Einführung in stickstoffbasierte Flammschutzmittel für Nylon

Einführung in stickstoffbasierte Flammschutzmittel für Nylon

Stickstoffbasierte Flammschutzmittel zeichnen sich durch geringe Toxizität, Nichtkorrosivität, thermische und UV-Stabilität, gute Flammschutzwirkung und Wirtschaftlichkeit aus. Zu ihren Nachteilen zählen jedoch Verarbeitungsschwierigkeiten und eine schlechte Dispergierbarkeit in der Polymermatrix. Gängige stickstoffbasierte Flammschutzmittel für Nylon sind Melamincyanurat (MCA), Melamin und Melaminpolyphosphat (MPP).

Der Flammschutzmechanismus umfasst zwei Aspekte:

1. Physikalischer Mechanismus „Sublimation und endotherm“: Das Flammschutzmittel senkt die Oberflächentemperatur des Polymermaterials und isoliert es durch Sublimation und Wärmeabsorption von der Luft.
2. Katalytische Karbonisierung und Intumeszenzmechanismus in der kondensierten Phase: Das Flammschutzmittel interagiert mit Nylon und fördert so die direkte Karbonisierung und Expansion.

MCA weist im Flammschutzprozess eine Doppelfunktion auf, indem es sowohl die Karbonisierung als auch die Schaumbildung fördert. Der Flammschutzmechanismus und die Wirksamkeit variieren je nach Nylonart. Untersuchungen an MCA und MPP in PA6 und PA66 zeigen, dass diese Flammschutzmittel in PA66 Vernetzungen induzieren, in PA6 jedoch den Abbau fördern, was zu einer besseren Flammschutzwirkung in PA66 im Vergleich zu PA6 führt.

1. Melamincyanurat (MCA)

MCA wird aus Melamin und Cyanursäure in Wasser synthetisiert und bildet dabei ein wasserstoffbrückengebundenes Addukt. Es ist ein hervorragendes halogenfreies, wenig toxisches und raucharmes Flammschutzmittel, das häufig in Nylonpolymeren eingesetzt wird. Herkömmliches MCA hat jedoch einen hohen Schmelzpunkt (Zersetzung und Sublimation oberhalb von 400 °C) und kann nur in fester Partikelform mit Harzen vermischt werden. Dies führt zu ungleichmäßiger Verteilung und großer Partikelgröße, was die Flammschutzwirkung beeinträchtigt. Zudem wirkt MCA hauptsächlich in der Gasphase, was zu geringer Verkohlung und lockeren, nicht schützenden Kohlenstoffschichten während der Verbrennung führt.

Um diese Probleme zu lösen, wurde die molekulare Komposittechnologie eingesetzt, um MCA durch die Zugabe eines komplementären Flammschutzmittels (WEX) zu modifizieren. Dieses senkt den Schmelzpunkt von MCA und ermöglicht so das gemeinsame Schmelzen und die ultrafeine Dispersion mit PA6. WEX fördert zudem die Koksbildung während der Verbrennung, verbessert die Qualität der Kohlenstoffschicht und verstärkt die flammhemmende Wirkung von MCA in der kondensierten Phase. Dadurch entstehen flammhemmende Materialien mit hervorragenden Eigenschaften.

2. Intumeszierendes Flammschutzmittel (IFR)

IFR ist ein bedeutendes halogenfreies Flammschutzmittel. Zu seinen Vorteilen gegenüber halogenierten Flammschutzmitteln zählen die geringe Rauchentwicklung und die Freisetzung ungiftiger Gase während der Verbrennung. Darüber hinaus kann die durch IFR gebildete Kohleschicht geschmolzenes, brennendes Polymer absorbieren und so das Abtropfen und die Brandausbreitung verhindern.

Zu den wichtigsten Bestandteilen von IFR gehören:

• Gasquelle (Melaminverbindungen)
• Säurequelle (Phosphor-Stickstoff-Flammschutzmittel)
• Kohlenstoffquelle (Nylon selbst)
• Synergistische Additive (z. B. Zinkborat, Aluminiumhydroxid) und Anti-Tropfmittel.

Wenn das Massenverhältnis von Phosphor-Stickstoff-Flammschutzmitteln zu Melaminverbindungen beträgt:

• Unter 1 %: Unzureichende Flammschutzwirkung.
• Über 30 %: Während der Verarbeitung kommt es zu Verflüchtigungen.
• Zwischen 1% und 30% (insbesondere 7% und 20%): Optimale Flammschutzwirkung ohne Beeinträchtigung der Verarbeitbarkeit.

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