Was sind die wichtigsten Arten von flammhemmenden Kunststoffen?

Feuer entwickelt sich schnell, und die meisten Kunststoffe schmelzen oder tropfen wie ein Kerzendocht. Um unsere Geräte, Spielzeuge und Wohnungen sicherer zu machen, verlassen wir uns auf schwer entflammbare Kunststoffmaterialien die entweder die Flamme ersticken, die Oberfläche abkühlen oder eine zähe Kohle bilden, die dem Feuer den Sauerstoff entzieht. Falls Sie sich jemals gefragt haben, "Was sind die wichtigsten Arten von flammhemmenden Kunststoffen?" sind Sie am richtigen Ort.

Erfolg: Zwei große Familien übernehmen die schwere Arbeit:

1. Halogenierte Flammschutzmittel - bromierte oder chlorierte Chemikalien, die die radikalische Kettenreaktion des Feuers unterbrechen.
2. Nicht-halogenierte Flammschutzmittel - phosphorhaltige, mineralische und andere organische Verbindungen, die abkühlen, verkohlen oder anschwellen, um die Flamme zu blockieren.

In diesem Artikel erfahren wir, wie die einzelnen Produktfamilien funktionieren, sehen uns Beispiele aus dem Alltag an, entschlüsseln die UL-Prüfungen und lernen, wie Designer die beste Lösung für Kosten, Sicherheit und Umwelt auswählen.

Flammhemmende Kunststoffmaterialien: Warum die Flammwidrigkeit wichtig ist 

Jedes Jahr verursachen Hausbrände, Autobrände und elektrische Kurzschlüsse herzzerreißende Verluste. Flammhemmende Kunststoffmaterialien als stilles Sicherheitsnetz ein, das den Familien wertvolle Sekunden zur Flucht verschafft und den Feuerwehrleuten ein ruhigeres Umfeld verschafft, in dem sie arbeiten können. Diese zusätzlichen Sekunden entstehen durch Zusatzstoffe, die die Entzündung verzögern, die Hitzeentwicklung verringern und die Rauchentwicklung reduzieren. Außerdem helfen sie den Herstellern, die begehrten UL94-Bewertungen die von Versicherungen, Aufsichtsbehörden und Käufern gefordert werden. Ohne sie würden die schlanken Laptops, Smartwatches und Elektroauto-Batterien von heute einfach nicht bestehen.

Sicherheit in Wohnräumen

Küchenmixer, Kaffeemaschinen und Steckdosenleisten müssen auch bei starker Belastung kühl bleiben. Halogenierte Systeme in ABS oder PC schaffen eine selbstlöschende Hülle, so dass die Funken verpuffen und sich nicht ausbreiten.

Elektronik & Gadgets

Leiterplatten können bei normalem Gebrauch 130 °C erreichen. Phosphorverbindungen in FR-4-Laminaten und BFR in Telefongehäusen sorgen für sichere Lötstellen und tragen dazu bei, dass die Produkte die erste der drei folgenden Anforderungen erfüllen UL-Klassifizierungen.

Automobil und Transport

Kabelbäume schlängeln sich um heiße Motoren und Lithium-Ionen-Akkus. Mineralische Füllstoffe wie ATH kühlen die Ummantelung und sorgen für eine V-0 UL-Entflammbarkeitsklasse auch wenn Kraftstoffdämpfe in der Nähe lauern.

HALOGENIERTE FLAMMHEMMENDE KUNSTSTOFFE - DER KLASSISCHE ANSATZ

Halogenierte Zusatzstoffe waren die ersten weit verbreiteten Verteidigungsmittel, da sie in sehr geringen Dosierungen - oft unter 10 % nach Gewicht - wirken. Im Inneren der Flamme fangen Brom- oder Chloratome hochenergetische Radikale und schalten die Verbrennungskette innerhalb von Millisekunden ab. Dank dieser Effizienz können die Ingenieure dünne, elegante Gehäuse formen, ohne die schwer entflammbare Kunststoffmaterialien Leistung, die die Anwender erwarten. Moderne bromierte Typen sind reaktiv und verbinden sich mit dem Polymer, so dass sie während der Lebensdauer eines Produkts weniger auslaugen. 

