Flammhemmer

Flammschutzmittel verhindern oder vermindern die Entflammbarkeit und Brennbarkeit von Kunststoffen, indem sie in den Brennmechanismus eingreifen, entweder physikalisch durch Kühlen sowie Verdünnen oder chemisch durch Reaktion in der Gasphase (Radikalfänger) oder in der festen Phase (Ausbildung einer schützenden Kohlenstoffschicht). Flammschutzmittel wirken im allgemeinen nach mehreren dieser Prinzipien.

Flammhemmer können das Brennen von Kunststoffen nicht verhindern, setzen aber die Entflammbarkeit herab, erschweren die Verbrennung oder bewirken ein Selbstverlöschen. Ein Maß für die Entzündbarkeit und Verbrennung ist der Sauerstoffindex (LOI-Wert: limiting oxygen index = Grenzsauerstoff-Konzentration) Polyolefine wie Polyethylen, Polypropylen unterhalten eine einmal gestartete Verbrennung von selbst, während Polycarbonate und insbesondere Polymere mit höherem Halogen-Gehalt wie PVC, PTFE etc. selbst verlöschend sind. Zur Erzielung flammwidrigen Verhaltens fügt man brennbaren Polymeren Additive zu, die mit den sonstigen Eigenschaften des Kunststoffs vereinbar sein müssen. Aufgrund der teilweisen hohen Additiv-Dosierungen von 3 – 60 % werden die mechanischen Eigenschaften der Kunststoffe vollständig verändert.

Die breite Palette in Kunststoffen eingesetzter Flammschutzmittel werden in Gruppen geordnet:

1. Aluminium- und Magnesiumoxidhydrate spalten in der Hitze Wasser ab und kühlen die Oberfläche unterhalb ihrer Entzündungstemperatur.
2. Spezielle anorganische Feststoffe wie, Zinkborate, Ammoniumphosphate ergeben eine Absperrfunktion gegenüber der Flamme. Aus Ammoniumpolyphosphat entsteht in der Hitze verkohlend wirkende Metaphosphorsäure. Auf der Oberfläche baut sich eine nur schwer entflammbare dünne, wärmedämmende Sperrschicht aus, die dem Luftsauerstoff den Zutritt zum Untergrund verwehrt. Ähnliche Eigenschaften zeigen Gemische aus Harnstoff, Dicyandiamid, Melamin und organische Phosphate. Die Verkohlungs fördernden Dämmschichtbildner, sogenannte Intumeszenzstoffe sind Substanzen, die sich beim Erwärmen schaumig aufblähen, ab 250 bis 300° verkohlen, sich dabei verfestigen und ein feinporiges, gut isolierendes Polster bilden. Hierzu eignen sich Mischungen aus Ammoniumpolyphosphaten, Melamin und Dipentaerythrit.
3. Die wichtigsten Flammschutzmittel sind organische Chlor- und Bromverbindungen, wobei letztere wirksamer sind. Chlorparaffine, Hexabrombenzol, bromierte Diphenylethane. Tetrabrombisphenol A, Tetrabromphthalsäureanhydrid u.a. Brom-Verbindungen wirken als Radikalfänger. Gemeinsam mit Synergisten wie Antimoxide werden bei erhöhter Temperatur Halogen-Atome freigesetzt, die die Verbrennung unterhaltenden Radikale der Kettenreaktionen abbrechen und den Brennprozess in der Gasphase hemmen.
4. Halogenierte organische Phosphor-Verbindungen, wie z.B. Tri(2,3-dibrompropyl)-phosphat od. Tris(2-brom-4-methylphenyl)-phosphat. Angesichts der zunehmenden Anwendung von Kunststoffen kommt der Flammfestigkeit von Kunststoffprodukten erhöhte Bedeutung zu.

Das Brandverhalten der Kunststoffendprodukte wird durch die deutsche DIN Norm 4102/ B1 oder B2, die amerikanische UL 94 Liste V0 oder V2, die französischen M-Klassen oder nach speziellen Prüfungen wie Glühdrahttest bei verschiedenen Temperaturen klassifiziert.

Zur Zeit versucht die Europäische Kommission, mittels einer Matrix die verschiedenen internationalen Normen zu sortieren.

Der Einsatz von Flammhemmern ist nicht in allen Fällen ohne Gefahren, der Verminderung eines Brandrisikos steht im Falle eines Brandes die Möglichkeit von Umweltgefährdungen gegenüber. Es können toxische Phosphate gebildet werden. Halogenierte Flammhemmer können bei der Verbrennung die Atmosphäre belasten und unter Umständen persistente Rückstände bilden wie PCB oder Chlorbiphenyle u.a. Bei Verbrennungsvorgängen in Gegenwart organischer Chlor-Verbindungen kann die Bildung hochtoxischer Dioxine nicht ausgeschlossen werden.

An der Entwicklung weniger umweltgefährdender Flammhemmer wird daher intensiv gearbeitet. Dennoch muss der Schutz des Menschen, besonders der Zeitgewinn zur Flucht um Leben zu retten, über alle Umweltdiskussionen gestellt werden. Unsere FR-Masterbatche werden speziell auf die Anforderungen der Endprodukte ausgerichtet. Die Auswahl der Wirksubstanzen hängt vom polymeren System, von der Effektivität bei den Brandschutznormen und von den vertretbaren Eigenschaftsveränderungen im Kunststoff ab.

Halogenfreie Flammschutzmittel

Um Brandnormen zu erfüllen, benötigen einige Standard-Kunststoffe wie Polyamide und Polyester nur kleinere Mengen halogenfreier Flammhemmer, so dass die polymeren Eigenschaften größtenteils erhalten bleiben.
Damit aber Polyolefine mit halogenfreien Flammschutzmitteln Brandnormen erfüllen können, müssen in den meisten Fällen sehr hohe Wirkstoffmengen eingesetzt werden, die die mechanischen Eigenschaften stark negativ beeinflussen. Nur für dünne Polyolefin-Endanwendungen gibt es halogenfreie Wirkstoffsysteme, die die Kunststoffeigenschaften aufrecht halten. Mittlerweile gibt es auch für dickwandige Polyolefin-Artikel die Option, halogenarme Additive einzusetzen.