Wie wählt man das richtige Flammschutzmittel aus? Hier sind die zu berücksichtigenden Faktoren ...

Wie wählt man das richtige Flammschutzmittel aus? Hier sind die zu berücksichtigenden Faktoren ...

In den beiden vorherigen Teilen haben wir die Kerneigenschaften, Hauptklassifizierungen und typischen Anwendungsszenarien von Flammschutzmitteln in modifizierten Kunststoffen systematisch untersucht.
Flammhemmende Lösungen für modifizierte Kunststoffe (Teil 1): Produkteigenschaften + Anwendungsszenarien, erklärt in einem Artikel
Flammhemmende Lösungen für modifizierte Kunststoffe (Teil 2): ​​Mainstream-halogenfreie Kategorien + neue Nanotechnologie

Nach dem Verständnis dieser Grundlagen wird die Auswahl des am besten geeigneten Flammschutzmittels für ein bestimmtes Produkt und einen bestimmten Prozess zu einer entscheidenden Entscheidung für Ingenieure und F&E-Personal. Dieser Teil konzentriert sich auf die Auswahllogik für Flammschutzmittel und bietet einen klaren und praktischen Screening-Leitfaden aus mehreren Dimensionen, einschließlich Anwendungsanforderungen, Leistungsbilanz, Kostenkontrolle und Verarbeitungsanpassungsfähigkeit.

Die Wahl eines Flammschutzmittels hängt ab von:

• Die Art des Anwendungsszenarios.

• Die spezifischen Flammschutznormen, die erfüllt werden müssen.

• Die relevanten Vorschriften, die eingehalten werden müssen.

Bei der Auswahl des optimalen Flammschutzsystems für eine bestimmte Verwendung müssen auch viele andere Aspekte berücksichtigt werden.

I. Auswahlkriterien für bromierte Flammschutzmittel
Faktoren, die die Auswahl bromierter Flammschutzmittel beeinflussen

1. Bromart und -gehalt
Damit ein ausgewähltes bromiertes Flammschutzmittel wirksam ist, muss es sich beim Verbrennen des Polymers zersetzen und gleichzeitig während der Polymerverarbeitung stabil bleiben. Diese Anforderung bestimmt die Art des Broms im Flammschutzmittel. Darüber hinaus muss das Hemmmittel einen ausreichenden Bromgehalt enthalten, um die erforderliche Flammschutzleistung zu erreichen, und die Zugabemenge sollte sich nicht negativ auf die physikalischen Eigenschaften des Materials oder die Systemkosten auswirken.

2. Thermische Stabilität
Das ausgewählte bromierte Flammschutzmittel muss beim Compoundieren und Spritzgießen stabil bleiben. Die Zersetzung während dieser Prozesse kann zu Materialverfärbungen, Polymerabbau und Korrosion der Ausrüstung führen. Daher ist die Auswahl des geeigneten Verzögerers und die Kombination mit den erforderlichen Wärmestabilisatoren und Synergisten von entscheidender Bedeutung.

3. Alterungseigenschaften
Das Harzsystem muss möglicherweise verschiedenen Faktoren standhalten, die zu vorzeitigem Abbau und Verfärbung führen. Bei der Auswahl des am besten geeigneten Flammschutzmittels und der erforderlichen Stabilisatoren für ein bestimmtes System müssen Faktoren wie UV-Beständigkeit, thermische Stabilität und Migration umfassend berücksichtigt werden.

4. Verarbeitungseigenschaften
Einige Flammschutzmittel sind je nach Verarbeitungstemperatur schmelzmischbar, andere werden als Füllstoffe eingesetzt. Dieser Unterschied wirkt sich auf die Verarbeitung und die physikalischen Eigenschaften des Endprodukts aus.

5. Zu erfüllende Standards
Die Auswahl eines Flammschutzmittels hängt weitgehend vom gewählten Harzsystem und den einzuhaltenden Standards ab.

6. Nutzungskosten
Die Gesamtkosten des gesamten Flammschutzsystems müssen berücksichtigt werden. Dies hängt nicht nur vom Preis des bromierten Flammschutzmittels selbst und seiner erforderlichen Beladung ab, sondern auch von den Kosten anderer Additive, die zum Aufbau eines funktionsfähigen Systems benötigt werden.

