Was sind die neuesten Fortschritte in der Flammschutztechnologie im In- und Ausland?

Was sind die neuesten Fortschritte in der Flammschutztechnologie im In- und Ausland?

Polymermaterialien, neben Keramik- und Metallmaterialien eines der drei Hauptmaterialien, werden in fast allen Bereichen der menschlichen Arbeit und des menschlichen Lebens häufig verwendet. Allerdings handelt es sich bei den meisten Polymermaterialien um kohlenstoffbasierte Polymere, die bei Kontakt mit offenem Feuer leicht entflammbar sind und eine ernsthafte Gefahr für das Leben und Eigentum von Menschen darstellen. Daher ist die Erforschung der flammhemmenden Eigenschaften von Polymeren unerlässlich.

Basierend auf den Verbrennungseigenschaften von Polymermaterialien können verschiedene Methoden eingesetzt werden, um den Verbrennungsprozess zu unterbrechen und eine Flammhemmung zu erreichen. Im Jahr 1930 wurde das synergistische Flammschutzsystem aus Antimonoxid und Chlorparaffin entdeckt und erfolgreich auf einige Polymermaterialien angewendet. In den 1950er Jahren entwickelte die Hooker Chemical Company flammhemmende ungesättigte Polyester unter Verwendung reaktiver Monomere, die chlorierte Phosphorsäure enthielten. Anschließend entstanden neue reaktive flammhemmende Monomere, die Brom und Phosphor enthalten. In den 1980er Jahren führten Diskussionen über Toxizität und Umweltprobleme im Bereich der Flammschutzmittel dazu, dass halogenfreie, rauchunterdrückende und wenig toxische Flammschutzmittel zu neuen Entwicklungszielen wurden. Mit der rasanten Entwicklung von Polymermaterialien ist die Forschung zu Flammschutztechnologien und -mechanismen immer umfangreicher und tiefgreifender geworden. Es wurden verschiedene Flammschutztechnologien erforscht, die auf Mechanismen zur Unterbrechung der Gasphase, der kondensierten Phase und des Wärmeaustauschs basieren. In den letzten Jahren haben Verbundflammschutz-, synergistische Flammschutz- und makromolekulare Flammschutztechnologien große Aufmerksamkeit erregt. Dieser Artikel bietet einen Überblick über die jüngsten Fortschritte bei diesen Flammschutztechnologien im In- und Ausland.

I. Flammschutztechnologie für Verbundwerkstoffe

1. Schichtdoppelhydroxide (LDHs)

Schichtdoppelhydroxide (LDHs) sind schichtförmige anorganische Nanomaterialien mit Zusammensetzungen und Strukturen, die Aluminiumhydroxid (Al(OH)₃, ATH) und Magnesiumhydroxid (Mg(OH)₂, MH) ähneln. Sie vereinen die Vorteile beider und sind frei von giftigen Substanzen, was sie zu idealen grünen Flammschutzmitteln zur Rauchunterdrückung macht. Der flammhemmende Mechanismus von LDHs beinhaltet die Zersetzung während der Verbrennung in CO₂, H₂O und Metalloxide. CO₂ und H₂O verdünnen brennbare Gase und O₂ und senken so die Verbrennungstemperatur, während Metalloxide die Bildung einer Verkohlungsschicht fördern, O₂ und Wärme isolieren und so den Substratabbau verlangsamen.

2. Nanoporöse metallorganische Gerüstmaterialien (MOFs)

MOFs sind poröse organisch-anorganische Hybridmaterialien, die durch Selbstorganisation organischer Liganden mit Metallionen oder Clustern entstehen. Ihr Design ist flexibel und ihre Struktur ist anpassbar. Durch Modifizierung organischer Liganden oder Metallkoordinationsstellen können MOFs mit spezifischen Eigenschaften erhalten werden, was auf ein breites Anwendungspotenzial hinweist. Zeolithische Imidazolat-Gerüste (ZIFs), die die Vorteile traditioneller MOFs und Zeolithe vereinen, werden durch Selbstorganisation von Übergangsmetallen mit imidazolhaltigen organischen Liganden gebildet. Sie sind leicht zu synthetisieren, stabil, haben regelmäßige Poren, vielfältige Strukturen und eine hohe katalytische Aktivität.

3. Polyedrische oligomere Silsesquioxane (POSS)

POSS ist ein neuartiges Flammschutzmittel auf Siloxanbasis mit organisch-anorganischer Hybridstruktur. Es verbessert die Flammhemmung und verbessert gleichzeitig die mechanischen, Verarbeitungs- und thermischen Eigenschaften von Polymeren. POSS mit seinen hybriden, käfigartigen und nanostrukturierten Merkmalen erhöht die thermische Stabilität, Flammwidrigkeit und mechanische Leistung des Polymers und reduziert gleichzeitig die Dielektrizitätskonstante. POSS und seine Derivate stellen als halogenfreie Flammschutzmittel eine Hauptkategorie neuartiger halogenfreier Flammschutzmittel dar und werden häufig verwendet.

