Kondensationsreaktionen aus und bilden durch physikalische Einwirkung eine Isolierschicht. Sobald sich ein Brand entwickelt, interagieren diese Phosphormaterialien mit dem abgebauten Polymermaterial und bilden eine dicke kohlenstoffhaltige Verkohlungsschicht auf dessen Oberfläche. Die Schicht dient als thermische Barriere und verhindert den Zugang von Sauerstoff zum brennenden Kunststoff sowie das Entweichen von Dampfbrennstoffen in die Flammenzone. APP wird häufig als Bestandteil von intumeszierenden Materialien (solche, die sich bei Hitze ausdehnen) verwendet, während mikroverkapselter roter Phosphor ein hervorragendes Flammschutzmittel für elektronische Anwendungen ist.

Zinkborat ist ein multifunktionaler Zusatzstoff, der typischerweise als unterstützender Akteur und nicht als eigenständiges Flammschutzmittel eingesetzt wird. Beim Erhitzen auf etwa 290 °C setzt es Hydratwasser frei, aber seine Hauptstärke liegt in der Förderung einer glasartigen, borreichen Schicht über der brennenden Oberfläche. Diese Glasschicht stabilisiert die Verkohlung, verhindert das Abtropfen und wirkt als außergewöhnliches Rauchunterdrückungsmittel. Es wird häufig mit Metallhydroxiden kombiniert, um die Nachglimmdauer zu verbessern – das bedeutet, es verhindert, dass das Material nach dem Erlöschen der offenen Flamme weiter schwelt.

Antimontrioxid besitzt keine starken flammhemmenden Eigenschaften für sich allein. Stattdessen fungiert es als Synergist, d.h. es wirkt als Verstärker für andere Additive. In Kombination mit halogenierten Verbindungen oder spezifischen anorganischen Systemen durchläuft es Gasphasenreaktionen, die freie Radikale in der Flamme aggressiv löschen. Dies ermöglicht es Herstellern, hohe Brandschutzklassen zu erreichen und gleichzeitig eine geringere Gesamtkonzentration an Additiven zu verwenden.

Bei der Arbeit mit diesen sekundären Additiven ist die Partikelgrößenverteilung eine kritische Variable. Feinpartikelqualitäten (typischerweise unter 2,5 Mikrometer) bieten eine höhere Oberfläche, was die Feuerbeständigkeit dramatisch erhöht und eine glatte Oberflächengüte bei extrudierten Teilen gewährleistet. Sehr feine Pulver neigen jedoch von Natur aus dazu, sich während des Mischens zu verklumpen. Der Einsatz von Hochscher-Compoundieranlagen ist notwendig, um eine gleichmäßige Dispersion in der Polymermatrix zu gewährleisten.

Die erfolgreiche Integration von anorganischen Flammschutzmitteln in eine Produktionslinie erfordert ein Gleichgewicht zwischen Brandschutzstandards, Materialintegrität und Kosten.

Der absolut erste Schritt ist die Anpassung der thermischen Stabilität des Flammschutzmittels an die Schmelzverarbeitungstemperatur Ihres Polymers. Der Versuch, ein Polypropylenprofil bei 240°C mit Standard-ATH zu extrudieren, führt dazu, dass sich der Zusatzstoff im Extruderzylinder zersetzt und die Charge mit eingeschlossenen Dampfblasen ruiniert. Für Hochtemperaturanwendungen müssen MDH- oder Zinkborat-Typen mit einer Zulassung bis 300°C spezifiziert werden. Umgekehrt ist für Niedertemperatur-PVC-Kabelmäntel kostengünstiges ATH sehr effizient.

Die Haupteinschränkung bei der Verwendung von mineralischen Flammschutzmitteln ist die große Menge, die hinzugefügt werden muss, um strenge Kriterien wie die UL 94 V-0-Prüfnormen zu erfüllen. Die Zugabe von 60% Mineralpulver in seiner Rohform zu einer Polymerverbindung führt zu einer hohen Schmelzviskosität, was zu hohen Druckanforderungen während der Produktion und einer geringen Bruchdehnung des Produkts führt. Diese Herausforderung kann durch eine der folgenden drei Methoden überwunden werden:

Praktischer Tipp: Bei der Verwendung von hocheffizienten Synergisten wie SF-600 stellen Sie sicher, dass das Additiv vor dem Mischen mit dem Harz gründlich mit anderen Hilfsstoffen vorgemischt wird. Dies gewährleistet eine gleichmäßige Dispersion und eine stabile Flammwidrigkeit über die gesamte Charge.

Trotz aller genannten Schwierigkeiten sind anorganische Verbindungen bei der Massenproduktion verschiedener Materialien wie Bauplatten, Automobilteilen oder Kabeln für Transportsysteme sehr wertvoll. Sie sorgen für recht stabile Materialkosten und helfen, fertige Produkte vor möglichen Verboten im Zusammenhang mit halogenierten Substanzen zu schützen. Es ist sehr wichtig, Ihre Formeln immer in kleinen Chargen zu testen und Ihr Extrusionsdrehmoment und Ihre mechanischen Eigenschaften im Voraus abzustimmen.

Anorganische Flammschutzmittel sind ein sehr sicheres und umweltfreundliches Mittel, um Produkte feuerbeständiger zu machen. Mithilfe verschiedener natürlicher Phänomene wie endothermer Wärmeaufnahme, Dampfverdünnung und der Bildung schützender Schichten bieten diese Materialien Schutz für Produkte ohne den Einsatz von Halogenen. Hersteller von Polymeren sollten ihre Inhaltsstoffe sehr sorgfältig auswählen, um sichere und dennoch wettbewerbsfähige Produkte herzustellen.

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