7. Umweltaspekte
Die Verwendung bromierter Flammschutzmittel ist mit besonderen Umweltauflagen verbunden. Ein zentrales Anliegen ist die Reduzierung toxischer Gefahren im gesamten Lebenszyklus, von der Herstellung über den Endverbrauch bis zur Entsorgung.

8. Blooming-Widerstand
Blooming bezieht sich auf das Phänomen, bei dem das Flammschutzmittel langsam zur Kunststoffoberfläche wandert und ein trübes Aussehen, oft mit einer bronzeähnlichen Farbe, verursacht. Dies ist insbesondere bei Bauteilen unerwünscht, die auch ästhetische Funktionen erfüllen, wie beispielsweise Gehäuse und Gehäuse. Daher ist die Ausblühbeständigkeit bei vielen Anwendungen ein wichtiger Aspekt.
Im Allgemeinen hängt die Schwere des Ausblühens von der Kompatibilität des Flammschutzmittels mit der Polymermatrix und dem Molekulargewicht des Retardmittels ab: Eine bessere Verträglichkeit und ein höheres Molekulargewicht führen zu weniger Ausblühen.

9. UV-Stabilität
In vielen Anwendungen müssen flammhemmende Harze verschiedenen Umgebungsbedingungen standhalten, die leicht zu vorzeitigem Abbau und Verfärbung führen können. Daher ist die Auswahl eines geeigneten bromierten Flammschutzmittels für Anwendungen, die UV-Beständigkeit erfordern, wie z. B. Anwendungen im Freien, von entscheidender Bedeutung.

II. Auswahlkriterien für
Aluminiumhydroxid (ATH) und Magnesiumhydroxid (MDH)
Bei der Auswahl von Aluminiumhydroxid (ATH) oder Magnesiumhydroxid (MDH)-Produkten für eine flammhemmende Formulierung müssen die folgenden wichtigen Materialparameter hervorgehoben werden:

• Mittlere Partikelgröße.

• Partikelgrößenverteilung.

• Spezifische Oberfläche.

• Partikelmorphologie.

• Oberflächenchemie.

• Farbe.

Diese Produkteigenschaften (der Grundmaterialien) haben direkten Einfluss auf den Compoundierungsprozess und die endgültigen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs.

1. Vergleich der physikalischen Eigenschaften

2. Vergleich der thermischen Stabilität
Die folgende Abbildung vergleicht die thermischen Zersetzungseigenschaften von Aluminiumhydroxid (ATH) und Magnesiumhydroxid (MDH):

• Aluminiumhydroxid beginnt sich bei etwa 220 °C (428 °F) zu zersetzen.

• Magnesiumhydroxid zersetzt sich bei etwa 330 °C (626 °F).

Daher weist Magnesiumhydroxid eine höhere thermische Stabilität auf und bietet ein breiteres Temperaturfenster für die Compoundierung. Aluminiumhydroxid eignet sich für Duroplaste, die typischerweise unter 200 °C verarbeitet werden, sowie für einige Kunststoffverbindungen auf PVC- und Polyolefinbasis.

Magnesiumhydroxid wird bei der Formulierung von Kunststoffverbundwerkstoffen bevorzugt, die bei oder nahe Temperaturen über 220 °C (428 °F) verarbeitet werden müssen, beispielsweise Polypropylen und technische Thermoplaste. Der Einsatz von Magnesiumhydroxid für Thermoplaste oder Elastomere mit niedrigem Schmelzpunkt kann auch höhere Verarbeitungstemperaturen und eine höhere Compoundierleistung ermöglichen.
Beim Erhitzen und Zersetzen setzen sowohl Aluminiumhydroxid als auch Magnesiumhydroxid Kristallwasser frei: Einerseits kühlt es die Polymermatrix ab und andererseits verdünnt es den bei der Verbrennung entstehenden Rauch (ATH setzt etwa 35 % seines Gewichts als Wasser frei, MDH etwa 31 %). Gleichzeitig entziehen ihre endothermen Zersetzungsprozesse eine erhebliche Menge an Wärme, wodurch die Verbrennungsreaktion weiter unterdrückt wird. Bezogen auf die Gewichtseinheit absorbiert Magnesiumhydroxid mehr Wärme (328 kcal/g) als Aluminiumhydroxid (280 kcal/g), wodurch es in Hochtemperaturszenarien effizienter ist.

