Arten von Flammschutzmitteln in PVC-Kunststoffen, Standards für die Flammschutzbewertung, Wirkmechanismen und Anwendungen

I. Flammhemmende Eigenschaften und Herausforderungen von PVC

PVC (Polyvinylchlorid) enthält bis zu 56 Gewichtsprozent Chlor. Bei der Verbrennung setzt es Chlorwasserstoffgas (HCl) frei und weist einige selbstverlöschende Eigenschaften auf (Grenzsauerstoffindex, LOI ≈ 45 %). In der praktischen Anwendung bestehen jedoch folgende Herausforderungen:

1. Flexibles PVC: Der Zusatz von Weichmachern (wie DOP und DINP) reduziert den LOI deutlich (auf unter 20 %), was den Zusatz von Flammschutzmitteln erfordert;

2. Rauch und Toxizität: Bei der Verbrennung werden HCl, Dioxine und dichter Rauch freigesetzt;

3. Thermische Stabilität: Es neigt bei der Hochtemperaturverarbeitung zur Zersetzung und erfordert den synergetischen Einsatz von thermischen Stabilisatoren und Flammschutzmitteln.

II. Arten von Flammschutzmitteln in PVC-Kunststoffen

1. Flammschutzmittel auf Halogenbasis

• Chlorierte Flammschutzmittel: Wie Chlorparaffin; solche mit 50 % Chlorgehalt werden hauptsächlich als Hilfsweichmacher für PVC-Kunststoffe verwendet, während solche mit 70 % Chlorgehalt hauptsächlich als Flammschutzmittel eingesetzt werden.

2. Flammschutzmittel auf Phosphorbasis

• Anorganische Flammschutzmittel auf Phosphorbasis: wie roter Phosphor und Ammoniumpolyphosphat (APP). Roter Phosphor ist als Flammschutzmittel hochwirksam, weist jedoch eine schlechte Kompatibilität mit Harzen auf und erfordert eine Mikroverkapselung.

• Organische Flammschutzmittel auf Phosphorbasis: wie Phosphatester und Phosphaphenanthren. Phosphatester dienen sowohl als Flammschutzmittel als auch als Weichmacher und werden häufig in Weich-PVC verwendet.

3. Flammschutzmittel auf Stickstoffbasis: wie Melamin und Melamincyanurat (MCA), die häufig in Kombination mit Flammschutzmitteln auf Phosphorbasis verwendet werden.

4. Anorganische Flammschutzmittel: wie Aluminiumsulfat-Trihydrat und Nano-Silica.

III. Häufig verwendete synergistische Flammschutzmittel

1. Antimontrioxid-Flammschutzmittel: Wird normalerweise in Verbindung mit halogenierten Flammschutzmitteln verwendet. In der Anfangsphase der Verbrennung schmilzt zunächst Antimontrioxid und bildet einen Schutzfilm auf der Oberfläche des PVC-Materials, der es von der Luft isoliert; es senkt die Verbrennungstemperatur durch eine endotherme Reaktion innerhalb des Materials; bei hohen Temperaturen verdampft Antimontrioxid, verdünnt die Sauerstoffkonzentration in der Luft und sorgt so für eine flammhemmende Wirkung; Bei Verwendung in Verbindung mit Chloriden, die bei der Verbrennung in PVC entstehen, fängt das entstehende Antimonchlorid freie Radikale in seinem gasförmigen Zustand ein und trägt so zur Flammhemmung bei. Beispielsweise erhöht die Zugabe von Antimontrioxid zu PVC-Kabelverbindungen den Sauerstoffindex und verbessert so deren flammhemmende Eigenschaften. Durch eine spezielle Aufbereitung wirkt Antimontrioxid nicht nur flammhemmend, sondern reduziert auch die Rauchentwicklung und eignet sich daher besonders für den Einsatz in PVC- Kabelcompounds.