4. Graphen-Nanoblätter (GNS)

GNS sind zweidimensionale Nanoblattmaterialien, die aus einer einzelnen Schicht von Kohlenstoffatomen bestehen. GNS und ihre Derivate weisen aufgrund ihrer Nanoeffekte hervorragende flammhemmende Eigenschaften auf, insbesondere wenn sie mit anorganischen Nanomaterialien zu vielseitigen flammhemmenden Materialien kombiniert werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Flammschutzmitteln auf Kohlenstoffbasis (z. B. Graphit, expandierter Graphit, oxidierter Graphit) bietet die einzigartige zweidimensionale Nanostruktur von GNS eine höhere Flammschutzeffizienz. Im Vergleich zu Kohlenstoffnanoröhren ist GNS für industrielle Anwendungen kostengünstiger.

Der flammhemmende Mechanismus von GNS und seinen Derivaten umfasst:

- Fördert die Bildung dichter, kontinuierlicher Kohleschichten während der Verbrennung und sorgt so für physikalische Isolierung.

- Eine hohe spezifische Oberfläche adsorbiert wirksam brennbare organische Dämpfe oder verhindert deren Freisetzung und Diffusion.

- Aktive Gruppen auf GNS- und GO-Oberflächen zersetzen und dehydrieren bei niedrigen Temperaturen und setzen Gase frei, die Wärme absorbieren und die Temperatur der Polymermatrix senken, während gleichzeitig die O₂-Konzentration verdünnt wird.

- Durch die Wechselwirkung mit Polymerketten entsteht eine dreidimensionale Netzwerkstruktur, die das Tropfen der Schmelze verhindert und die Flammhemmung verbessert.

II. Synergistische Flammschutztechnologie

Einer der neuesten internationalen Forschungsschwerpunkte im Bereich halogenfreier Flammschutzmittel ist die Verwendung mehrerer Flammschutzelemente, um die Mängel einzelner Elemente auszugleichen und die Dosierung, Leistung und Kosten des Flammschutzmittels in Einklang zu bringen, um den wachsenden Umwelt- und Sicherheitsanforderungen gerecht zu werden. Forscher haben die synergistischen Wirkungen verschiedener Flammschutzsysteme eingehend untersucht, wie etwa synergistische Flammschutzmittel mit Hydroxid, synergistische Flammschutzmittel mit Phosphor-Stickstoff, synergistische Flammschutzmittel mit Phosphor-Silizium und flammhemmende Nanopartikel-Verbundsysteme.

1. Synergistische Flammhemmung durch Metallhydroxid

Metallhydroxide, darunter ATH und MH, gehören zu den umweltfreundlichsten Flammschutzmitteln, da sie bei der Flammschutzbehandlung keine Schadstoffe produzieren. Ihre Zersetzungsprodukte können schädliche Gase und Rauch absorbieren, die bei der Polymerverbrennung entstehen. Gängige halogenfreie Verbundflammschutzmittel werden in Schichtmaterialien, phosphorhaltige Verbindungen und Seltenerdoxide eingeteilt.

2. Phosphor-Stickstoff-synergistische Flammhemmung

Die Phosphor-Stickstoff-Synergie ist zu einer Schlüsselrichtung in der Forschung und Entwicklung von Flammschutzmitteln auf Phosphor- und Stickstoffbasis geworden und bietet in vielen Bereichen eine umweltfreundliche und halogenfreie Option. Der Flammschutzmechanismus beinhaltet eine Kombination aus Flammschutz in der kondensierten Phase und in der Gasphase. Bei der Verbrennung zersetzen sich Flammschutzmittel und bilden anorganische Säuren wie Phosphorsäure oder Polyphosphorsäure, wodurch eine Schutzschicht auf der Substratoberfläche entsteht, die die Luft isoliert. Gleichzeitig setzen sie nicht brennbare Gase wie Ammoniak, Stickstoff, Wasserdampf und Stickoxide frei, wodurch die Sauerstoffversorgung blockiert und eine Flammhemmung erreicht wird. Beispielsweise werden wasserlösliche, synergistische, intumeszierende Phosphor-Stickstoff-Flammschutzmittel (PEIPO) für wassergetriebene flexible PU-Schaumstoffe unter Verwendung von Polyethylenimin und Phosphor-Zwischenvorläufern hergestellt.

