Analyse des PA6-Flammschutzmechanismus und üblicher Flammschutzmittel

Analyse des PA6-Flammschutzmechanismus und üblicher Flammschutzmittel

Da die Herstellungstechnologie immer ausgereifter wird, ist PA6 in vielen Bereichen wie Elektrik und Elektronik, Automobil und Kommunikation zu einem beliebten Polymermaterial geworden. Insbesondere PA6-Verbundwerkstoffe weisen vielfältigere Strukturen und funktionelle Teile auf. Bei der Anwendung in diesen Bereichen sind PA6-Verbundwerkstoffe häufig extremen Arbeitsbedingungen wie hohen Temperaturen, Entflammbarkeit, Undichtigkeiten, Kurzschlüssen usw. ausgesetzt, bei denen die Entflammbarkeit zu einem wichtigen Indikator dafür wird, ob PA6 Verbundwerkstoffe können sicher und normal funktionieren.

Unmodifiziertes PA6 ist von Natur aus flammhemmend bis UL94 V-2 mit einem ultimativen Sauerstoffindex zwischen 20–22 %. Dies bedeutet, dass bei Kontakt mit einer offenen Flamme PA6 schnell brennt, während es zu einem geringen Abfall kommt, der eine Ausbreitung der offenen Flamme bewirkt. PA6-Verbundwerkstoffe verkomplizieren diese Metrik: Einige der Verbundwerkstoffkomponenten tragen zum Brennen von PA6 bei, beispielsweise gewöhnliche Glasfasern, die das Material aufgrund des Kerzendochteffekts schneller brennen lassen.

Wie wir alle wissen, gelten in der Automobil-, Elektrogeräte- und anderen Produktindustrie sehr strenge Flammschutzanforderungen. Daher ist die Berücksichtigung der guten flammhemmenden und mechanischen Eigenschaften von PA6 sehr forschungs- und kommerziell wertvoll, insbesondere im Hinblick auf die nach wie vor hohen PA66-Preise für stark flammhemmende PA6-Verbundwerkstoffe großes Potenzial haben.

In diesem Artikel analysieren wir die Strategien zur Hemmung der PA6-Verbrennung vom Prinzip her und die aktuelle Anwendung gängiger Flammschutzmittel.

1. Verbrennungsmechanismus von PA6

Um das Feuer zu löschen, ist es am wichtigsten zu wissen, wie das Feuer brennt. Die Verbrennung wird im Allgemeinen in drei Formen unterteilt: PA6 und die meisten polymerisierten Materialien gehören zur thermischen Zersetzungsverbrennung.

Die wichtigsten Verbrennungsprozesse sind wie folgt:

Zunächst wird das Material durch Wärme erhitzt. Wenn die Gesamttemperatur des Materials auf etwa 200 °C ansteigt, schmilzt und erweicht das Material deutlich und die Polymermoleküle auf der Oberfläche des Materials beginnen mit der thermischen oxidativen Zersetzung ;

Bei weiter erhöhten Temperaturen ist die thermooxidative Zersetzungsreaktion angemessener und erzeugt eine große Anzahl freier Radikale, die sich an die Methylengruppen in der Molekülstruktur von PA6 binden und so die Zersetzung beschleunigen;

PA6 in einer großen Anzahl polarer Bindungen, so dass dieses Material eine starke Wasserabsorption aufweist, findet gleichzeitig auch die Hochtemperaturwirkung der Amidbindungshydrolyse statt, das Endprodukt der Hydrolyse für die kohlenstoffhaltigen kleinen Moleküle brennbarer Stoffe , hauptsächlich Lactam und Cyclopentanon und so weiter;

Diese kleinen brennbaren Moleküle vermischen sich durch Diffusion und Konvektion bei hohen Temperaturen gut mit Sauerstoff und entzünden sich schließlich. Die dabei entstehende Wärme wird nicht nur an die Außenwelt abgegeben, sondern wirkt auch auf den PA6 selbst, d. h. der Verbrennungsprozess läuft auch dann weiter, wenn die externe Wärmequelle entfernt wird.

Auf diese Weise brennen PA6 und die überwiegende Mehrheit der Polymere. Das Verständnis dieses Prozesses führt zu einem Blick darauf, wie PA6 im Hinblick auf die Flammhemmung gestaltet werden sollte.

2. Design von Flammschutzmitteln PA6

Wie wir alle wissen, besteht der Kern der Flammhemmung darin, die Wirkung von Verbrennungsfaktoren durch physikalische und chemische Einwirkungen zu stoppen oder zu verlangsamen. Im Fall von PA6 sind es die vier Hauptfaktoren Wärmequelle, Luft, Brennstoffe und Reaktion mit freien Radikalen.