Jüngste industrielle Studien zeigen, dass richtig formulierte Halogensysteme den gleichen Oberflächenglanz wie ungefülltes Harz erreichen können, so dass Designer keine dicken Farbschichten mehr benötigen, um Additive zu verbergen. Die Hersteller fügen häufig Bromabsorber und Neutralisatoren für saure Gase, wie Hydrotalcit, hinzu, um die korrosiven Dämpfe bei einem seltenen Brand zu reduzieren. Neue Stabilisatoren hemmen auch die UV-bedingte Enthydrohalogenierung und verlängern so die Lebensdauer von Fensterrahmen und Dachbahnen, die auf diese Chemie angewiesen sind.

Fakten-Box: Tetrabrombisphenol-A ist nach wie vor der mengenmäßig größte BFS der Welt. Es wird häufig in Epoxidharz für Leiterplatten verwendet, da es im Harzgerüst aushärtet und kaum migriert.

Bromierte Flammschutzmittel (BFR)

In einer aktiven Flamme erzeugen Bromatome schwere freie Radikale, die dem Feuerball Wasserstoff entziehen und so die Kettenreaktion stoppen. Sorten wie FR 245 heben ABS von HB auf V-0 UL 94 mit nur 7 % Ladung, wobei Zähigkeit und Farbe erhalten bleiben. Designer lieben diese Effizienz, müssen aber die Recyclingvorschriften in der EU und einigen US-Bundesstaaten beachten. Viele Zulieferer zertifizieren jetzt bromierte Mischungen gemäß den aktualisierten UL-Klassifizierungen um die Käufer zu beruhigen. Brandsichere Kunststoffe mit BFR gebaut werden, dominieren dank ihrer geringen Kosten und einfachen Verarbeitung nach wie vor Telefonladegeräte und TV-Rückteile. 

BFR-gefüllte Gehäuse sind zwar leicht zu formen, aber ihr Recycling erfordert eine Sortierung und kontrollierte Re-Extrusion, um Bromverluste und Gerüche zu vermeiden. Einige Werke setzen Aktivkohlewäscher ein, um die Bromdämpfe während der Granulierung aufzufangen. Das zurückgewonnene Polymer wird oft zu Bürobedarfskoffern oder Anschlussdosen verarbeitet, bei denen die Farbe weniger kritisch ist, was beweist, dass Kreislauffähigkeit auch mit älteren Additiven möglich ist.

Kurzer Tipp: Die Kombination von BFR mit 2-3 %-Antimontrioxid ergibt eine kostengünstige Synergie, die die vertikale Brenndauer um zwei Sekunden verkürzen kann.

Chlorierte Flammschutzmittel (CFRs)

CFRs tauschen Brom gegen Chlor aus. Sie eignen sich hervorragend für flexible PVC-Kabelummantelungen, Vinylbodenbeläge und Spezialschaumstoffe. Da PVC bereits Chlor enthält, sind nur geringe zusätzliche Dosen erforderlich, um den V-1 UL-Flammtest-Einstufung. Bei einigen Sorten handelt es sich um Flüssigkeiten, die sich leicht mischen lassen, wodurch die Mischungsherstellung beschleunigt wird. Der Nachteil ist der Rauch: Bei unvollständiger Verbrennung können sich Salzsäure und Ruß bilden. Neuere Entwicklungen enthalten Rauchunterdrücker wie Zinkborat, um die schwer entflammbare Kunststoffmaterialien Reiniger während eines Brandes. 

Designer von PU-Weichschaummöbeln verwenden flüssige chlorierte Phosphatester zusammen mit Rauchunterdrückungsmitteln, um die kalifornische Brandschutzvorschrift TB-117 zu erfüllen, ohne die Polsterung zu versteifen. Die Viskosität des Gemischs entspricht der von Polyol, so dass die Schäumungsanlagen kaum verändert werden müssen. Die Analyse nach einem Brand zeigt eine glasartige Verkohlung, die ein inneres Wiederaufflammen verhindert - ein zusätzliches Sicherheitsplus für Stadionsitzmöbel und Kissen in Flugzeugen.

