PP/PS/PE/PVC-Flammschutztechnologie und Anwendungstipps

PP/PS/PE/PVC-Flammschutztechnologie und Anwendungstipps

Allzweckkunststoffe haben ein äußerst breites Anwendungsspektrum und umfassen Schlüsselmaterialien wie Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polystyrol (PS) und Polyvinylchlorid (PVC) , die in einer Vielzahl von Branchen eine wichtige Rolle spielen, darunter Verpackung, Automobilindustrie, Alltagsbedarf, elektronische und elektrische Komponenten, Rohrleitungssysteme sowie Drähte und Kabel.

Angesichts der Bedeutung der Flammschutzsicherheit in allen Arten von Umgebungen sind Polymermaterialien bei hohen Temperaturen extrem entflammbar, begleitet von der Freisetzung großer Mengen giftiger Gase, die nicht nur eine ernsthafte Bedrohung für die natürliche Umwelt darstellen, sondern auch das Leben, die Gesundheit und die Lebensqualität der Menschen stark gefährden. Daher ist die Lösung des Flammschutzsicherheitsproblems von Polymermaterialien zu einem Schlüsselproblem geworden, das dringend angegangen werden muss.

Als Experte auf dem Gebiet der Materialwissenschaften ist die Erforschung des Geheimnisses der flammhemmenden Mechanismen und das Engagement für die Forschung, Entwicklung und Anwendung neuer flammhemmender Materialien nicht nur wichtig für die Förderung des gesellschaftlichen, wissenschaftlichen und technischen Fortschritts, sondern auch notwendig für den Schutz der wirtschaftlichen Sicherheit des Landes und die Verbesserung der Lebensqualität der Menschen.

Allgemeine Verbrennungseigenschaften und Identifizierung von Kunststoffen:

Polypropylen (PP)-Materialien , unabhängig davon, ob sie durch die Polymerisation von Propylenmonomer allein zur Bildung von Homopolymer PP oder durch Copolymerisation von Propylen und einer kleinen Menge Ethylen zur Bildung von Copolymer PP gebildet werden, weisen eine äußerst regelmäßige Struktur und signifikante kristalline Eigenschaften auf. Mit einem Schmelzpunkt nahe 167 °C und einer geringen Dichte ist PP einer der leichtesten Allzweckkunststoffe und wird aufgrund seiner hervorragenden Oberflächensteifigkeit und Biegeermüdungsbeständigkeit häufig bei der Herstellung von Gerätegehäusen, dekorativen Innen- und Außenteilen für Kraftfahrzeuge sowie elektrischen und elektronischen Bauteilen verwendet.

Was die Verbrennungseigenschaften von PP betrifft , handelt es sich um ein leicht entflammbares Material mit einem niedrigen Sauerstoffindex von etwa 17 %, was bedeutet, dass für die Verbrennung keine hohe Sauerstoffkonzentration erforderlich ist. Bei der Verbrennung setzt PP eine große Menge an Wärmeenergie frei, die Flamme breitet sich schnell aus und der CH-Anteil in seiner chemischen Struktur lässt sich nicht leicht in Holzkohle umwandeln, was dazu führt, dass das Material während der Verbrennung schmilzt und tropft. Die Flamme hat ein einzigartiges Aussehen, mit einer gelben Farbe am oberen Ende und einer blauen Farbe am unteren Ende, und erzeugt fast keinen schwarzen Rauch, begleitet von einem schwachen Geruch von brennendem Erdöl. Besonders hervorzuheben ist, dass PP auch nach dem Entfernen von der Zündquelle weiter brennt und schließlich einen schwarzen, gallertartigen Rückstand hinterlässt.