2. Aluminiumhydroxid: Es reduziert die Rauchentwicklung von PVC und verbessert seine flammhemmenden Eigenschaften. Bei der Zersetzung durch Hitze nimmt es große Mengen Wärme auf und das entstehende Aluminiumoxid bildet einen Schutzfilm auf der Oberfläche des Materials, der es vor Sauerstoff und Hitze isoliert. Gleichzeitig verdünnt der bei der Zersetzung entstehende Wasserdampf die Konzentrationen an brennbaren Gasen und Sauerstoff.

3. Magnesiumhydroxid: Es zersetzt sich unter Bildung von Magnesiumoxid und Wasser und sorgt so für eine gute Rauchunterdrückung. Mit abnehmender Partikelgröße steigt der Sauerstoffindex von PVC, während die maximale Rauchfreisetzungsrate und die Rauchdichte sinken. Darüber hinaus hat es nur minimale Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften von PVC und kann bestimmte Anwendungsanforderungen erfüllen.

4. Roter Phosphor: Typischerweise wird mikroverkapselter roter Phosphor verwendet, der Vorteile wie geringe Zugabemengen, hohe Flammschutzwirkung, geringe Rauchentwicklung und geringe Toxizität bietet. Beim Verbrennen entsteht Metaphosphsäure, die dann zu einer stabilen Polymerphase polymerisiert und auf dem Kunststoff eine Schutzschicht bildet, die ihn vom Sauerstoff isoliert. Gleichzeitig kann roter Phosphor auch mit anderen anorganischen Flammschutzmitteln gemischt werden, um die Menge des erforderlichen Flammschutzmittels zu reduzieren und die Verarbeitung sowie die physikalisch-mechanischen Eigenschaften von PVC zu verbessern.

5. Flammschutzmittel auf Silikonbasis: Diese verwenden Organosilicium und Organobor als Träger und chelatisieren verschiedene funktionelle Gruppen. In Kombination mit verschiedenen Flammschutzsystemen bilden sie niedermolekulare Gase, die bei der Verbrennung Sauerstoff isolieren, brennbare Gase verdünnen und Wärme absorbieren, um die Temperatur zu senken. Dies fördert die Karbonisierung und Filmbildung der Polymermatrix nach der Verbrennung, erhöht die Flammschutzwirkung und unterdrückt das Tropfen der Schmelze. Darüber hinaus verbessern sie die Phasenkompatibilität zwischen den verschiedenen Komponenten und der Polymermatrix in Verbundwerkstoffen und verbessern so die mechanischen Eigenschaften des Materials.

6. auf Stickstoffbasis Flammschutzmittel : Beispiele hierfür sind Triazine und ihre Derivate sowie Melamin. Während ihre Wirksamkeit bei alleiniger Anwendung begrenzt ist, erzeugen sie in Kombination mit Flammschutzmitteln auf Phosphorbasis einen synergistischen Effekt. Zusammengesetzte Flammschutzmittel, beispielsweise aus Melamin und Polyphosphaten, können die Flammhemmung von PVC verbessern.

IV. Flammhemmungsbewertungsstandards für PVC-Kunststoffe

Zu den gängigen Standards gehört der UL 94-Standard, der in die Bewertungen V-0, V-1, V-2 und HB unterteilt ist. Die V-0-Einstufung stellt die höchsten Anforderungen: Der Prüfling muss innerhalb von 10 Sekunden selbstverlöschend sein, ohne dass abtropfendes Material Flusen oder ähnliches entzündet; Die HB-Bewertung stellt die niedrigsten Anforderungen und basiert auf einem horizontalen Brenntest, wobei die Bewertung durch die Brenngeschwindigkeit bestimmt wird.

V. Wirkungsmechanismus von Flammschutzmitteln

1. Wärmeaufnahme: Flammschutzmittel gehen bei hohen Temperaturen eine endotherme Reaktion ein, wodurch die Oberflächentemperatur des brennbaren Materials gesenkt und die Entstehung brennbarer Gase verringert wird, wodurch die Verbrennung unterdrückt wird.