Anregung: Verwenden Sie Zinkstannat mit Chlorparaffinen, um den Rauch um bis zu 40 % zu reduzieren.

FLAMMSCHUTZMITTEL AUF PHOSPHORBASIS

Halogenfrei heißt nicht, dass sie unwirksam sind. Phosphoradditive wie Ammoniumpolyphosphat, roter Phosphor oder Phosphinatester bekämpfen Feuer auf zweierlei Weise: Sie setzen inerte Gase frei, die den Sauerstoff verdünnen, und sie bilden einen schaumigen Schaum, der das Polymer abschirmt. Diese doppelte Wirkung führt zu einer V-0-Einstufung in Polypropylen-Stoßfängern mit einer Belastung von nahezu 25 %. Da Rauch kühler und weniger korrosiv ist, können Phosphorsysteme bei grünen Labels wie dem Blauen Engel punkten. Sie helfen Ingenieuren, die strenge Norm UL 94 zu erfüllen, ohne auf Halogene zurückgreifen zu müssen. feuergeschützte Kunststoffe im Spiel für umweltbewusste Marken. 

Mikroverkapseltes rotes Phosphorpulver wird in Steckverbindern immer beliebter, da die wachsartige Beschichtung das Pulver während der Lagerung trocken hält und beim Spritzgießen mit dem Polymer verschmilzt. Im Gegensatz zu reinem rotem P sind die Kapseln oxidationsbeständig, was die Staubbelastung am Arbeitsplatz verringert und die Haltbarkeit auf über zwei Jahre ohne Stickstoffspülung erhöht.

FLAMMSCHUTZMITTEL AUF MINERALBASIS

Manchmal hat die Natur die einfachste Antwort parat. Aluminiumtrihydrat (ATH) und Magnesiumhydroxid (MDH) wirken wie winzige Feuerlöschschwämme. Beim Erhitzen saugen sie Energie auf, geben Wasserdampf ab und hinterlassen einen nicht brennbaren Rückstand. Da sie keine giftigen Chemikalien ausgasen, werden sie bevorzugt in Sitzen für den öffentlichen Nahverkehr, Kindermöbeln und Krankenhausgeräten eingesetzt. Ein Polypropylenteil, das mit 55 % ATH gefüllt ist, mag zwar etwas mehr wiegen, erfüllt jedoch die V-0 UL 94 und hält giftigen Rauch nahe Null. Diese Mineralien puffern auch säurehaltige Dämpfe und verringern so die Korrosionsgefahr in Stahlschränken. Bei oberflächenbehandelten ATH-Qualitäten wird Stearinsäure oder Silan verwendet, um die Kompatibilität mit unpolarem PP zu erhöhen und die Viskosität zu verringern, so dass dünnwandige Batterieabdeckungen weiterhin möglich sind. Durch die Behandlung wird auch die Wasseraufnahme reduziert, was die Metallpole in feuchtem Klima vor Korrosion schützt und gleichzeitig die Kühlfähigkeit des Füllstoffs bewahrt.

Infos: ATH beginnt bei etwa 200 °C Wasser freizusetzen, also genau dort, wo sich Polyethylen normalerweise entzündet.