Polyethylen (PE) ist ein typisches kristallines Polymer, das durch die Polymerisation von Ethylenmonomeren entsteht. Unterschiede in der Kristallinität führen zu einer breiten Palette von Polyethylen niedriger Dichte (LDPE), Polyethylen hoher Dichte (HDPE) und linearem Polyethylen niedriger Dichte (LLDPE), die geringe Mengen an Alpha-Olefinen usw. enthalten. PE ist bekannt für seine hervorragende Kältebeständigkeit, ist selbst bei extrem niedrigen Temperaturen unter -70 °C stabil und weist gleichzeitig eine gute Beständigkeit auf. PE ist bekannt für seine hervorragende Kältebeständigkeit, selbst bei extrem niedrigen Temperaturen unter -70 °C, und weist außerdem eine gute chemische Stabilität und elektrische Isolationseigenschaften sowie eine hervorragende Verarbeitungsleistung auf. Daher wird PE häufig in vielen Bereichen eingesetzt, beispielsweise bei Kunststoffverpackungsbeuteln, landwirtschaftlichem Mulch, Hohlblasform- und Spritzgussprodukten.

Hinsichtlich der Verbrennungseigenschaften ist PE ebenfalls leicht entflammbar , mit einem Sauerstoffindex von etwa 17 %. Bei hohen Temperaturen reißt PE extrem schnell und verbrennt. Ähnlich wie bei Polypropylen erschwert die CH-Struktur von PE die Bildung einer Kohlenstoffschicht, wodurch das Material bei der Verbrennung schmilzt und tropft. Die Flamme hat eine charakteristische Form, ist oben gelb und unten blau und erzeugt wenig schwarzen Rauch und einen charakteristischen Paraffinbrandgeruch. Bemerkenswert ist, dass PE auch nach dem Entfernen von der Zündquelle weiter brennt und schließlich einen schwarzen brennenden Rückstand hinterlässt.

Polystyrol (PS) ist ein Verbundwerkstoff aus der Copolymerisation von Butadien und Styrol, der im Inneren ein zweiphasiges Koexistenzsystem aufweist, wobei der Polybutadiengehalt typischerweise zwischen 5 % und 15 % liegt. PS bietet Kostenvorteile gegenüber ABS-Materialien und weist gleichzeitig eine hohe Festigkeit, ausgezeichnete Steifigkeit und gute Dimensionsstabilität auf. Diese Eigenschaften haben zur Verwendung von PS in einem breiten Anwendungsspektrum in Verpackungsmaterialien für Verbraucher sowie in Spritzgussteilen wie Gehäusen für Haushaltsgeräte geführt.

Hinsichtlich der Verbrennungseigenschaften hat Polystyrol einen hohen Heizwert und der Verbrennungsprozess ist sehr heftig. In der Nähe der Zündquelle schrumpft PS schnell und es ist aufgrund seiner chemischen Struktureigenschaften schwierig, eine Holzkohleschicht zu bilden. Während der Verbrennung wird die Oberfläche des PS weicher und es entstehen Blasen, und die Flamme zeigt eine leuchtend orange Farbe, begleitet von dichtem schwarzem Rauch und herumfliegender Holzkohlenasche, was eine hohe Rauchdichte anzeigt. Darüber hinaus entsteht bei der Verbrennung ein besonderer Geruch von Styrolmonomer. Selbst wenn PS von der Zündquelle entfernt wird, brennt es weiter und hinterlässt schließlich einen schwarzen brennenden Rückstand.

Polyvinylchlorid (PVC) ist ein synthetisches Polymermaterial, das durch ein radikalisches Polymerisationsverfahren sorgfältig aus Vinylchloridmonomer hergestellt wird. Die Molekülkette besteht aus einer kontinuierlichen Reihe von Vinylchlorid-Einheiten, von denen jede einzigartig ist und ein Kohlenstoffatom als Kern enthält, ergänzt durch zwei Wasserstoffatome und ein Chloratom als Flanken.

Diese einzigartige chemische Struktur verleiht PVC eine Reihe überzeugender physikalischer und chemischer Eigenschaften, die es in einer Vielzahl von Bereichen glänzen lassen. PVC weist nicht nur eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit und chemische Stabilität auf und ist in der Lage, einer Vielzahl chemischer Substanzen zu widerstehen, sondern verfügt auch von Natur aus über einen gewissen Grad an Flammhemmung, einen reinen PVC-Sauerstoffindex von bis zu 45 %, was eine gute Tendenz zur Selbstverlöschung zeigt. Es ist jedoch anzumerken, dass dem Prozess zur Verbesserung seiner Leistung häufig eine große Anzahl von Weichmachern zugesetzt wird, was in gewissem Maße auf Kosten der ursprünglichen Flammschutzvorteile geht und die Entflammbarkeit erhöht.