3. Andere synergistische Systeme

Alkylhypophosphit-Flammschutzmittel, die für ihre thermische Stabilität, ihren hohen Phosphorgehalt und ihre hervorragende Flammschutzleistung bekannt sind, werden häufig verwendet, sind aber teuer. Ihre mechanische Leistung ist bei alleiniger Anwendung nicht optimal, daher werden sie oft mit Nanopartikeln oder anorganischen Flammschutzmitteln kombiniert. Lineare oder verzweigte Alkylhypophosphite werden am häufigsten verwendet, wobei AlPi in Polyestern und Polyamiden eingesetzt wird (PA). Beispielsweise wirken AlPi und Triethylenglykoltriglycidat (TGIC) synergistisch flammhemmend auf Polyamid 6 (PA6). Wenn der Gesamtmassenanteil von AlPi und TGIC 11 % bei einem Massenverhältnis von 97:3 beträgt, werden die UL-94 V-0-Einstufung und ein LOI von 30,3 % erreicht. Ein weiteres Beispiel ist das Mischen von Ammoniumpolyphosphat (APP), Aluminiumhypophosphit (AHP) und Melamincyanurat (MCA) mit Polypropylen (PP). Wenn die gesamte flammhemmende Masse 30 % beträgt und das Verhältnis m(APP):m(AHP):m(MCA) = 4:1:1 beträgt, wird eine ideale Flammhemmung mit einem LOI von 33 % und einer V-0-Bewertung nach UL-94 erreicht.

III. Makromolekulare Flammschutztechnologie

Makromolekulare Flammschutzmittel werden durch chemische Reaktion niedermolekularer Flammschutzmittel zu makromolekularen Strukturen synthetisiert, wodurch Verbindungen entstehen, die reich an flammhemmenden Elementen sind und eine gute Kompatibilität mit Polymeren aufweisen. Beispielsweise wird ein anorganisch-organisches hybrides makromolekulares Flammschutzmittel – Hexa[4-(N-phenylamino-DOPO-methylen)phenoxy]cyclotriphosphazen (DOPO-PCP) – über Substitutions-, Kondensations- und Additionsreaktionen für DGEBA-Flammschutzmittel synthetisiert. Ein weiteres Beispiel ist die Einführung gehinderter Amingruppen mit Funktionen zum Abfangen freier Radikale in intumeszierende Flammschutzmittel (IFR), um ein neuartiges makromolekulares intumeszierendes Flammschutzmittel (HAPN) zu schaffen, das zusammen mit APP zur Flammhemmung von PP verwendet wird.

Flammschutzmittel haben sich mit der weit verbreiteten Anwendung von Polymermaterialien erheblich weiterentwickelt. Mit zunehmendem Umweltbewusstsein steigt die Nachfrage nach effizienten, ungiftigen, polymerverträglichen, migrationsarmen und kostengünstigen umweltfreundlichen Flammschutzmitteln. Es entstehen ständig neue Flammschutzmittelvarianten und neue Technologien. Synergistische und makromolekulare Flammschutztechnologien machen Fortschritte in Richtung höherer Effizienz, geringerer Toxizität und Umweltfreundlichkeit. Zukünftige Forschungsrichtungen umfassen ultrafeines Design, Mikroverkapselung, synergistische Kombinationen verschiedener Flammschutzmittel, makromolekulares flammhemmendes Strukturdesign und Oberflächenmodifikationstechnologien für flammhemmende Polymermaterialien. Aufgrund des anhaltenden Forschungsfortschritts stehen Flammschutzmittel vor einer starken Entwicklung.

YINSU Flame Retardant New Material Co., Ltd. hat auf dem Gebiet der Flammschutzmittel bemerkenswerte Ergebnisse erzielt. Sein mit Mikrokapseln beschichtetes Flammschutzmittel mit rotem Phosphor übernimmt das ursprüngliche mehrschichtige Mikrokapsel-Beschichtungsverfahren, das sich durch einen hohen Phosphorgehalt, eine geringe Additivmenge, eine geringe Rauchdichte usw. auszeichnet, was die Materialkosten erheblich senken und gleichzeitig die Dispersion und Verträglichkeit verbessern und sicherstellen kann, dass das Erscheinungsbild des Materials flach und hell ist. Darüber hinaus behalten die zusammengesetzten Antimon-Flammschutzmittel der YINSU Flame Retardant Company, wie z. B. die T-Serie , nicht nur die flammhemmende Wirkung von herkömmlichem Antimontrioxid bei, sondern senken auch die Rohstoffkosten erheblich, bieten eine hervorragende Verarbeitungsleistung und Umweltverträglichkeit, eignen sich für eine Vielzahl von Kunststoffsubstraten und werden häufig in Drähten und Kabeln, elektronischen und elektrischen Geräten sowie im Automobilinnenraum und in anderen Branchen eingesetzt. Mit ihren Vorteilen wie hocheffizienter Flammhemmung, Umweltverträglichkeit und Kostenoptimierung sind diese Produkte für viele Branchen die ideale Wahl, um die Flammhemmung ihrer Produkte zu verbessern.