einige Silikonkautschuk-Referenzrezepturen auf Basis halogenfreier Flammschutzmittel

Hier werden fünf Silikonkautschuk-Formulierungen auf Basis halogenfreier Flammschutzmittel vorgestellt, die die vom Kunden bereitgestellten Flammschutzmittel (Aluminiumhypophosphit, Zinkborat, MCA, Aluminiumhydroxid und Ammoniumpolyphosphat) enthalten. Ziel dieser Formulierungen ist es, Flammschutz zu gewährleisten und gleichzeitig die Additivmengen zu minimieren, um die mechanischen Eigenschaften des Silikonkautschuks nicht zu beeinträchtigen.

1. Synergistisches Flammschutzmittelsystem auf Phosphor-Stickstoff-Basis (Hocheffizienter, verkohlungsbildender Typ)

ZielUL94 V-0, raucharm, geeignet für Anwendungen bei mittleren bis hohen Temperaturen

BasisgummiMethylvinylsilikonkautschuk (VMQ, 100 phr)

Flammschutzmittel:

• Aluminiumhypophosphit (AHP, phosphorbasiert)15 Phr
• Bietet eine effiziente Phosphorquelle, fördert die Koksbildung und unterdrückt die Gasphasenverbrennung.
• Melamincyanurat (MCA, stickstoffbasiert)10 Phr
• Wirkt synergistisch mit Phosphor, setzt Edelgase frei und verdünnt Sauerstoff.
• Zinkborat (ZnB)5 Phr
• Wirkt als Katalysator, unterdrückt die Rauchentwicklung und erhöht die Stabilität der Kohleschicht.
• Aluminiumhydroxid (ATH, chemische Methode, 1,6–2,3 μm)20 Phr
• Endotherme Zersetzung, zusätzliche Flammschutzwirkung und verbesserte Dispergierbarkeit.

Zusatzstoffe:

• Hydroxyl-Silikonöl (2 phr, verbessert die Verarbeitbarkeit)
• pyrogene Kieselsäure (10 phr, Verstärkung)
• Härter (Diperoxid, 0,8 phr)

Merkmale:

• Gesamtmenge des Flammschutzmittels ~50 phr, wobei ein Gleichgewicht zwischen Flammschutz und mechanischen Eigenschaften angestrebt wird.
• Die Phosphor-Stickstoff-Synergie (AHP + MCA) reduziert die benötigte Menge an einzelnen Flammschutzmitteln.

2. Intumeszierendes Flammschutzsystem (Niedrigbeladungstyp)

Ziel: UL94 V-1/V-0, geeignet für dünne Produkte

BasisgummiVMQ (100 Phr)

Flammschutzmittel:

• Ammoniumpolyphosphat (APP, Phosphor-Stickstoff-basiert)12 Phr
• Kern aus aufschäumender Kohlebildung mit guter Verträglichkeit mit Silikonkautschuk.
• Aluminiumhypophosphit (AHP)8 Phr
• Zusätzliche Phosphorquelle, reduziert die Hygroskopizität von APP.
• Zinkborat (ZnB)5 Phr
• Synergistische Kohlenstoffkatalyse und Tropfunterdrückung.
• Aluminiumhydroxid (gemahlen, 3–20 μm)15 Phr
• Kostengünstiges, zusätzliches Flammschutzmittel, reduziert die APP-Belastung.

Zusatzstoffe:

• Vinylsilikonöl (3 phr, Weichmachung)
• Ausgefällte Kieselsäure (15 phr, Verstärkung)
• Platinhärtungssystem (0,1 % Pt)

Merkmale:

• Gesamtmenge des Flammschutzmittels ~40 phr, wirksam bei dünnen Produkten aufgrund des Intumeszenzmechanismus.
• APP erfordert eine Oberflächenbehandlung (z. B. mit einem Silan-Haftvermittler), um eine Migration zu verhindern.

3. Hochbeladenes Aluminiumhydroxid-Optimierungssystem (kostengünstige Ausführung)

ZielUL94 V-0, geeignet für dicke Produkte oder Kabel

BasisgummiVMQ (100 Phr)

Flammschutzmittel:

• Aluminiumhydroxid (ATH, chemische Methode, 1,6–2,3 μm)50 PhR
• Primäres Flammschutzmittel, endotherme Zersetzung, kleine Partikelgröße für bessere Dispersion.
• Aluminiumhypophosphit (AHP)5 Phr
• Verbessert die Effizienz der Kohlenstoffbildung, reduziert die ATH-Beladung.
• Zinkborat (ZnB)3 Phr
• Rauchunterdrückung und Anti-Leuchten.

Zusatzstoffe:

• Silan-Haftvermittler (KH-550, 1 phr, verbessert die ATH-Grenzfläche)
• pyrogene Kieselsäure (8 phr, Verstärkung)
• Peroxidhärtung (DCP, 1 phr)

Merkmale:

• Die Gesamtmenge des Flammschutzmittels beträgt ca. 58 phr, wobei ATH hinsichtlich der Kosteneffizienz überwiegt.
• Eine geringe ATH-Partikelgröße minimiert den Verlust der Zugfestigkeit.

4. Eigenständiges Aluminiumhypophosphit (AHP)-System

Anwendung: UL94 V-1/V-2, oder wenn Stickstoffquellen unerwünscht sind (z. B. um eine MCA-Schäumung zu vermeiden, die das Erscheinungsbild beeinträchtigt).