Aufgrund dieser Vorteile nimmt PVC im Baustoffbau, bei Verpackungsmaterialien, bei der Draht- und Kabelisolierung sowie in der Kunstlederherstellung und anderen Industrien eine zentrale Stellung ein und wird zu einem der unverzichtbaren Materialien.

Wenn es um die Verbrennungseigenschaften von PVC geht , machen seine Selbstverlöschungs- und Holzkohlebildungsfähigkeiten den Verbrennungsprozess sowohl anspruchsvoll als auch einzigartig. Beim Verbrennen wird PVC allmählich weicher, die Flamme zeigt einen einzigartigen Farbwechsel, das obere Ende ist gelb und das untere Ende ist grün, begleitet von der Entstehung von schwarzem Rauch. Darüber hinaus wird bei der Verbrennung reizendes Chlorwasserstoffgas freigesetzt. Sobald PVC jedoch aus dem Feuer entfernt wird, neigt es dazu, sich selbst zu verlöschen und einen schwarzen Verbrennungsrückstand zu hinterlassen.

Anwendungstipps für Allzweck-Flammschutzmittel aus Kunststoff:

Halogen-Flammschutzmittel stehen trotz der Herausforderungen durch Umweltbedenken und höhere Rauchdichte aufgrund ihrer hocheffizienten Flammschutzeigenschaften, der großen Auswahlmöglichkeiten und der breiten Anwendbarkeit immer noch an der Spitze des globalen Flammschutzmittelmarktes. Insbesondere bromierte Flammschutzmittel sind aufgrund ihrer hohen Effizienz und Bedeutung als Spitzenreiter in der Halogenreihe unersetzlich.

Typische Vertreter bromierter Flammschutzmittel sind Decabromdiphenylether, Decabromdiphenylethan, Tetrabrombisphenol A, Bromtriazine, bromierte Epoxidharze, bromiertes Styrol usw., die in der Flammschutztechnologie eine entscheidende Rolle spielen.

Und aufgrund der wachsenden Bedeutung des Umweltschutzes werden nichthalogenierte Flammschutzmittel nach und nach zum neuen Favoriten der Branche. Dazu gehören anorganische Flammschutzmittel wie Magnesiumhydroxid und Aluminiumhydroxid, Flammschutzmittel auf Phosphorbasis (in Form von rotem Phosphor, Aluminiumdiethylhypophosphit, anorganischem Hypophosphit und Phosphatestern), synergistische Phosphor-Stickstoff-Flammschutzmittel (z. B. Ammoniumpolyphosphat, Melaminpolyphosphat) und stickstoffhaltige Flammschutzmittel (z. B. Melamin und sein Cyanuronat usw.).

Durch die flexible Anwendung dieser Einzel- oder Verbundformulierungen von Flammschutzmitteln können Kunststoffmaterialien unterschiedliche Flammschutzniveaus und Leistungsanforderungen realisieren, um die Sicherheitsstandards verschiedener Anwendungsszenarien zu erfüllen.

• Flammhemmende Anwendungen aus Polypropylen

1. Flammhemmendes PP – UL-Standard V2-Klasse, die Programmauswahl ist wie folgt:

Octabromether (auch als Octabromsulfid bekannt) mit dem System, der Einführung von Antimontrioxid als synergistischem Flammschutzmittel und der Gesamtzugabe der beiden Verhältnisse, die zwischen 6 % und 8 % kontrolliert werden, kann die selbstverlöschende Funktion des Materials außerhalb des Feuers effektiv realisieren, obwohl es beim Verbrennungsprozess zu einem Schmelztropfenphänomen kommt, die mechanischen Eigenschaften des Materials jedoch immer noch auf einem relativ stabilen Niveau gehalten werden.

Im Phosphor-Stickstoff-Brom-Compoundierungssystem wird für homopolymerisiertes PP die Menge des zugesetzten Flammschutzmittels zwischen 1 % und 2 % eingestellt, während die Menge für copolymerisiertes PP auf 4 % bis 6 % erhöht wird. Dieses System ermöglicht auch die Selbstverlöschung des Materials durch das Feuer, es ist jedoch notwendig, auf das mit der Verbrennung einhergehende Tropfenphänomen und das Entzündungsphänomen der entrahmten Baumwolle zu achten. Dennoch entsprechen die mechanischen Eigenschaften des Materials in diesem System nahezu denen von reinem PP ohne Flammschutzmittel und die guten physikalischen Eigenschaften bleiben erhalten.

