EoW March 2009

technischer artikel

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.

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. 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. Die chemische Wirkung kann

HCI

PVC

HCI

Kettenreaktion (Zip-Mechanismus)

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. 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 durch äußere Wärmequellen bewirkte Erwärmung des

Geschichtetes Silikat

Polymer

Phasengetrennt (Mikroverbund)

Zwischengeschaltet (Nanoverbund)

Abgeblättert (Nanoverbund)

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 Das Diagramm zeigt die drei Haupttypen von ▲ ▲ Nanoverbunden, die gewonnen werden können wenn ein geschichtetes Silikat in einer Polymermatrix verteilt ist

Polymerverbrennungszyklus

Gasförmiger Zustand

Sauerstof

Flüchtige Stoffe

Produkte

Flamme

Wärme

Dispersion

Kondensierte Phase

Polymer

Char

▲ ▲

Polymerverbrennungszyklus

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 (Sb 2 O 3 ) wird in der Regel hinzugefügt, um die Flammbeständigkeit weichgemachter PVC zu senken; den- noch steigert Sb 2 O 3 das Anhalten des Radikalkettenmechanismus im gasförmigen Zustand und erhöht die Rauchmenge,

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EuroWire – März 2009