EoW March 2009

133 / 160

EuroWire – März 2009 131
technischer artikel
Kalzium-Zink-Systeme sind, wie die letzte
Erhöhung gezeigt hat, eine gute Alternative
für Blei-basierte Stabilisatorent. Die
Hauptanwendungsbereiche, in denen die
Ca-Zn-Systeme das höchste Vorkommen
aufweisen, sind Draht und Kabel sowie die
Fahrzeuginnenbereiche, gefolgt von Rohren
und Profilen. Die Auswahl an metallischen
Mischungen als bleifreie Stabilisatoren
basierte darauf, daß deren Wirkung auf
den menschlichen Körper gering ist,
und daß demzufolge für sie eine geringe
Wahrscheinlichkeit bestand zukünftigen
Vorschriften und Einschränkungen
unterzogen zu werden. Die aus diesen
Metallen erzeugten Stabilisatoren wurden
kombiniert und ein PVC-Harz mit einem
bleifreien Stabilisator wurde für den
Einsatz im Bereich Drahtisolierung und
-ummantelung entwickelt.
3.2 Die Funktion von
Flammschutzmitteln in PVC
Der Verbrennungsvorgang kann in
nachfolgenden Schritten zusammengefasst
werden:
Erwärmung. •
Zersetzung (Pyrolyse). •
Zündung und Verbrennung. •
Fortpflanzung, mit thermischer •
Rückführung.
Die durch äußere Wärmequellen
bewirkte Erwärmung des Materials
erhöht die Materialtemperatur mit einer
Geschwindigkeit, die von der Intensität
der freigesetzten Wärme, der thermischen
Leitfähigkeitseigenschaften des Materials, der
latenten Schmelz- und Verdampfungswärme
sowie vomWärmeabbau abhängt.
Wenn eine ausreichende Temperatur erreicht
wird, beginnt das Material zu zerfallen.
Somit bilden sich gasartige Mischungen
und Flüssigkeiten. Diese Mischungen
bilden sich mit einer Geschwindigkeit, die
von der Intensität abhängt, mit der das
Polymermaterial erwärmt wird.
Die mit der umgebenden Luft gemischte
KonzentrationderAuflösungsprodukteerhöht
sich bis sie in das Entflammbarkeitsintervall
zurückfällt. Das Vorhandensein einer
Wärmequelle in einer derartigen Lage führt
zur Zündung der Mischung.
Die erzeugte Wärme bestrahlt teilweise das
Material (thermische Rückführung), so daß
die Pyrolyse weiter fortschreitet.
Die Wirkung eines Flammschutzmittels
besteht darin, einen der Faktoren zu
beseitigen oder einzuschränken, die auf
physikalischer oder chemischer Weise bzw.
auf beide Weisen, auf die im Verfahren
erzeugten, flüssigen, festen und gasförmigen
Produkte wirken.
Die physikalische Wirkung besteht aus drei
Typen:
Kühlung des Verfahrens der thermischen
•
Rückführung, damit es die Wärme nicht
liefern kann, die erforderlich ist, um mit
der Pyrolyse des Polymermaterials weiter
zu machen.
Verdünnung der Verbrennungsmischung. •
Bildung einer Schutzschicht, wo das •
feste Polymermaterial in Sauerstoff vom
reichhaltigen gasförmigen Zustand
mittels einer festen oder gasförmigen
Schutzschicht abgeschirmt ist. Dies
reduziert die Wärme gegenüber dem
Polymer, mit einer daraus folgenden
Verlangsamung der Pyrolyse und
Verringerung des Sauerstoffbeitrags zum
Verbrennungsverfahren.
Die chemische Wirkung kann
folgendermaßen unterschieden werden:
Reaktion im gasförmigen Zustand: •
die chemisch vom Flammschutzmittel
erzeugten Radikalen, um auf das
Verbrennungsverfahren einzuwirken.
Die Reaktion in der kondensierten Phase •
kann auf zwei Weisen durchgeführt
werden. Die erste besteht darin eine
kohlenstoffhaltige Schutzschicht (Char)
auf der Oberfläche des Polymers zu
bilden, die sich durch einen thermischen
Isolator auszeichnet und als Sperre
zwischen den Pyrolyse-Produkten und
dem Sauerstoff wirkt. Die zweite besteht
darin, diese Schicht zu erhöhen und das
Verfahren der thermischen Rückführung
zu verzögern.