ANDERE ORGANISCHE VERBINDUNGEN

Expandierbarer Graphit, Silikonelastomere und stickstoffreiches Melamincyanurat bringen jeweils Nischentalente mit. Expandierbarer Graphit dehnt sich nach außen aus und dichtet Risse ab. Der Stickstoff des Melamins bläst ein nicht entflammbares Gas in die Schmelze und verringert so die Wärmeabgabe. Silikon hinterlässt eine kieselsäurereiche Kruste, die die Verdrahtung isoliert. Ingenieure streuen diese Stoffe oft in PC-, PA- oder PET-Mischungen, um die Leistung von Glühdrähten zu optimieren und die strengen UL-Sicherheitsklassen für Züge und Flugzeuge zu erreichen. In Kombination mit Phosphor ergeben sie halogenfreie schwer entflammbare Kunststoffmaterialien die 960 °C Glühdrahttreffer überstehen. Synergie ist der Name des Spiels: Ein 2:1-Verhältnis von expandierbarem Graphit zu Melamincyanurat kann die Spitzenwärmeabgaberate um 60 % senken, verglichen mit einem der beiden Additive allein. Die gleiche Rezeptur sorgt für einen hohen Oberflächenwiderstand, ein Muss für antistatische Schalen, die empfindliche Chips beim Versand schützen.

AUSWAHL DER ZUSATZSTOFFE FÜR ABS

ABS ist zäh, glänzend und allgegenwärtig - von LEGO-Steinen bis zu Fernsehrahmen -, brennt aber leicht. Die Formulierer prüfen zunächst das Ziel UL94-Bewertungen (V-1 für Spielzeug, V-0 für Elektrowerkzeuge). Für ein kostensensibles Spielzeug sind 12 % Decabromdiphenylethan plus Antimontrioxid ausreichend. Ein medizinisches Gerät kann durch 25 % Phosphatester ersetzt werden, um die Rauchentwicklung zu verringern und einen UL-Flammtest von maximal 30 Sekunden zu bestehen. Mineralische Füllstoffe sind hier selten, da sie den Glanz, für den ABS bekannt ist, beeinträchtigen. Ein Gleichgewicht zwischen Fließfähigkeit, Farbe und Preis hält schwer entflammbare Kunststoffmaterialien stilvoll und sicher. Wenn das ABS-Teil verchromt werden soll - denken Sie an Motorradverkleidungen - muss der Formulierer bromhaltige Typen vermeiden, die unter Ätzsäuren ausbluten. Phosphatester und raucharme Talkmischungen halten die Oberfläche stabil und sorgen für eine gleichmäßige Beschichtung, wodurch teurer Ausschuss vermieden wird.

Kurzer Tipp: Testen Sie kleine Plaques, bevor Sie sich für eine große Form entscheiden - Zusatzstoffe können die Schwindung um bis zu 0,4 % verändern.

WIE FLAMMHEMMENDE KUNSTSTOFFE IN PE, PP UND PVC FUNKTIONIEREN

Polyethylen und Polypropylen sind lange Ketten aus Kohlenstoff und Wasserstoff, ein perfekter Brennstoff. Intumeszierende Phosphorpakete blasen schaumige Blasen auf, die auf das 4-6-fache ihrer ursprünglichen Dicke anschwellen und den Sauerstoff blockieren. Metalloxide wie Zinkborat kühlen die Oberfläche weiter ab und binden saure Dämpfe. PVC, das bereits chloriert ist, stützt sich auf Stabilisatoren, so dass die Flamme innerhalb des von der UL-Entflammbarkeitskennzeichnung geforderten 30-Sekunden-Fensters von selbst verlöscht. 

Hybridformeln ergeben schwer entflammbare Kunststoffmaterialien in Kabeln, Armaturenbrettern und Drohnengehäusen zusätzliche Widerstandsfähigkeit ohne Gewichtseinbußen. Bei Hochspannungskabeln wird häufig eine halogenfreie PP-Isolierung über einen PVC-Mantel gelegt. Das innere PP verwendet intumeszierenden Phosphor, während das äußere PVC sein natives Chlor nutzt. So entsteht ein Gürtel-und-Schenkel-Konzept, das den für Smart-Meter-Steckdosen erforderlichen Glühdrahttest bei 950 °C besteht.

Gefahrenkasten: Reinigen Sie die Compoundiergeräte nach dem Einsatz von rotem Phosphor immer gründlich; Staubreste können heftig oxidieren.