Ohne die PA6-Matrix zu verändern, ist die Zugabe von Flammschutzmitteln eine wichtige Methode, um die PA6-Brennbedingungen zu beseitigen. Verschiedene Flammschutzmittel spielen ihre flammhemmende Wirkungsweise unterschiedlich aus. Je nach spezifischer Wirkungsweise der Flammschutzmittel können Flammschutzmittel in den Flammschutzmodus in der kondensierten Phase, den Flammschutzmodus in der Gasphase und den synergistischen Flammschutzmodus unterteilt werden.

Dampfphasen-Flammschutzmodus

Es bedeutet, als Flammschutzmittel in der Gasphase zu wirken, um die Verbrennungsreaktion eines brennbaren Gasgemisches zu hemmen oder zu unterbrechen.

Die Flammenhemmung in der Dampfphase kann auf zwei spezifische Arten erfolgen:

Eine davon ist die thermische Zersetzung von Flammschutzmitteln zur Bildung von Radikalfängern, wodurch die Reaktion freier Radikale unterbrochen und somit die Verbrennungsreaktion gehemmt wird.

Die zweite besteht darin, dass bei der thermischen Zersetzung des Flammschutzmittels Inertgase freigesetzt werden, die in der Nähe des Verbrennungszentrums eingefüllt werden, wodurch in der Nähe des Verbrennungszentrums Sauerstoff und eine erhebliche Verdünnung der brennbaren Gasphasenkonzentration entstehen, wodurch die Bildung einer Verbrennung verhindert wird Bedingungen und spielen eine Rolle bei der Flammhemmung.

Flammschutzmodus in kondensierter Phase

Flammschutzmittel in der kohäsiven Phase bedeuten, dass das entsprechende Flammschutzmittel hauptsächlich eine flammhemmende Wirkung innerhalb der kohäsiven Komponente ausübt, wodurch der thermische Zersetzungsprozess des Polymers verzögert oder verhindert wird und dann eine Rolle bei der Hemmung der Verbrennung des Polymers spielt.

Es gibt auch zwei spezifische Arten der Flammhemmung in der kondensierten Phase:

Einer davon besteht darin, dass das Flammschutzmittel während des Verbrennungsprozesses durch Hitze zersetzt wird und so eine große Menge der bei der Verbrennung erzeugten Wärme absorbiert, um so die Verbrennung zu verhindern;

Die zweite ist die chemische Reaktion von Flammschutzmitteln bei hohen Temperaturen, wodurch feste Metalloxide (wie Aluminiumoxid, Boroxid und Magnesiumoxid usw.) oder Dämpfe mit hoher Dichte entstehen, die oben genannten Produkte können in der Oberfläche bedeckt sein Verbrennungsmaterial, das das Polymermaterial und die Außenwelt vom Austausch von Stoffen und Energie blockiert, um den Verbrennungsprozess zu hemmen.

Synergistisches Flammschutzmodell

Darüber hinaus verfügen einige Flammschutzmittel über Flammschutzmechanismen sowohl in der Gasphase als auch in der kondensierten Phase, und es wird angenommen, dass diese Flammschutzmittel synergistische Flammschutzmechanismen aufweisen. Da das Flammschutzmittel sowohl in der Gasphase als auch in der kondensierten Phase wirkt, wird die Verbrennung des Polymers stärker gehemmt.

Unter dem Gesichtspunkt der spezifischen Wirkung kann daher das Flammschutzmittel, das eine synergistische Flammschutzwirkung ausübt, eine effizientere Flammschutzwirkung erzielen und dadurch die Menge des Flammschutzmittels in PA verringern.

3. Anwendung verschiedener Flammschutzmittel

Entsprechend der Kombination von Flammschutzmitteln und der PA6-Matrix können die in PA6 verwendeten Flammschutzmittel in zwei Kategorien unterteilt werden: reaktive Flammschutzmittel und Füllstoff-Flammschutzmittel.
Reaktive Flammschutzmittel

Unter diesen werden reaktive Flammschutzmittel während der Polymerisation und Herstellung von PA6 oder der Verarbeitung und Formung hinzugefügt, und solche Flammschutzmittel können chemisch in die Molekülkette von PA6 gepfropft werden, um Flammschutzmittel einzuführen Elemente oder Gruppen in PA6.

