Theoretische Studie zu flammhemmenden, selbstverlöschenden Isolierpulverbeschichtungen auf Epoxidharzbasis

Theoretische Studie zu flammhemmenden, selbstverlöschenden Isolierpulverbeschichtungen auf Epoxidharzbasis

In den letzten Jahren hat der Staat energisch eine grüne und umweltfreundliche Politik umgesetzt. Pulverlacke werden aufgrund ihrer Umweltfreundlichkeit und Funktionalität in immer mehr Industriebereichen eingesetzt. Jede Branche stellt unterschiedliche Leistungsanforderungen an sie. Unter anderem sammelt die Bordbatterie im Bereich der New-Energy-Fahrzeuge beim Schnellladen des Fahrzeugs in kurzer Zeit eine große Menge thermischer Energie. Wenn das Batteriemanagementsystem ausfällt und die Wärme nicht rechtzeitig abgeführt werden kann, kann es zu Schäden an den Batteriezellen oder sogar zu Selbstentzündungen und Explosionen kommen. Es kann außerdem zu Fehlfunktionen des Akkus während des Ladevorgangs und zu Unfällen kommen. Fahrzeugkollisionen können auch dazu führen, dass die Batterie durchbrennt oder sich bei Beschädigung selbst entzündet. Daher muss seine Schutzschicht über flammhemmende Eigenschaften verfügen, um im Falle einer Explosion die Ausbreitung von Flammen und Hitze zu verlangsamen, eine feuerdämmende Wirkung zu erzielen und dem Fahrer so mehr Zeit zur Flucht zu verschaffen. Darüber hinaus wird beim Betrieb und Laden/Entladen von New-Energy-Fahrzeugen Strom erzeugt. Um einen normalen Betrieb zu gewährleisten, muss die Schutzschicht auch über Hochspannungsisolationseigenschaften verfügen, um zu verhindern, dass die Beschichtung durch Hochspannungsstrom zerstört wird.

I. Flammhemmende Klassifizierung von Pulverbeschichtungen
Pulverbeschichtungen, die hauptsächlich aus Harz, Härter, Füllstoff, Additiven und anderen Rohstoffen bestehen, müssen ihre flammhemmenden Eigenschaften durch experimentelle Untersuchung jeder Komponente aus verschiedenen Dimensionen erreichen. Es gibt zwei flammhemmende Methoden für Pulverlacke: die additive Flammhemmung und die reaktive Flammhemmung. Unter additivem Flammschutz versteht man die Nutzung der eigenen flammhemmenden Eigenschaften des Materials, um den flammhemmenden Schutz der Beschichtung zu vervollständigen, sodass diese flammhemmende Eigenschaften aufweist. Dies wird dadurch erreicht, dass dem Pulverlack verschiedene flammhemmende Stoffe zugesetzt werden, die nicht an der Aushärtungsreaktion beteiligt sind. Bei der reaktiven Flammschutzmethode handelt es sich um das Einbringen flammhemmender Strukturen in den Pulverlack. Durch an der Polymerisationsreaktion beteiligte Monomere oder Strukturen in den Rohstoffen werden letztlich flammhemmende Gruppen in den Pulverlack eingebracht und so die flammhemmenden Eigenschaften des Pulverlacks verbessert.

1. Additive Flammhemmung
Diese Flammschutzmethode nimmt nicht direkt an der Reaktion teil. Stattdessen verlässt es sich auf seine eigenen flammhemmenden Eigenschaften, um die flammhemmenden Eigenschaften der Beschichtung zu vervollständigen. Daher besteht es hauptsächlich aus Füllstoffen und Zusatzstoffen, während Harz und Härter nicht in diese Kategorie fallen.