VERSTÄNDNIS VON UL 94 UND ANDEREN FLAMMENTESTS FÜR FLAMMHEMMENDE KUNSTSTOFFMATERIALIEN

Die Underwriters Laboratories entwickelten UL 94 Bewertungen als schneller Labortest. Die Proben werden eingespannt, angezündet und die Zeit gemessen, um zu sehen, ob sie erlöschen oder tropfen. Die Bewertungen reichen von HB, V-2, V-1 bis V-0. Über die UL 94 hinaus finden Sie den Glühdrahttest, den Sauerstoffindex-Test und andere UL-Klassifizierungen wie z. B. 5VA für Gehäuseteile, die fünf 70-sekündigen Flammenstößen standhalten müssen. Die Wahl des richtigen Tests lenkt die Konstrukteure frühzeitig auf den kosteneffektivsten Weg für ihr Projekt mit flammhemmenden Kunststoffmaterialien.

Fallstudie - Laptop-Rückruf 2006: Mitte der 2000er Jahre sah sich eine führende Notebook-Marke mit einem kostspieligen weltweiten Rückruf konfrontiert, nachdem mehrere Lithium-Ionen-Akkus auf dem Boden eines Flughafens in Flammen aufgegangen waren. Die Ermittler führten die Ursache nicht nur auf Metallsplitter im Inneren der Zellen zurück, sondern auch auf die PC/ABS-Außenhülle, die an der Scharnierlinie versagte und geschmolzenen Kunststoff auf die Zellen tropfen ließ, was den thermischen Durchbruch beschleunigte. Innerhalb weniger Monate formulierten die Ingenieure diese Hülle mit einem bromierten Polymer und intumeszierendem Phosphor neu und änderten die Scharniergeometrie. 

Die neue Mischung bestand die V-0-Tests, verringerte die Spitzenwärmeabgabe um 55 % und erhöhte das Gesamtgewicht um weniger als 20 g. Marktanalysten schätzten später, dass die verbesserte UL 94-Konformität dem Unternehmen in den nächsten zehn Jahren fast 800 Mio. USD an vermiedenen Garantieansprüchen erspart. 

Schlussfolgerung 

Denken Sie daran, dass jeder Zusatzstoff nicht nur das Brandverhalten verändert, sondern auch die Farbabweichung, die Schimmelbildung und sogar die Wahl des Recyclingsymbols. Wenn Sie sich die Zeit nehmen, Pilotversuche durchzuführen und die neuesten Berichte des Zertifizierungslabors zu lesen, sind die Ingenieure der Entwicklung voraus und die Verbraucher nicht gefährdet.

Die Wahl zwischen Halogen-, Phosphor-, Mineral- oder Hybridsystemen ist kein Ratespiel, sondern ein technischer Anpassungsprozess. Kennen Sie die Zielnorm, passen Sie die Chemie an, führen Sie einen Verbrennungstest durch, und Sie erhalten folgende Ergebnisse schwer entflammbare Kunststoffmaterialien die für die Sicherheit der Benutzer und die Zufriedenheit der Aufsichtsbehörden sorgen. Konzentrieren Sie sich auf die Anforderungen der Praxis, und Sie werden jeden Prüfpunkt der UL-Flammenprüfung mit Bravour meistern und die verbleibenden Prüfungen mit Bravour bestehen. UL 94 Bewertungen mit viel Platz.

FAQ

FAQ:
Q1. Was bedeutet UL 94 V-0?
Eine V-0-Probe brennt innerhalb von 10 Sekunden ab und erzeugt keine brennenden Tropfen.

Q2. Sind halogenfreie Materialien immer umweltfreundlich?
Nicht unbedingt. Einige benötigen hohe Belastungen, die das Gewicht der Teile und den Energieverbrauch erhöhen.

Q3. Können recycelte Polymere Flammentests bestehen?
Ja, die Lieferanten verkaufen Masterbatches, die recyceltes PP, PE oder ABS nachrüsten.

Q4. Wie funktioniert expandierbarer Graphit?
Es quillt bei Erwärmung auf, dichtet Risse ab und sperrt den Sauerstoff.

Q5. Warum wird roter Phosphor in Kapseln eingeschlossen?
Es kann an der Luft oxidieren; die Mikroverkapselung verhindert eine vorzeitige Reaktion.