Reaktionswirksame Flammschutzmittel haben eine gute Stabilität und einen geringeren Einfluss auf die Leistung von PA6 selbst. Der Prozess reaktionswirksamer Flammschutzmittel weist jedoch komplizierte Prozessbedingungen und hohe Kosten auf, sodass diese Flammschutzmittel nicht einfach herzustellen sind werden in der großtechnischen Produktion von flammhemmenden PA6-Verbundwerkstoffen eingesetzt.

Flammschutzmittel mit Füllstoffwirkung

Im Vergleich dazu ist das Flammschutzmittel vom Fülltyp wirtschaftlicher, einfacher zu verwenden und das wichtigste Flammschutzmittel für die Herstellung von flammhemmenden PA6-Verbundwerkstoffen in der aktuellen Industrie, während das Flammschutzmittel vom Fülltyp Entsprechend der chemischen Struktur seiner wirksamen Bestandteile kann es in halogenierte, phosphorhaltige, stickstoffhaltige und anorganische Flammschutzmittel sowie andere Hauptkategorien unterteilt werden.

Verschiedene Klassen von Flammschutzmitteln weisen unterschiedliche Flammschutzwirkungen auf, und gleichzeitig hat die Struktur des Flammschutzmittels einen gewissen Einfluss auf die grundlegenden physikalischen und mechanischen Eigenschaften von PA6.

Daher besteht der entscheidende Punkt bei der Herstellung von Hochleistungs-Flammschutzmitteln PA darin, sowohl flammhemmende als auch mechanische Faktoren zu berücksichtigen und die Art des zu verwendenden Flammschutzmittels sinnvoll auszuwählen.

Halogenierte Flammschutzmittel

Halogenierte Flammschutzmittel werden in PA6 aufgrund ihrer guten Kompatibilität mit PA6 und ihrer hohen Flammschutzwirkung häufig verwendet.

Gleichzeitig können halogenierte Flammschutzmittel auch zusammen mit Metalloxid-Flammschutzmitteln, phosphorhaltigen Flammschutzmitteln, kohlenstoffbildenden Mitteln usw. verwendet werden, um eine synergistische flammhemmende Rolle zu spielen. Derzeit Bis(hexachlorcyclopentadienylcycloocten)decabromdiphenylether (DBDPO), 1,2-Bis(pentabromphenyl)ethan (BPBPE), bromiertes Polystyrol (BPS), Pentabromdiphenylether (PBDO), Poly(dibromstyrol) (PDBS), Pentabrompentabrompentaacrylsäure (PPBBA). ), bromiertes Epoxidharz (BER) sind die am häufigsten verwendeten Flammschutzmittel für flammhemmende PA6-Materialien.

Auf der Grundlage der oben genannten Flammschutzmittel haben einige einheimische Wissenschaftler versucht, Decabromdiphenylethan als Ersatz für Decabromdiphenylether zu entwickeln, um das Problem des Dioxins zu lösen, das durch das Flammschutzmittel, aber auch durch Decabromdiphenylethan und Antimontrioxid erzeugt und zur Verbesserung der Flamme verwendet wird Die Flammhemmung von PA6, wenn die beiden ein Verhältnis von 13:5 verwenden, kann die flammhemmende modifizierte Flammschutzklasse PA6 das UL94 V-0-Niveau erreichen und gleichzeitig die anderen Eigenschaften von Das Material ist mit dem. Gleichzeitig sind die anderen Eigenschaften des Materials mit denen von reinem PA6 vergleichbar.

Phosphorhaltige Flammschutzmittel

Bei der Verwendung von halogenierten Flammschutzmitteln besteht das Risiko einer „sekundären Katastrophe“, und solche Flammschutzmittel stellen ein sehr ernstes Problem der Umweltverschmutzung dar. Nicht-halogenierte Flammschutzmittel anstelle von halogenierten Flammschutzmitteln sind der aktuelle Trend bei Flammschutzmitteln Entwicklung.

Unter den Nicht-Halogen-Flammschutzmitteln weisen Phosphor-Flammschutzmittel das größte Produktionsvolumen und den breitesten Anwendungsbereich auf. In Bezug auf den Flammschutzmechanismus spielen Phosphor-Flammschutzmittel hauptsächlich einen Flammschutzmechanismus der kohäsiven Phase.

I. Roter Phosphor

Roter Phosphor ist ein typisches anorganisches Flammschutzmittel, da seine Zusammensetzung nur Phosphor enthält und somit in 7 % der Zugabemenge die Flammhemmung von PA6 deutlich verbessern kann, sodass es die UL94 V-0-Klasse erreicht.