• Forschung zur Flammhemmung von Füllstoffen

Zu den gängigen flammhemmenden Füllstoffen auf dem Markt gehören derzeit hauptsächlich Aluminiumhydroxid, Magnesiumhydroxid usw. Ihre Partikel liegen jedoch im Allgemeinen im Mikrometerbereich, sodass keine hohen Füllstoffbeladungseffekte erzielt werden können, die Flammschutzwirkung gering ist und auch die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Materials beeinträchtigt werden. Daher ist es durch die Verbesserung der Grenzflächenwechselwirkungskraft zwischen flammhemmenden Füllstoffen möglich, diese gleichmäßiger in der Pulverbeschichtung zu verteilen und dadurch die mechanischen Eigenschaften des gemischten Materials effektiver zu verbessern. Durch die Zugabe spezieller nanoskaliger flammhemmender Füllstoffe zur Pulverbeschichtung zur Flammhemmung der Füllstoffe wird die Füllstoffbeladung erheblich reduziert und die Flammschutzeffizienz effektiv verbessert.

Die Forschung verwendet nanoskaliges Aluminiumhydroxid, Magnesiumhydroxid und Siliciumdioxidpulver für Vergleichsexperimente, um die Wirkung flammhemmender Füllstoffe auf die Leistung von Pulverbeschichtungen zu untersuchen.

Aus den Testdaten in Tabelle 1 ist ersichtlich, dass Pulverlacke mit zugesetzten nanoskaligen Füllstoffen hervorragende mechanische Eigenschaften aufweisen und die Anforderungen erfüllen können. Unter ihnen haben Pulverbeschichtungen mit Zusatz von Magnesiumhydroxid und Aluminiumhydroxid die besten flammhemmenden Eigenschaften und erreichen beide eine flammhemmende Wirkung der Stufe V-0. Pulverlacke mit Silica-Pulver allein als Füllstoff können die Flammschutzanforderungen nicht erfüllen.

Da sich Aluminiumhydroxid bei 200 bis 300 °C zu zersetzen beginnt, entsteht nach der Zersetzung aufgrund der Dehydratisierungsreaktion Wasserdampf, der eine endotherme Reaktion auf der Oberflächenbeschichtung auslöst und die Temperatur der Beschichtungsoberfläche senkt. Gleichzeitig verdünnt der erzeugte Wasserdampf die Konzentration von brennbaren Gasen und Sauerstoff und hat so eine gute wärmeisolierende und flammhemmende Wirkung.

Die Zersetzungstemperatur von Magnesiumhydroxid ist höher und erreicht 340–490 °C. Sein flammhemmender Mechanismus ähnelt dem von Aluminiumhydroxid, Magnesiumhydroxid kann jedoch die Karbonisierung der beschichteten Oberfläche fördern. Die gebildete karbonisierte Schicht kann den Kontakt zwischen Sauerstoff und der Metalloberfläche isolieren. Aluminiumhydroxid hat diesen Effekt nicht. Daher ist die flammhemmende Wirkung von Magnesiumhydroxid unter gleichen Bedingungen deutlich besser als die von Aluminiumhydroxid.

Da Silica-Pulver aus SiO2 besteht, bildet die Si-O-Bindung in der SiO2-Struktur im ausgehärteten Produkt eine silikatartige Struktur, wodurch chemische Kräfte entstehen, die der Beschichtung eine bessere Lösungsmittelbeständigkeit und Isolationseigenschaften verleihen und gleichzeitig eine gewisse flammhemmende Wirkung haben. Experimentelle Daten zeigen jedoch, dass die flammhemmende Wirkung von Siliciumdioxidpulver schlecht ist und die Flammschutzanforderungen der Stufe V-0 nicht erfüllt.

Um die Kombination aus Flammschutz- und Isoliereigenschaften zu erkunden, werden Magnesiumhydroxid, Aluminiumhydroxid und Siliciumdioxidpulver zusammengesetzt, um die beste Pulverbeschichtungsformel zu ermitteln, die Flammschutz und Isolierung kombiniert. Die Daten sind in den Tabellen 2 und 3 aufgeführt.

Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass die Beschichtungen nach dem Compoundieren von Magnesiumhydroxid, Aluminiumhydroxid und Siliciumdioxidpulver sowohl Flammschutz- als auch Isolationsspannungsbeständigkeitseigenschaften erreichen können. Unter diesen ist die Gesamtleistung der Beschichtung am besten, wenn das Mischungsverhältnis von Magnesiumhydroxid zu Siliciumdioxidpulver 2:1 beträgt und sowohl die Anforderungen an Flammhemmung als auch Isolationsspannungsbeständigkeit erfüllen kann.