YINSU hat speziell zwei Flammschutzmittel für die PPV2-Klasse entwickelt: weißes Masterbatch für PPV2-6 und schwarzes Masterbatch-Flammschutzmittel PPV2-8H für recycelte PP-Materialien. Diese beiden Flammschutzmittel können mit einer geringen Zusatzmenge von 3–10 % das V2-Niveau erreichen.

2. Flammhemmendes PP – UL-Standard V0-Klasse, die Programmoptionen sind wie folgt:

Das synergistische Brom-Antimon-System (DBDPE+Sb2O3) ist in der Lage, dem Material bei einer Gesamtzugabe von etwa 25 % eine Flammhemmung der Stufe UL-94 V0 zu verleihen. Dieser hohe Zusatzanteil treibt jedoch nicht nur die Kosten des Materials in die Höhe, sondern beeinträchtigt zwangsläufig auch seine mechanischen Eigenschaften. Um dieses Problem zu lösen, ist es oft notwendig, Verträglichkeitsvermittler und Zähigkeitsverbesserer einzuführen, um die physikalischen Eigenschaften des Materials zu optimieren, oder durch Zugabe von Füllstoffen wie Talk ein kosteneffizientes Gleichgewicht zu finden.

Bei halogenfreien IFR-Systemen, also intumeszierenden Phosphor-Stickstoff-Flammschutzsystemen, PPAP-15, können Zusätze im Bereich von 25 % bis 30 % ebenfalls eine Flammhemmung gemäß UL 94 V0 erreichen. Allerdings haben hohe Additivmengen auch einen erheblichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Materials. Daher sind auch Zähigkeitsverstärker und andere Hilfszusätze erforderlich, um die Gesamtleistung des Materials zu verbessern und den tatsächlichen Anwendungsanforderungen gerecht zu werden.

Obwohl andererseits das anorganische Magnesiumhydroxid (MDH)-System als herkömmliche Methode zur halogenfreien Flammhemmung in großen Mengen (mindestens 50–60 %) zugesetzt werden kann, um die Flammhemmung und den Sauerstoffindex von PP deutlich zu verbessern, werden solch hohe Zusätze zweifellos die mechanischen Eigenschaften des Materials ernsthaft beeinträchtigen. Um diesen Nebeneffekt zu mildern, besteht die Strategie darin, es in Kombination mit anderen Flammschutzmitteln zu verwenden, um die mechanischen Eigenschaften des Materials durch Reduzierung der Menge an anorganischen Flammschutzmitteln in einem akzeptablen Bereich zu halten.

• Flammhemmende Anwendungen aus Polyethylen

Auswahl der flammhemmenden Lösung aus Polyethylen:

Flammschutzlösung mit rotem Phosphor (RP): Bei der Flammschutzbehandlung von PE-Materialien gilt das rote Phosphorsystem als eines der effizientesten Flammschutzmittel. Aus Sicherheitsgründen erfolgt die tatsächliche Anwendung jedoch meist in Form eines modifizierten und beschichteten roten Phosphor-Masterbatches, dessen Zusatzmenge etwa 15 % beträgt, wodurch das Material die Flammschutzklasse V0 unter der Dicke von 1,6 mm gemäß UL94-Standard erreichen kann.

YINSU Flame Retardant Company hat verschiedene Flammschutzmittel mit rotem Phosphor für PE entwickelt, darunter FRP-950X, mikroverkapseltes Flammschutzmittel mit rotem Phosphor, Zugabe von 3 % bis 5 % für UL94-V0. PEG-14, speziell für PE-Rohre.

