Phosphorbasierte Flammschutzmittel sind eine hocheffiziente, zuverlässige und weit verbreitete Klasse von Flammschutzmitteln, die in der Forschung großes Interesse geweckt haben. Bei ihrer Synthese und Anwendung wurden bemerkenswerte Fortschritte erzielt.
1. Anwendung von phosphorbasierten Flammschutzmitteln in PP
Die physikalischen Eigenschaften von Polypropylen (PP) spielen eine entscheidende Rolle für seine industriellen Anwendungen. Allerdings liegt sein Sauerstoffindex (LOI) bei nur etwa 17,5 %, wodurch es leicht entzündlich ist und schnell brennt. Der Wert von PP-Materialien in industriellen Anwendungen wird sowohl von ihrer Flammschutzwirkung als auch von ihren physikalischen Eigenschaften beeinflusst. In den letzten Jahren haben sich Mikroverkapselung und Oberflächenmodifizierung zu den wichtigsten Trends bei flammhemmenden PP-Materialien entwickelt.
Beispiel 1: Ammoniumpolyphosphat (APP), modifiziert mit einem Silan-Haftvermittler (KH-550) und einer Silikonharz-Ethanol-Lösung, wurde auf PP-Materialien aufgebracht. Bei einem Massenanteil von 22 % modifiziertem APP stieg der LOI des Materials auf 30,5 %, während seine mechanischen Eigenschaften die Anforderungen erfüllten und die von mit unmodifiziertem APP flammhemmend ausgerüsteten PP-Materialien übertrafen.
Beispiel 2: APP wurde mittels In-situ-Polymerisation in eine Hülle aus Melamin (MEL), Hydroxysilikonöl und Formaldehydharz eingekapselt. Die Mikrokapseln wurden anschließend mit Pentaerythrit kombiniert und zur Flammschutzbehandlung auf PP-Materialien aufgebracht. Das Material wies eine ausgezeichnete Flammschutzwirkung mit einem LOI-Wert von 32 % und einer Klassifizierung nach UL94 V-0 im Vertikalbrenntest auf. Selbst nach Heißwasserbehandlung behielt der Verbundwerkstoff seine guten Flammschutz- und mechanischen Eigenschaften.
Beispiel 3: APP wurde durch Beschichtung mit Aluminiumhydroxid (ATH) modifiziert und anschließend mit Dipentaerythrit im Massenverhältnis 2,5:1 für die Verwendung in PP-Materialien kombiniert. Bei einem Gesamtmassenanteil des Flammschutzmittels von 25 % erreichte der LOI 31,8 %, die Flammschutzklasse V-0 und die maximale Wärmefreisetzungsrate wurde deutlich reduziert.
2. Anwendung von phosphorbasierten Flammschutzmitteln in PS
Polystyrol (PS) ist hochentzündlich und brennt auch nach Entfernung der Zündquelle weiter. Um Probleme wie hohe Wärmeentwicklung und schnelle Flammenausbreitung zu vermeiden, spielen halogenfreie, phosphorbasierte Flammschutzmittel eine entscheidende Rolle für die Flammwidrigkeit von PS. Gängige Flammschutzverfahren für PS sind Beschichtung, Imprägnierung, Bestreichen und Flammschutz während der Polymerisation.
Beispiel 1: Ein phosphorhaltiger, flammhemmender Klebstoff für expandierbares Polystyrol wurde mittels Sol-Gel-Verfahren unter Verwendung von N-β-(Aminoethyl)-γ-aminopropyltrimethoxysilan und Phosphorsäure synthetisiert. Flammhemmender Polystyrolschaum wurde durch Beschichtung hergestellt. Bei Temperaturen über 700 °C bildete der mit dem Klebstoff behandelte Polystyrolschaum eine Kohleschicht von über 49 %.
Forscher weltweit haben phosphorhaltige Flammschutzstrukturen in Vinyl- oder Acrylverbindungen eingebracht, die anschließend mit Styrol copolymerisiert werden, um neuartige phosphorhaltige Styrol-Copolymere herzustellen. Studien zeigen, dass phosphorhaltige Styrol-Copolymere im Vergleich zu reinem Polystyrol (PS) einen deutlich verbesserten LOI-Wert und einen geringeren Kohlenstoffrückstand aufweisen, was auf eine überlegene thermische Stabilität und Flammschutzwirkung hindeutet.
Beispiel 2: Ein vinylterminiertes oligomeres Phosphat-Hybridmakromonomer (VOPP) wurde mittels Pfropfcopolymerisation auf die Hauptkette von Polystyrol (PS) aufgepfropft. Das Pfropfcopolymer zeigte Flammschutzwirkung durch einen Festphasenmechanismus. Mit steigendem VOPP-Gehalt erhöhte sich der LOI-Wert, die maximale Wärmefreisetzungsrate und die gesamte Wärmefreisetzung sanken, und das Abtropfen der Schmelze verschwand, was eine signifikante flammhemmende Wirkung belegt.
Darüber hinaus können anorganische, phosphorbasierte Flammschutzmittel chemisch mit Graphit oder stickstoffbasierten Flammschutzmitteln verbunden werden, um PS flammhemmend zu gestalten. Auch Beschichtungs- oder Streichverfahren eignen sich, um phosphorbasierte Flammschutzmittel auf PS aufzubringen und so den LOI-Wert und den Kohlenstoffrückstand des Materials deutlich zu verbessern.
3. Anwendung von phosphorhaltigen Flammschutzmitteln in PA
Polyamid (PA) ist leicht entzündlich und erzeugt bei der Verbrennung erhebliche Mengen an Rauch. Da PA in elektronischen Bauteilen und Geräten weit verbreitet ist, besteht ein besonders hohes Brandrisiko. Aufgrund der Amidstruktur in seiner Hauptkette kann PA mit verschiedenen Methoden flammhemmend ausgerüstet werden, wobei sich sowohl additive als auch reaktive Flammschutzmittel als hochwirksam erweisen. Unter den flammhemmenden PA-Verbindungen sind Alkylphosphinatsalze am weitesten verbreitet.
Beispiel 1: Aluminiumisobutylphosphinat (A-MBPa) wurde einer PA6-Matrix zugesetzt, um einen Verbundwerkstoff herzustellen. Bei der Prüfung des Flammschutzes zersetzte sich A-MBPa vor PA6 und bildete eine dichte und stabile Kohleschicht, die das PA6 schützte. Der Werkstoff erreichte einen LOI-Wert von 26,4 % und die Flammschutzklasse V-0.
Beispiel 2: Bei der Polymerisation von Hexamethylendiamin und Adipinsäure wurden 3 Gew.-% des Flammschutzmittels Bis(2-carboxyethyl)methylphosphinoxid (CEMPO) zugesetzt, um flammhemmendes PA66 herzustellen. Untersuchungen zeigten, dass flammhemmendes PA66 im Vergleich zu herkömmlichem PA66 eine deutlich höhere Flammschutzwirkung mit einem signifikant höheren LOI-Wert aufwies. Die Analyse der Kohleschicht ergab, dass die dichte Kohleoberfläche des flammhemmenden PA66 Poren unterschiedlicher Größe enthielt, die zur Isolierung von Wärme und Gasaustausch beitrugen und somit die bemerkenswerte Flammschutzwirkung belegten.
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Veröffentlichungsdatum: 15. August 2025