Flammschutzmittel können auf verschiedene
Weisen dem Material hinzugefügt werden:
Reaktiv: reagiert chemisch mit dem •
Polymer.
Additiv: mit dem Polymer vermischt. •
Reaktiv und additiv: auf beide Weisen im •
Material vorhanden.
Die Wahl des Flammschutzmittels wird
beeinflusst durch:
Toxizität. •
Bioabbaubarkeit. •
Hitzebeständigkeit im Polymer. •
Antimontrioxid (Sb2O3 ) wird in der Regel
hinzugefügt, um die Flammbeständigkeit
weichgemachter PVC zu senken; den-
noch steigert Sb2O3 das Anhalten des
Radikalkettenmechanismus im gasförmigen
Zustand und erhöht die Rauchmenge,
die im Brandfall freigesetzt wird. Viele
Unternehmen, die in der Behandlung des
PVC spezialisiert sind, haben Interesse an
alternativen flammwidrigen Additiven
gezeigt, die eine Reduzierung der
Entflammbarkeit bieten ohne selbst giftige
oder korrodierende Komponenten zu
erzeugen. Die Flammwidrigkeit sollte die
spezifischen Eigenschaften des PVC nicht
negativ beeinflussen. Es ist wünschenswert
alle Verbesserungen der Flammwidrigkeit
mit einer Verringerung der Rauchdichte
zu kombinieren. In einem Brandfall, setzt
PVC Chlorwasserstoff (HCl) frei, mit der
Feuchtigkeit, die immer in der Luft vorhanden
ist. Kalziumkarbonat wird in der Regel bei PVC
als Säurefänger und kostensparender Füllstoff
eingesetzt. Das ideale Flammschutzmittel
sollte auch nachfolgende Vorteile besitzen.
3.3 Studie möglicher Einlagerung von
Nano-Füllstoff in PVC
Seit kurzem zeigt sich ein großes Interesse an
Polymer-Nanoverbunden (PNC), besonders
in Bezug auf Polymer-/Lehm-Nanoverbunde.
Drei Haupttypen von Nanoverbunden können
gewonnen werden, wenn ein geschichtetes
Silikat in einer Polymermatrix verteilt ist.
Dieses hängt von der Eigenschaft der
eingesetzten Komponente ab, einschließlich
der Polymermatrix, geschichtetem Silikat und
organischem Kation. Wenn das Polymer nicht
zwischen den Silikatschichten geschaltet
werden kann, wird ein Mikroverbund
gewonnen. Der gewonnene phasengetrennte
Verbund weist die gleichen Eigenschaften
traditioneller Mikroverbunde auf. Neben
dieser traditionellen Klasse Polymer-
Füllstoff-Verbunde, können auch zwei
Nanoverbundtypen gewonnen werden:
Zwischengeschaltete Strukturen •
werden gebildet wenn zwischen
den Silikatschichten eine einzelne
erweiterte, oder in manchen Fällen
mehrere erweiterte Polymerketten
zwischengeschaltet (eingelegt) werden.
Das Ergebnis ist eine wohlgeordnete
mehrschichtige Struktur alternierender
polymerischer und anorganischer
Schichten.
Abgeblätterte oder delaminierte •
Strukturen werden gewonnen, wenn
Silikate vollkommen und gleichmäßig
in der kontinuierlichen Polymermatrix
verteilt sind. Die delaminierte Anordnung
ist besonders interessant, weil sie die
Wechselwirkungen von Polymer-Lehm
maximiert, was wiederum für das
Polymerverbrennungszyklus ▲
▲
Flüchtige
Stoffe
Sauerstof
Flamme Produkte
Wärme
Polymer
Polymerverbrennungszyklus
Dispersion
Gasförmiger
Zustand
Char
Zwischengeschaltet
(Nanoverbund)
Abgeblättert
(Nanoverbund)
Phasengetrennt
(Mikroverbund)
Geschichtetes
Silikat Polymer
Das Diagramm zeigt die drei Haupttypen von ▲ ▲
Nanoverbunden, die gewonnen werden können
wenn ein geschichtetes Silikat in einer Polymermatrix
verteilt ist
Kettenreaktion
(Zip-Mechanismus)
HCI
PVC HCI
Kondensierte
Phase