Phosphorhaltige Flammschutzmittel für polymere Werkstoffe

 

Einführung

 

Polymere Werkstoffe (Kunststoffe) sind ein allgegenwärtiger und nicht mehr wegzudenkender Bestandteil des täglichen Lebens. Viele dieser Materialien sind jedoch leicht entzündbar und können im Brandfall eine starke Hitzeentwicklung bzw. die Freisetzung toxischer Rauchgase verursachen. Diesem Nachteil kann durch Zugabe von Flammschutzmitteln (FSM) entgegengewirkt werden, die bei zahlreichen Anwendungen unumgänglich und/oder gesetzlich vorgeschrieben ist. Am ITC-CPV wird an der Entwicklung hochwirksamer, halogenfreier und damit umweltverträglicher FSM gearbeitet. Dabei wir sowohl Synthese, Charakterisierung, Erprobung und upscaling durchgeführt.

 

 

 

Aufgaben der FSM

 

• Verringerung der Ent-

  flammbarkeit der Polymere

  (Realisierung selbstver-

  löschender Materialien).

 

• Reduzierung der Wärme-

  freisetzung während eines

  möglichen Brandes.

 

 

Wirkprinzipien der FSM

 

• Kühlung der Verbrennungszone durch endotherme Zersetzung der FSM (z.B. durch Dehydration von Metallhydroxiden).

• Verstärkte Carbonifizierung im Brandfall; dadurch Verringerung der Menge des brennbaren Materials und Bildung einer schützenden Oberflächenschicht (Festphasenmechanismus).

• Intumeszenz, d.h. die Bildung einer voluminösen Isolationsschicht, die durch zusätzliche Freisetzung von Gasen induziert wird (Festphasenmechanismus).

• Freisetzung radikalischer Spezies, die in der Gasphase reaktive Radikale abfangen und somit den Verbrennungsprozess hemmen (Gasphasenmechanismus).

 

Phosphorhaltige FSM

 

Phosphorhaltige Substanzen erlangen zunehmende Bedeutung als ökologisch unbedenkliche Flammschutzmittel. Sie ersetzen allmählich die bislang dominierenden halogenhaltigen FSM, deren Einsatz durch Gesetze und Richtlinien mehr und mehr eingeschränkt wird (Bildung toxischer Gase, hohe Bioakkumulation, aufwendige Entsorgung). Für phosphorhaltige FSM wurden sowohl Gasphasen- als auch Festphasenmechanismen nachgewiesen, was ein breites Einsatzspektrum generiert.

Bei der Entwicklung neuer phosphorhaltiger FSM besteht die Herausforderung darin, die folgenden Parameter zu optimieren:

 

   •  Flammschutzwirkung,

   •  Einfluss auf die Verarbeitungs- und Materialeigenschaften,

   •  Umweltverträglichkeit,

   •  Herstellungskosten.

 

Die gezielte Entwicklung neuer FSM erfordert systematische und grundlegende Untersuchungen zu den Flammschutzmechanismen.

 

Aktuelle F&E-Arbeiten

 

Ein Schwerpunkt unserer Arbeiten ist die Entwicklung neue FSM auf Basis offenkettiger und phosphacyclischer Substanzen, unter anderem des 9,10-Dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthren-10-oxids (DOPO, links). Diese Phosphacyclen und davon abgeleitete Verbindungen haben sich als äußerst wirksame gasphasenaktive FSM erwiesen [Pub.: 118, 119, 122]. So wird DOPO selbst und seine Derivate bereits kommerziell zum Flammschutz von Epoxidharzsystemen (Leiterplatten) sowie von Polyesterfasern mit Erfolg eingesetzt.

 

Mechanistische Untersuchungen

 

Vergleichende Untersuchungen von DOPO und weiteren Phosphacyclen und deren Derivaten haben das Ziel, Erkenntnisse über detailierte Wirkmechanismen zu gewinnen.

 

Neue flammhemmende phosphorhaltige Additive

 

Derzeit wird u.a. an der Synthese von verbrückten, phosphorhaltigen offenkettigen und heterocyclischen Derivaten gearbeitet. Der Vorteil gegenüber monomeren Systemen liegt in dem geringeren Einfluss auf die Materialeigenschaften der Polymere, sowie der höheren thermischen Stabilität, die im Verarbeitungsprozess gefordert wird.

 

 

 

 

 

 

 

Das rechts abgebildete DOPAL-cyanur-O ist ein oligomeres FSM für eine potentielle Anwendung zum Flammschutz von engineering plastics.

 

 

 

 

 

 

 

Synthesen im halbtechnischen Maßstab

 

 

 

 

Um ein potentielles FSM zu einem marktfähigen Produkt zu entwickeln ist eine Maßstabsvergrößerung der Synthese unerlässlich.

Ein erfolgreiches upscaling zeigt unseren Kooperationspartnern, dass ein neues FSM prinzipiell auch unter industriellen Bedingungen effektiv hergestellt werden kann.  Für Synthesen im halbtechnischen Maßstab steht die Technikumsapparatur REBEKA zur Verfügung, die einen Reaktor mit 120 L Nutzinhalt besitzt.