• Forschung zu additiven Flammschutzmitteln

Aus ökologischer Sicht wurden für die Forschung halogenfreie Flammschutzadditive ausgewählt, da Halogenelemente bei hohen Temperaturen schädliche Gase freisetzen, flüchtig und durchlässig sind und durch gasförmige, flüssige und feste Zustände leicht eine Verschmutzung der Umgebung verursachen.

Phosphorhaltige Flammschutzmittel sind derzeit die am häufigsten verwendeten halogenfreien Flammschutzadditive auf dem Markt. Ihre vielfältigen Strukturen und ihre hohe Flammschutzwirkung haben viel Aufmerksamkeit erregt. Anorganische Phosphor-Flammschutzmittel können je nach Struktur in Ammoniumpolyphosphat, roter Phosphor usw. unterteilt werden, während organische Phosphor-Flammschutzmittel in verschiedene Flammschutzmittel wie Phosphatester, Phosphate usw. unterteilt werden. Aufgrund unterschiedlicher Oxidationsstufen und Koordinationsbindungen weisen Phosphor-Flammschutzmittel im Allgemeinen unterschiedliche Flammschutzmechanismen auf. Normalerweise wirken stark oxidierende Phosphor-Flammschutzmittel hauptsächlich durch Kondensation der flammhemmenden Phase. Phosphorsäure und ihre Derivate zersetzen sich beim Erhitzen, was zu einer Dehydrierung und Karbonisierung der Polymere führt und eine karbonisierte Schicht bildet, die den Sauerstoff blockiert, die Wärmeübertragung während der Verbrennung minimiert und dadurch flammhemmende und wärmeisolierende Wirkungen erzielt. Oxidationsarme Phosphor-Flammschutzmittel wirken hauptsächlich durch Gasphasen-Flammschutz. Bei der thermischen Zersetzung erzeugen sie eine große Anzahl freier Radikale auf Phosphorbasis, die durch Kettenreaktionen beim Abschrecken die Flammenausbreitung hemmen, die Verbrennung von OH·- und H·-Radikalen beenden und so eine Flammhemmung erreichen. Gleichzeitig wird jedoch auch die Rauchentwicklung zunehmen. Derzeit sind Phosphor-Flammschutzmittel auf einem relativ hohen Preisniveau. Diese Additive haben eine starke flammhemmende Wirkung, beeinträchtigen jedoch bei alleiniger Verwendung die mechanischen Eigenschaften von Pulverlacken. Daher werden derzeit häufiger synergistische Additive und Phosphor-Flammschutzmittel bei gleichzeitiger Reduzierung der Menge an Phosphor-Flammschutzmitteln eingemischt, um flammhemmende Eigenschaften zu erzielen und ihre mechanischen Eigenschaften zu verbessern.

2. Reaktive Flammhemmung

• Forschung zur Flammhemmung von Harzen

Epoxidharz ist ein Schlüsselmaterial für die flammhemmende und wärmeisolierende Wirkung von Pulverbeschichtungen und spielt bei flammhemmenden Isolierpulvern eine große Rolle. Die Epoxid- und Hydroxylgruppen im Epoxidharz haben gute Isoliereigenschaften und sind daher stark reaktiv. Nach der Reaktion mit dem Härter bildet sich schnell eine vernetzte Netzwerkstruktur, wodurch Isolationseigenschaften erreicht werden. Flammhemmendes Harz ist nicht das auf dem Markt weit verbreitete Bisphenol-A-Epoxidharz, sondern ein entsprechendes flammhemmendes Harz, das durch Einbringen flammhemmender Elemente wie Phosphor, Stickstoff und Silizium in das Epoxidharz hergestellt wird.

Stickstoffhaltige Gruppen verfügen über flammhemmende, selbstverlöschende Eigenschaften mit hervorragenden Eigenschaften wie Temperaturbeständigkeit und Lichtbogenbeständigkeit. Durch die Einführung stickstoffhaltiger Gruppen in Epoxidharz zur Modifizierung und Optimierung erhält die mit Härtern und anderen Rohstoffen gebildete Beschichtung hervorragende flammhemmende, temperaturbeständige und druckbeständige Eigenschaften.