Empfohlene Zusammensetzung:

• BasisgummiVMQ (100 Phr)
• Aluminiumhypophosphit (AHP)20–30 phr
• Hoher Phosphorgehalt (40%); 20 phr liefern ~8% Phosphor für die grundlegende Flammschutzwirkung.
• Für UL94 V-0 auf 30 phr erhöhen (kann die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigen).
• Verstärkungsfüllstoff: Kieselsäure (10–15 phr, erhält die Festigkeit)
• Zusatzstoffe: Hydroxylsilikonöl (2 phr, Verarbeitbarkeit) + Härter (Diperoxid- oder Platinsystem).

Merkmale:

• Beruht auf der Flammschutzwirkung in der kondensierten Phase (Koksbildung), verbessert den LOI-Wert deutlich, hat aber eine begrenzte Rauchunterdrückung.
• Eine hohe Beladung (>25 phr) kann das Material versteifen; es wird empfohlen, 3–5 phr ZnB hinzuzufügen, um die Qualität der Kohle zu verbessern.

5. Aluminiumhypophosphit (AHP) + MCA-Mischung

Anwendung: UL94 V-0, geringe Beladung mit gasphasenflammhemmender Synergie.

Empfohlene Zusammensetzung:

• BasisgummiVMQ (100 Phr)
• Aluminiumhypophosphit (AHP)12–15 Phr
• Phosphorquelle für die Koksbildung.
• MCA8–10 phr
• Stickstoffquelle für PN-Synergie, setzt Edelgase (z. B. NH₃) frei, um die Flammenausbreitung zu unterdrücken.
• Verstärkungsfüllstoff: Kieselsäure (10 phr)
• Zusatzstoffe: Silan-Haftvermittler (1 phr, Dispersionshilfsmittel) + Härter.

Merkmale:

• Die Gesamtmenge des Flammschutzmittels beträgt etwa 20–25 phr und ist damit deutlich geringer als bei reinem AHP.
• MCA reduziert den AHP-Bedarf, kann aber die Transparenz geringfügig beeinträchtigen (verwenden Sie Nano-MCA, wenn Klarheit erforderlich ist).

Zusammenfassung der Flammschutzmittelformulierung

Empfehlungen für Experimente

1. PrioritätstestsAHP + MCA (15+10 phr). Wenn V-0 erreicht ist, AHP schrittweise reduzieren (z. B. 12+10 phr).
2. Standalone AHP-Test: Beginnen Sie mit 20 phr, erhöhen Sie die Menge um 5 phr, um LOI und UL94 zu bewerten und die mechanischen Eigenschaften zu überwachen.
3. Rauchunterdrückung: Fügen Sie jeder Formulierung 3–5 phr ZnB hinzu, ohne die Flammschutzwirkung zu beeinträchtigen.
4. Kostenoptimierung: Durch die Zugabe von 10–15 phr ATH lassen sich die Kosten senken, allerdings erhöht sich dadurch die Gesamtfüllstoffmenge.

Empfohlenes Mischverfahren

(Für zweikomponentigen additionsvernetzenden Silikonkautschuk)

1. Vorbehandlung der Basisgummimasse:

• Silikonkautschuk (z. B. 107 Gummi, Vinylsilikonöl) in einen Planetenmischer geben, bei Bedarf unter Vakuum entgasen.

1. Flammschutzmittelzusatz:

• Pulverförmige Flammschutzmittel (z. B. ATH, MH):
• Portionsweise zugeben und vorher mit dem Basisgummi vermischen (Mischen bei niedriger Drehzahl, 10–15 min), um ein Verklumpen zu vermeiden.
• Bei hygroskopischen Materialien bei 80–120 °C trocknen.
• Flüssige Flammschutzmittel (z. B. Phosphate):
• Direkt mit Silikonöl, Vernetzer etc. unter hoher Scherung (20–30 min) vermischen.

1. Weitere Zusatzstoffe:

• Nacheinander werden Füllstoffe (z. B. Siliciumdioxid), Vernetzer (Hydrosilan), Katalysator (Platin) und Inhibitoren hinzugefügt.

1. Homogenisierung:

• Eine weitere Verfeinerung der Dispersion erfolgt durch den Einsatz eines Dreiwalzenmühlenapparats oder eines Hochscheremulgators (entscheidend für Nanoadditive wie CNTs).

1. Entgasung und Filtration:

• Vakuum-Entgasung (-0,095 MPa, 30 min), Filterung für hohe Reinheitsanforderungen.

Wichtige Überlegungen

• Auswahl flammhemmender Mittel:
• Halogenfreie Flammschutzmittel (z. B. ATH) erfordern eine feine Partikelgröße (1–5 μm); eine zu hohe Beladung beeinträchtigt die mechanischen Eigenschaften.
• Silikonbasierte Flammschutzmittel (z. B. Phenylsilikonharze) bieten eine bessere Kompatibilität, sind aber teurer.
• Prozesssteuerung:
• Temperatur ≤ 60°C (verhindert Vergiftung des Platinkatalysators oder vorzeitige Aushärtung).
• Luftfeuchtigkeit ≤ 50% RH (vermeidet Reaktionen zwischen Hydroxyl-Silikonöl und Flammschutzmitteln).

Abschluss

• Massenproduktion: Flammschutzmittel werden zur Steigerung der Effizienz mit Basisgummi vorgemischt.
• Anforderungen an hohe Stabilität: Vor der Herstellung gut vermischen, um Lagerrisiken zu minimieren.
• Nano-Flammschutzsysteme: Obligatorische Hochscherdispersion zur Verhinderung von Agglomeration.

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