Antimonbromid (DBDPE/Sb2O3) synergistisches Flammschutzsystem: Das System kann durch etwa 25 % der Gesamtmenge an Zusatzstoffen auch dafür sorgen, dass das Material den UL-94-Standard bei einer Dicke von 1,6 mm V0-Flammschutzanforderungen erfüllt. Zur weiteren Kostenoptimierung können mineralische Füllstoffe in entsprechenden Mengen zugesetzt werden. Darüber hinaus kann durch die Zugabe von Zähigkeitsmitteln die negative Schlagfestigkeit des Materials wirksam verringert werden, um sicherzustellen, dass das Material gleichzeitig flammhemmend ist und eine gute physikalische Festigkeit beibehält.

IFR-halogenfreies Flammschutzsystem: Beim PE-System ist zu beachten, dass der Einsatz von APP-haltigen Flammschutzformulierungen vermieden werden sollte, um die Flammschutzeigenschaften nicht negativ zu beeinflussen. Im Gegensatz dazu kann durch die Verwendung von flammhemmenden Phosphor- und Stickstoffverbindungen in einer Gesamtzugabe von 25 bis 26 % der UL94-Standard bei einer Dicke von 1,6 mm der flammhemmenden Klasse V0 erreicht werden. Es ist zu beachten, dass bei diesem System normalerweise nicht empfohlen wird, mineralische Füllstoffe hinzuzufügen, um die flammhemmende Wirkung nicht wesentlich zu beeinträchtigen.

Anorganisches Flammschutzsystem aus Magnesiumhydroxid (MDH) und Aluminiumhydroxid (ATH): Diese beiden anorganischen Flammschutzmittel können in einer großen Anzahl von Anwendungen (mehr als 60 %) den Sauerstoffindex des Materials deutlich auf über 30 verbessern und ihm eine niedrige Rauchdichte verleihen, die für den Bedarf an raucharmen, halogenfreien Flammschutzmaterialien geeignet ist. Um die flammhemmende Wirkung noch weiter zu verstärken, kann auch eine Compoundierung mit rotem Phosphor (RP) oder einem IFR-System in Betracht gezogen werden.

• Flammhemmende Anwendungen aus Polystyrol

Auswahl des Flammschutzprogramms:

Brom-Antimon-System: Im Allgemeinen beträgt das Verhältnis von Brom und Antimon 3:1. Es gibt mehr für Polystyrol geeignete Brom-Flammschutzmittel mit jeweils unterschiedlichen Vor- und Nachteilen, die im Allgemeinen die Anforderungen an die Flammhemmung erfüllen können. Daher ist es notwendig, das Flammschutzsystem entsprechend den Eigenschaften der Produkte auszuwählen.

IFR/Blähgraphitsystem: Der Schichtaufbau von Blähgraphit kann eine besondere Art von Einlagerungsverbindung bilden. Einige Untersuchungen zeigen, dass Blähgraphit sowie Phosphor- und Stickstoff-Flammschutzmittel in Kombination eine bessere Flammschutzwirkung erzielen können.

Im Unternehmen YINSU werden die IFR-Flammschutzmittel PPAP-15 und Blähgraphit EG langfristig weiterentwickelt und innoviert. Beide Artikel können eine hohe Leistung erzielen.

IFR+PPO-System: IFR und Polyphenylenether werden als zusammengesetztes Flammschutzsystem zum Compoundieren von flammhemmendem PS gewählt, wodurch die Flammschutzleistung von PS wirksam verbessert werden kann. PPO hat eine sehr gute Holzkohlebildungsleistung und eine gute synergistische Flammschutzwirkung mit IFR. Aufgrund der geringen UV-Beständigkeit von PPO ist die Mobilität jedoch relativ gering, sodass die Anwendung der Produkte nur begrenzt möglich ist.

Anorganisches Magnesiumhydroxid-Flammschutzsystem: Durch Zugabe einer großen Menge an anorganischem Magnesiumhydroxid-Flammschutzmittel kann eine flammhemmende Wirkung erzielt werden. Es kann auch mit rotem Phosphor-Flammschutzmittel gemischt werden, um höher flammhemmende Materialien zu erhalten. Aufgrund der Zugabe großer Mengen Magnesiumhydroxid wirkt sich die Zähigkeit des Materials jedoch auf die Notwendigkeit einer Zähigkeits- und Kompatibilitätsmodifikation aus, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erhalten.