3. Füllstoffbeladung
Um die erwartete flammhemmende Wirkung zu erzielen, muss die Beladung mit Aluminiumhydroxid (ATH) und Magnesiumhydroxid (MDH) typischerweise etwa 150 phr (60 Gew.-%) erreichen. Hohe Beladungsmengen können jedoch leicht zu einer verminderten Verarbeitbarkeit und beeinträchtigten mechanischen Eigenschaften (wie Zugfestigkeit, Schlagzähigkeit) und physikalischen Eigenschaften (wie Zähigkeit, Witterungsbeständigkeit) führen.
Obwohl Hydroxidfüllstoffe pro Einheit günstiger sind als die meisten anderen Arten von Flammschutzmitteln, ist der umfassende Kostenvorteil aufgrund der erforderlichen hohen Beladung nicht signifikant. Um dieses Problem anzugehen, wendet die Branche in der Regel die folgenden Lösungen an:

• Verwendung synergistischer Additive: Die Zugabe synergistischer Additive zu hydratisierten Metallhydroxid-Füllstoffen kann die Füllstoffbeladung reduzieren, ohne die Flammschutzleistung zu beeinträchtigen, wodurch die Verschlechterung der Verarbeitbarkeit und der mechanischen Eigenschaften abgemildert wird.

• Oberflächenmodifizierungsbehandlung: Die Oberflächenbehandlung von Hydroxidfüllstoffen mit Organosilanen, Zirkonaten oder Titanaten kann ihre Kompatibilität mit der Polymermatrix verbessern und dadurch ihre Einsatzeffizienz erhöhen.

• Kombinierte Anwendung: Es besteht ein synergistischer Effekt zwischen Aluminiumhydroxid und Magnesiumhydroxid. Wenn die Gesamtbeladung unverändert bleibt, kann durch ihre Kombination die Flammschutzleistung verbessert werden, bei unveränderter Flammschutzleistung kann die Gesamtbeladung verringert werden. Darüber hinaus kann die Kombination komplexer Metallhydroxide mit ATH/MDH die Flammschutzwirkung weiter verbessern.

Anwendungsvorteile komplexer Metallhydroxide
In Extrusionsversuchen wurden durch den Ersatz von reinem MDH durch MDH/ATH-Mischungen in unterschiedlichen Verhältnissen folgende Verarbeitungsoptimierungen erzielt:

• Der Düsendruck wurde um 15 bis 20 % reduziert.

• Drehmoment um 16 % bis 21 % reduziert, wodurch der Energieverbrauch gesenkt wird.

Durch den Einsatz von Aluminiumhydroxid/Magnesiumhydroxid-Mischungen und synergistischen mineralischen Flammschutzmitteln können Kosten gesenkt werden. Die Preisrangfolge verschiedener verwandter Zusatzstoffe von hoch nach niedrig ist: Polypropylen > MDH > ATH > Gängige weiße Füllstoffe.
Die Nutzung dieses Preisunterschieds und der synergistischen Wirkung der Kombination ermöglicht ein gutes Gleichgewicht zwischen Flammschutzleistung, physikalischen/mechanischen Eigenschaften und Kosten, wodurch typischerweise Kosteneinsparungen von 25–30 % erzielt werden.
Wie in der Abbildung unten konkret dargestellt: Die Legende ist MDH-Kontrollgruppe, MDH/ATH-Mischung, MDH/ATH/Kaolin-Mischung, MDH/ATH/Calciumcarbonat-Mischung. Die horizontale Achse ist der Kostenindex im Bereich von 0 bis 150.

An dieser Stelle können Sie anhand des Anwendungsszenarios vorab die Art des Flammschutzmittels bestimmen. Es ist jedoch noch eine weitere Überprüfung der Kompatibilität zwischen diesem Flammschutzmittel und der Kunststoffmatrix in Ihrer Formulierung erforderlich. Die endgültige Auswahl muss gleichzeitig auf die Verarbeitungseigenschaften, die Gebrauchseigenschaften und die Flammschutzanforderungen des Polymers abgestimmt sein.