Roter Phosphor ist jedoch chemisch aktiv und anfällig für Oxidation, wenn er unter herkömmlichen Bedingungen gelagert wird. Gleichzeitig ist reiner anorganischer Phosphor nicht mit der organischen PA-Matrix kompatibel; Um die oben genannten Probleme zu lösen, wird üblicherweise roter Phosphor als mikroverkapseltes Flammschutzmittel zur Verwendung bereitgestellt.

Studien haben gezeigt, dass die Zugabe von 16 % mikroverkapseltem rotem Phosphor zu 15 % glasfaserverstärktem PA6 den endgültigen Sauerstoffindex des Materials auf 28,5 % erhöhen kann und die Flammschutzklasse des Materials UL94 V-0 erreichen kann.

II. Ammoniumpolyphosphat

Ammoniumpolyphosphat ist ein weiteres wichtiges anorganisches Phosphor-Flammschutzmittel, das häufig in PA6-Materialien verwendet wird. Studien haben gezeigt, dass bei alleiniger Verwendung von Ammoniumpolyphosphat seine Dosierung mehr als 30 % beträgt, bevor die flammhemmende Wirkung ausreichend offensichtlich ist .

Ammoniumpolyphosphat und andere Phosphor-Flammschutzmittel können die Flammschutzwirkung verbessern. Die Ergebnisse zeigen, dass bei einer Zugabemenge von 25 % Ammoniumpolyphosphat die maximale Wärmefreisetzungsrate des Materials um 44,3 % und die Gesamtwärmefreisetzung um 44,3 % abnahm 20,2 % können die flammhemmenden Eigenschaften von PA6 deutlich verbessert werden.

Die Forscher fanden jedoch auch heraus, dass es schwierig ist, das Phänomen der brennenden Tropfen bei der PA6-Verbrennung durch eine einfache Erhöhung der Menge an Ammoniumpolyphosphat zu überwinden. Daher ist es notwendig, die Zugabe bestimmter Anti-Tropf-Additive zu PA6 in Betracht zu ziehen Verwendung von Ammoniumpolyphosphat als Flammschutzmittel.

Flammschutzmittel auf Stickstoffbasis

Flammschutzmittel auf Stickstoffbasis sind auch häufig verwendete nichthalogenierte umweltfreundliche Flammschutzmittel mit den Vorteilen geringer Toxizität, guter thermischer Stabilität, niedrigem Preis, nicht korrosiv usw.

Stickstoffverbindungen, die Triazine in ihrer Molekülstruktur enthalten, sind eine Klasse von Stickstoff-Flammschutzmitteln, die häufig in der PA6-Flammschutzmodifizierung verwendet werden, und Melamin (MA) und seine Salze anorganischer und organischer Säuren sind typische Vertreter dieser Verbindungsklasse.

I. MA

Unter ihnen ist der Verbesserungseffekt von MA auf die Flammhemmung von PA6 offensichtlicher. Um die schlechte Dispersion von MA in der PA6-Matrix zu überwinden, muss es im Allgemeinen zur Verwendung mit anderen Komponenten vermischt werden.

BASF hat MA mit Fluorid vermischt, um die Flammschutzmittelserie KR4025 herzustellen, die in PA6 verwendet werden, um dem Material sowohl eine hohe Zähigkeit als auch eine gute Flammhemmung zu verleihen.

II. MCA

MCA ist im Wesentlichen ein großer planarer Strukturkomplex, der aus MA und Cyanursäure unter Einwirkung von Wasserstoffbrückenbindungen besteht, und in den letzten Jahren war die Verwendung von MCA als flammhemmende Modifikation von PA6 ein heißes Thema.

Melaminpolyphosphate können allein oder in Kombination mit anorganischen Oxiden als Flammschutzmittel wirken. Es wurde festgestellt, dass aus Melamin und Polyphosphaten ein Stickstoff-Phosphor-haltiges synergistisches Flammschutzmittel hergestellt wurde, und wenn das Flammschutzmittel in 25 % der Glasfaser verstärkt wurde, PA6, die Flammschutzwirkung der entsprechenden Glasfaser verstärktes PA6 könnte UL94 V-0 erreichen, während die Zugfestigkeit, der Zugelastizitätsmodul, die Kerbschlagzähigkeit, die Biegefestigkeit und der Biegeelastizitätsmodul des Materials 76,8 MPa, 11,7 GPa, 4,5 kJ/m2 erreichen könnten , 98 MPa bzw. 7,2 GPa. 11,7 GPa, 4,5 kJ/m2, 98 MPa bzw. 7,2 GPa.

