Polyurethan-AB-Klebstoffpulver mit flammhemmenden Formulierungen

Polyurethan-AB-Klebstoffpulver mit flammhemmenden Formulierungen
Ausgehend von der Nachfrage nach halogenfreien Flammschutzformulierungen für Polyurethan-AB-Klebstoffe und unter Berücksichtigung der Eigenschaften und Synergieeffekte von Flammschutzmitteln wie Aluminiumhypophosphit (AHP), Aluminiumhydroxid (ATH), Zinkborat und Melamincyanurat (MCA) wurden die folgenden drei Compoundierungsschemata entwickelt. Diese chlorfreien Formulierungen zielen auf die Optimierung der Flammschutzwirkung, der physikalischen Eigenschaften und der Verarbeitbarkeit ab.

1. Hochflammhemmende Formulierung (Für elektronische Vergussmassen, Batterieverkapselung, Ziel: UL94 V-0)

Kernflammhemmende Kombination:

• Aluminiumhypophosphit (AHP): 8-12 phr (wasserbasierte, polyurethanbeschichtete Variante wird empfohlen, um Ausfällungsprobleme zu vermeiden)
• Aluminiumhydroxid (ATH): 20-25 phr (Submikron-Qualität, 0,2-1,0 μm, zur Verbesserung des Sauerstoffindex und der Verkohlungsdichte)
• MCA: 5-8 phr (Gasphasenmechanismus, synergistisch mit AHP in der kondensierten Phase)
• Zinkborat: 3-5 phr (fördert die Bildung von Keramikkohle und hemmt das Glimmen)

Erwartete Leistung:

• Sauerstoffindex (LOI): ≥32% (reines PU ≈22%);
• UL94-Klassifizierung: V-0 (1,6 mm Dicke);
• Wärmeleitfähigkeit: 0,45-0,55 W/m·K (Beitrag von ATH und Zinkborat);
• Viskositätskontrolle: 25.000-30.000 cP (Oberflächenbehandlung erforderlich, um Sedimentation zu verhindern).

Wichtigster Prozess:

• AHP muss in der Polyolkomponente (Teil A) vordispergiert werden, um eine vorzeitige Reaktion mit Isocyanat (Teil B) zu vermeiden;
• ATH sollte mit einem Silan-Haftvermittler (z. B. KH-550) modifiziert werden, um die Grenzflächenbindung zu verbessern.

2. Kostengünstige Universalformulierung (Für Bauabdichtung, Möbelverklebung, Zielnorm UL94 V-1)

Kernflammhemmende Kombination:

• Aluminiumhydroxid (ATH): 30-40 phr (Standard-Mikron-Qualität, kostengünstiges, flammhemmendes Füllstoffmittel);
• Ammoniumpolyphosphat (APP): 10-15 phr (kombiniert mit MCA für ein intumeszierendes System, als Ersatz für halogenierte Mittel);
• MCA: 5-7 phr (Verhältnis zu APP 1:2~1:3, fördert die Schaumbildung und den Sauerstoffausschluss);
• Zinkborat: 5 phr (Rauchunterdrückung, Unterstützung der Kohlebildung).

Erwartete Leistung:

• LOI: ≥28%;
• UL94-Klassifizierung: V-1;
• Kostenreduzierung: ~30 % (im Vergleich zu einer Formulierung mit hoher Flammschutzwirkung);
• Zugfestigkeitserhalt: ≥80% (APP erfordert Verkapselung, um Hydrolyse zu verhindern).

Wichtigster Prozess:

• APP muss mikroverkapselt werden (z. B. mit Melamin-Formaldehyd-Harz), um Feuchtigkeitsaufnahme und Blasenbildung zu vermeiden;
• Zur Verhinderung von Ablagerungen 1-2 phr hydrophobe pyrogene Kieselsäure (z. B. Aerosil R202) hinzufügen.

3. Niedrigviskose, einfach zu verarbeitende Formulierung (Für präzises Elektronikbonden, das eine hohe Fließfähigkeit erfordert)

Kernflammhemmende Kombination:

• Aluminiumhypophosphit (AHP): 5-8 phr (nanogroß, D50 ≤1 μm);
• Flüssiges organisches Phosphor-Flammschutzmittel (BDP-Alternative): 8-10 phr (z. B. halogenfreie, phosphorbasierte DMMP-Derivate, bei gleichbleibender Viskosität);
• Aluminiumhydroxid (ATH): 15 phr (sphärisches Aluminiumoxid-Komposit, Ausgleich der Wärmeleitfähigkeit);
• MCA: 3-5 Phr.

Erwartete Leistung:

• Viskositätsbereich: 10.000-15.000 cP (ähnlich wie bei flüssigen Flammschutzsystemen);
• Flammschutz: UL94 V-0 (verbessert durch flüssigen Phosphor);
• Wärmeleitfähigkeit: ≥0,6 W/m·K (Beitrag von kugelförmigem Aluminiumoxid).

Wichtigster Prozess:

• AHP und sphärisches Aluminiumoxid müssen unter hoher Scherung (≥2000 U/min) vermischt und dispergiert werden;
• Um die Feuchtigkeitsaufnahme durch AHP zu verhindern, sollten dem Teil B 4-6 phr Molekularsieb-Trockenmittel zugesetzt werden.

4. Zusammenfassende technische Punkte und alternative Lösungen

1. Synergistische Mechanismen:

• AHP + MCA:AHP fördert die Dehydratation und Verkohlung, während MCA beim Erhitzen Stickstoffgas freisetzt und so eine wabenartige Kohleschicht bildet.
• ATH + Zinkborat:ATH absorbiert Wärme (1967 J/g), und Zinkborat bildet eine Boratglasschicht, die die Oberfläche bedeckt.

2. Alternative Flammschutzmittel:

• Polyphosphazenderivate:Hocheffizient und umweltfreundlich, mit Nutzung des Nebenprodukts HCl;
• Epoxid-Silikonharz (ESR):In Kombination mit AHP reduziert es die Gesamtbelastung (18 % bei V-0) und verbessert die mechanischen Eigenschaften.

3. Prozessrisikokontrolle:

• Sedimentation:Antisedimentationsmittel (z. B. Polyharnstoff-modifizierte Typen) sind erforderlich, wenn die Viskosität <10.000 cP beträgt;
• Heilungshemmung:Übermäßiger Einsatz alkalischer Flammschutzmittel (z. B. MCA) ist zu vermeiden, um Störungen der Isocyanatreaktionen zu verhindern.

5. Umsetzungsempfehlungen

• Priorisieren Sie die Prüfung der Formulierung mit hoher Flammschutzwirkung: beschichtetes AHP + submikronäres ATH (mittlere Partikelgröße 0,5 μm) bei AHP:ATH:MCA = 10:20:5 zur ersten Optimierung.
• Wichtigste Tests:
  → LOI (GB/T 2406.2) und UL94 vertikale Brennprüfung;
  → Bindungsfestigkeit nach thermischer Zyklisierung (-30℃~100℃, 200 Stunden);
  → Flammschutzmittelausfällung nach beschleunigter Alterung (60℃/7d).

Tabelle der Flammschutzmittelformulierungen