• Anwendung von Polyvinylchlorid-Flammschutzmitteln

Auswahlprogramm für Flammschutzmittel:

Metalloxide werden als synergistische Flammschutzmittel für PVC eingesetzt. Da PVC-Materialien reich an Chlor sind, kann ihre Flammhemmung deutlich verbessert werden, indem der PVC-Matrix in geeigneten Mengen CPE (chloriertes Polyethylen) und bestimmte Metalloxide zugesetzt werden. Von den Metalloxiden zeigt Zinkstannat die beste Leistung hinsichtlich seiner Fähigkeit, den Sauerstoffindex des Materials zu verbessern, dicht gefolgt von Sb2O3 (Antimontrioxid), Ammoniumoctamolybdat und Zinkborat, die jeweils einen unterschiedlichen Gradienten der Flammhemmung aufweisen.

Der Antimontrioxid-Ersatz der T-Serie der YINSU Company kann Antimon vollständig ersetzen. Senken Sie nicht nur die Kosten, sondern behalten Sie auch die ursprüngliche Leistung bei.

Anorganische Aluminiumhydroxid- und Magnesiumhydroxidsysteme:

Magnesiumhydroxid und Aluminiumhydroxid reduzieren als anorganische Flammschutzadditive nicht nur wirksam die Rauchentwicklung von PVC-Materialien bei der Verbrennung, sondern verbessern auch deren Flammschutzeigenschaften deutlich und ermöglichen eine Reduzierung der Menge anderer eingesetzter Flammschutzmittel. Diese anorganischen mineralischen Flammschutzmittel haben einen tiefgreifenden Einfluss auf die physikalische und mechanische Festigkeit, den Flammschutzgrad und die Rauchminderungseigenschaften von Hart-PVC.

Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass hartes Gipspulver als Füllstoffverstärkungsmittel den Sauerstoffindex von PVC-Materialien im Vergleich zu herkömmlichem schwerem Calciumcarbonat deutlich verbessert und gleichzeitig bessere Umwelteigenschaften aufweist. Wenn außerdem Hartgipspulver mit flammhemmenden Synergisten aus Magnesiumhydroxid und Metalloxid synergiert wird, können flammhemmende Materialien mit höherem Sauerstoffindex und umweltfreundlicheren Eigenschaften hergestellt werden.

Um die flammhemmenden Eigenschaften von PVC weiter zu optimieren, ist es eine wirksame Strategie, die brennbaren Weichmacher teilweise durch die flammhemmenden Weichmacher TCPP oder Tetrabromphthalsäureanhydridester (B45-Z) zu ersetzen, was aufgrund seines hohen Bromgehalts besonders effektiv ist, allerdings die Härte und Dichte des Materials entsprechend erhöht und eine gewisse Kostenbelastung mit sich bringt. Im Gegensatz dazu ist TCPP zwar kostengünstiger, weist jedoch eine etwas weniger wirksame Flammschutzwirkung auf. Daher muss bei der Auswahl alternativer Weichmacher das Verhältnis zwischen Kosten und Leistung entsprechend den spezifischen Anforderungen abgewogen werden.

Abschluss

Da Allzweckkunststoffe aufgrund ihrer breiten Anwendungsabdeckung insbesondere in vielen sicherheitskritischen Bereichen eine wichtige Position einnehmen, ist die Optimierung ihrer flammhemmenden Eigenschaften zu einem zentralen Problem geworden, das gelöst werden muss. In diesem Prozess ist die Erforschung und Anwendung der am besten geeigneten Flammschutztechnologiestrategie von entscheidender Bedeutung, um die Sicherheit von Materialien in einem breiten Anwendungsspektrum zu gewährleisten.

Beispielsweise bietet YINSU Flame Retardant möglicherweise eine Reihe flammhemmender Produkte an. Ihre PP-Flammschutzmittel wie PPV2-8H und PPAP-15 sowie Flammschutzmittel mit rotem Phosphor wie FRP-950X und PEG-14 für PE sowie die Antimonersatz-T-Serie tragen wirksam zur Verbesserung der Flammschutzeigenschaften entsprechender Materialien bei und bieten zuverlässige Optionen zur Erfüllung verschiedener Anwendungsanforderungen und zur Gewährleistung der Sicherheit in verschiedenen Branchen.