Anorganische Flammschutzmittel

Anorganische Flammschutzmittel nutzen die Eigenschaften anorganischer Materialien, die schwer zu verbrennen sind, und haben die Vorteile einer geringen Bildung schädlichen Rußes, einer guten thermischen Stabilität und keiner Anfälligkeit für degenerative Ausfälle. Derzeit sind Metallhydroxide und anorganische Nanofüllstoffe die beiden Haupttypen anorganischer Flammschutzmittel, die in Flammschutzmitteln verwendet werden PA6.

Magnesiumhydroxid und andere flammhemmende Komponenten können auch eine gute synergistische flammhemmende Wirkung haben. Inländische Gelehrte werden Magnesiumhydroxid und Aluminiumhydroxid im Verhältnis 3:1 als Flammschutzmittel verwenden, wobei die Glasfaserverstärkung PA6 bei der Verwendung von Zugfestigkeit des Materials bei mehr als 100 MPa und Biegefestigkeit aufrechterhalten werden kann von mehr als 150 MPa erreicht die Grenze des Sauerstoffindex 31,7 %.

Zusätzlich zur Verbesserung der Flammhemmung von PA6 können anorganische Nanofüllstoffe auch die Abriebfestigkeit des Materials verbessern, die elektrische und thermische Leitfähigkeit des Materials verbessern und den Farbeffekt von PA verbessern 6. Darüber hinaus sind anorganische Nanofüllstoffe kostengünstig und das Einfüllen von PA6 hat einen erheblichen Einfluss auf die Reduzierung der Gesamtkosten des Materials.

Zu den derzeit häufig verwendeten anorganischen Nanofüllstoffen gehören Kalkstein, Montmorillonit, Talk, Kieselsäure, Silikon, Wollastonit und Calciumsulfat. Diese anorganischen Füllstoffe selbst sind nicht brennbar und können gleichzeitig dazu beitragen, die Verkohlung der PA6-Verbrennung zu beschleunigen, die PA6-Schmelztröpfchen zu reduzieren und die Übertragung von Wärme und kleinen Molekülen zu blockieren. Anorganische Nanofüllstoffe und andere Arten von Flammschutzmitteln, die im Flammschutzmittel PA6 verwendet werden, können die gewünschte flammhemmende Wirkung erzielen, diesbezüglich gibt es zahlreiche Forschungsergebnisse.

4.Der Entwicklungstrend von Flammschutzmitteln PA6

Derzeit tendieren Forscher zur Lösung der oben genannten Probleme dazu, physikalische Verbindungen von Flammschutzmitteln, chemische Kombinationen von Flammschutzmitteln und modifizierte Flammschutzmittel zu verwenden, und die damit verbundene Forschung hat einige Fortschritte gemacht.

Durch das Design der In-situ-Reaktion machen die wirksamen flammhemmenden Komponenten einen höheren Anteil aus, enthalten eine Vielzahl wirksamer flammhemmender Strukturen, der flammhemmende Prozess erzeugt keine giftigen und schädlichen Substanzen und ist besser mit der Amidstruktur der Flamme kompatibel Mit PA6 gefülltes Flammschutzmittel ist einer der Trends der zukünftigen Entwicklung flammhemmender PA6-Materialien.

Darüber hinaus ist die Entwicklung maßgeschneiderter Flammschutzlösungen für verstärkte PA6- und funktionelle PA6-Materialien auch eine Richtung für die Entwicklung flammhemmender PA6-Verbundwerkstoffe.

Mit dem kontinuierlichen Fortschritt von Wissenschaft und Technik und der rasanten Entwicklung der Materialwissenschaft stellen wir immer höhere Anforderungen an die Sicherheit und Funktionalität von Materialien. Insbesondere bei der breiten Anwendung von Kunststoffprodukten ist die Flammschutzleistung zu einem wichtigen Indikator für die Sicherheit von Materialien geworden.

Basierend auf seiner umfassenden technischen Akkumulation und Innovationsfähigkeit im Bereich Flammschutzmittel, YINSU Flame Retardant Company hat eine Reihe von PA6-Flammschutzprodukten auf den Markt gebracht, zu denen nicht nur traditionelle Flammschutzmittel mit rotem Phosphor gehören, sondern auch Brom-Antimon-Flammschutzmittel und umweltfreundlicheres Brom-Antimon Ersatz. Diese vielfältigen Flammschutzlösungen bieten maßgeschneiderte Lösungen für verschiedene Branchen und Anwendungsszenarien und stellen sicher, dass die Materialien die Flammschutzanforderungen erfüllen und gleichzeitig umweltfreundlich und kosteneffizient sind. Diese Produktserie der YINSU Flame Retardant Company leistet zweifellos einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung der Sicherheit und nachhaltigen Entwicklung von Kunststoffprodukten.