Phosphor hat eine gute Hitzebeständigkeit und flammhemmende Eigenschaften. Nach dem Einbringen eines Phosphorgehalts von 1 bis 10 % in Epoxidharz sind die flammhemmenden und temperaturbeständigen Eigenschaften ausgezeichnet. Mit flammhemmendem Harz hergestellte Beschichtungen erzeugen beim Erhitzen phosphorhaltige Oxysäuren, die die Dehydratisierung und Karbonisierung der Verbindung katalysieren können, wodurch die Massenverlustrate des Materials verringert, die Entstehung brennbarer Stoffe verringert und durch die gebildete karbonisierte Schicht eine Flammhemmung erreicht wird.

Durch die Verwendung von organischem Silizium zur Modifizierung von Epoxidharz werden dessen innere Spannungen reduziert und gleichzeitig die Zähigkeit des Epoxidharzes gefördert, wodurch die Hochtemperaturbeständigkeit und andere Eigenschaften optimiert werden. Organische Siliziumpolymere, die Epoxidgruppen enthalten, können alle als organische Siliziumepoxidharze betrachtet werden. Wenn sich ihre Molekulargewichte unterscheiden, ändert sich der Dispersionszustand der organischen Siliziumphase unterschiedlich und ihre Eigenschaften verändern sich grundlegend. Daher liegt der Schlüssel zur Verwendung dieses Harzes in der richtigen Lösung von Kompatibilitätsproblemen.

l Forschung zur Flammhemmung von Härtern

Durch die Einführung phosphorhaltiger Gruppen in Aminhärter wird sichergestellt, dass der aktive Wasserstoff im Aminhärter eine vollständige Aushärtung des Produkts ermöglicht. Nach dem Aushärten enthält das Produkt zwei flammhemmende Elemente, nämlich P und N. Bei der Flammhemmung in der Gasphase und in der kondensierten Phase können diese beiden flammhemmenden Elemente synergistische Effekte ausüben und so bestimmte flammhemmende Effekte erzielen. Gleichzeitig werden durch die Anwesenheit von P-, N- und C-Elementen, die ein intumeszierendes Flammschutzsystem bilden, auch flammhemmende Effekte auf Verbundwerkstoffe erzielt.

Ein weiterer üblicher Epoxidhärter ist der Anhydridhärter. Durch Einbringen von Phosphor oder anderen flammhemmenden Elementen in das Härtermolekül wird dieses dann mit Rohstoffen wie Epoxidharz schmelzvermischt, um flammhemmende Pulverbeschichtungen zu bilden. Untersuchungen zeigen, dass das System die Flammschutznorm UL94 V-0 erfüllt, wenn der Phosphorgehalt im System 1,5 % erreicht.

II. Fazit
Derzeit entwickeln sich flammhemmende Pulverlacke rasant und ihre flammhemmenden Eigenschaften können aus verschiedenen Rohstoffstufen erreicht werden. Um eine funktionelle Verbindung von Flammschutz und Isolierung zu erreichen, ist es notwendig, von der Struktur und dem Mechanismus der Rohstoffe auszugehen und die synergistischen Effekte zwischen verschiedenen Rohstoffen zu untersuchen, um eine funktionelle Verbindung zu erreichen. In diesem Artikel werden die Struktur und Eigenschaften jedes Rohstoffsystems untersucht und eine theoretische Grundlage für die Hochleistungscompoundierung bereitgestellt. Die tatsächlichen Anwendungsbedingungen müssen jedoch anhand von Laborergebnissen ermittelt werden.

Auf der Suche nach einem gebrauchsfertigen, halogenfreien Weg zur Flammhemmung und Hochspannungsisolierung kann auf die von Guangzhou Yinsu Flame Retardant angebotene Generation von Organophosphor-Additiven zurückgegriffen werden. Die Yinsu YS-22E , YS-M220G und YS-9003 sind allesamt weißpulverige, phosphorbasierte, halogenfreie Systeme, die für die nanoskalige Dispersion in Epoxidpulvern oberflächenaktiviert wurden. Sie wirken, indem sie eine intumeszierende Verkohlungsbarriere bilden und gleichzeitig die dielektrische Integrität der Beschichtung aufrechterhalten.