2. Beschichtungseffekt: Bei der Verbrennung bilden Flammschutzmittel eine feste oder flüssige Beschichtung, die das Material vom Sauerstoff isoliert und eine Verbrennung verhindert.

3. Hemmung von Kettenreaktionen: Halogenidionen, die durch die Zersetzung von Halogenverbindungen entstehen, reagieren während der Verbrennung mit freien Radikalen, wodurch die Konzentration freier Radikale verringert und dadurch die Verbrennungsgeschwindigkeit verlangsamt wird.

4. Erstickung durch nicht brennbare Gase: beispielsweise unter Bildung nicht brennbarer Gase, die brennbare Gase verdünnen und die Verbrennungsrate verringern. Flammschutzmittel auf Stickstoffbasis zersetzen sich

5. Verkohlungseffekt: Flammschutzmittel auf Phosphorbasis erzeugen bei der Verbrennung Phosphorsäure, Metaphosphorsäure und andere Verbindungen, die die Verkohlung auf der Oberfläche von Kunststoffen fördern und eine Verkohlungsschicht bilden, die gegen Hitze isoliert und Sauerstoff blockiert.

VI. Anwendungen von Flammschutzmitteln

1. PVC-U-Profile: In PVC-U-Profilen verbessert der Zusatz von Chloraminphosphatestern die Flammhemmung deutlich, während anorganische Flammschutzmittel wie Nano-Silica und Aluminiumsulfat-Trihydrat auch zur Verbesserung der Wärmedämmung und thermischen Stabilität eingesetzt werden können.

2. PVC-Kabelmischungen: Flammschutzmittel wie chlorierte Paraffine und Phosphatester werden häufig verwendet, um die Flammhemmung und Hitzebeständigkeit von Kabeln zu verbessern.

3. PVC-Rohre: In PVC-Rohren, die im Bauwesen verwendet werden, können anorganische Flammschutzmittel wie Nanosilica die Flammenausbreitung während der Verbrennung wirksam unterdrücken.

VII. Analyse klassischer Fallstudien

1. Flammhemmende Modifikation von PVC-Kabelverbindungen: Durch die Zugabe einer angemessenen Menge chloriertem Paraffin und des roten Phosphor-Masterbatches FRP-950X der Yinsu Flame Retardant Company – in einer Konzentration von 2 % – zu PVC-Kabelverbindungen wird die Flammschutzleistung der Kabel erheblich verbessert, sodass sie die UL 94 V0-Einstufung erfüllen und Antimontrioxid vollständig ersetzen können. Durch diese Modifikation werden die bei der Kabelverbrennung entstehende Wärme und die Rauchdichte reduziert, während gleichzeitig gute mechanische Eigenschaften erhalten bleiben.

2. Flammhemmende Anwendungen für PVC-U-Profile: In PVC-U-Profilen, die im Bauwesen verwendet werden, werden Chloraminphosphat und Nanosilica zugesetzt. Bei der Verbrennung setzt Chloraminphosphat Stickstoff- und Chlorgase frei und bildet eine Kohleschicht, die die Ausbreitung des Feuers verhindert; Nano-Silica hemmt mit seinen feinen Partikeleigenschaften die Flammenausbreitung und Wärmeleitung. Dieses flammhemmende Verbundsystem verbessert die Flammschutzleistung von PVC-U-Profilen erheblich und macht sie für den Einsatz in Bauanwendungen sicherer.

Wie die obige Analyse zeigt, muss die Flammhemmung von PVC seine inhärenten Eigenschaften (hoher Chlorgehalt, Verarbeitungsempfindlichkeit) berücksichtigen und durch den synergetischen Einsatz von Flammschutzmittelmischungen (z. B. Phosphor-Metallhydroxid-Rauchunterdrückungsmittel) eine hohe Effizienz, geringe Toxizität und niedrige Kosten erreichen. Der Einsatz von Flammschutzmitteln in PVC-Kunststoffen ist von großer Bedeutung, da sie nicht nur den Brandschutz des Materials erhöhen, sondern auch seine hervorragenden physikalischen und mechanischen Eigenschaften bewahren.