Elektrifizierung geht nicht ohne Flammschutzmittel

Flammschutzmittel reduzieren oder verhindern das Entflammen oder Brennen von Kunststoffen. Der Verbrennungsprozess wird physikalisch oder chemisch in der Fest-, Flüssig- oder Gasphase gehemmt oder verhindert.

Wirkungsweise und Auswahlkriterien

„Physikalische Prozesse wirken durch Kühlen (endotherme Prozesse) oder Verdünnen des Substrats und der brennbaren Gase (Aluminium- und Magnesiumhydroxid) oder durch Ausbilden einer Schutzschicht, die das Substrat vor Wärme- und Sauerstoffangriff schützt (Phosphor- und Stickstoff-Verbindungen). Chemische Prozesse, die in der Gasphase ablaufen, verhindern den Verbrennungsprozess, indem sie die energiereichen H und OH Radikale durch die aus Flammschutzmitteln stammenden Halogenwasserstoffsäuren, Antimontrioxid und Bruchstücke aus Phosphorverbindungen entfernen („Flammenvergiftung“). In der festen Phase bewirkt das Flammschutzmittel die Ausbildung einer Kohleschicht auf der Oberfläche des Polymers durch Dehydratisierung, Bildung von Doppelbindungen, die durch Cyclisierung und Vernetzung eine kohlenstoffartige Schicht bilden (Phosphor- und Stickstoff-Verbindungen und intumeszierende Systeme).“[1]
Flammschutzmittel lassen sich in Gruppen kategorisieren:
Aluminium- und Magnesiumoxidhydrate, die in der Hitze Wasser abspalten und die Oberfläche unterhalb ihrer Entzündungstemperatur kühlen.

• Anorganische Feststoffe, wie beispielsweise Zinkborate oder Ammoniumphosphate, die auf der Oberfläche eine sich nur schwer entflammbare dünne, wärmedämmende Sperrschicht aufbauen, um den Zutritt von Luftsauerstoff zu verhindern.
• Organische Chlor- und Bromverbindungen, die als Radikalfänger wirken. Sie brechen die Radikal-Ketten-reaktion ab, die die Verbrennung unterhält und hemmen den Brennprozess in der Gasphase.
• Halogenierte organische Phosphor-Verbindungen, die jedoch aufgrund ihrer toxischen Wirkung immer seltener eingesetzt werden.[2]

Für den Brand- und Flammschutz von Kunststoffen muss das gewählte Flammschutzmittel zum Kunststoff passen, denn das Additiv ist Teil der Rezeptur. Das Additiv kann auch die mechanischen oder physikalischen Eigenschaften unerwünscht beeinflussen, sodass die Materialentwicklung hier gefordert ist. Hinzu kommen Aspekte, die die Anwendung oder die Entsorgung des Kunststoff-Produkts betreffen.[1]

Märkte und Nachfrage von Flammschutzmitteln

Auf den Einsatz in Gehäusen, Fassungen und anderen Komponenten von LED-Chips sind die PCT-Compounds abgestimmt. Bild: Lanxess

Die zunehmende Elektrifizierung in nahezu allen Branchen, wie der Automobilindustrie, dem Personennahverkehr, der Medizintechnik, lässt auch die Nachfrage nach Flammschutzmitteln steigen. In einer Studie aus dem Jahr 2016 von Ceresana dazu heißt es, dass für den Schutz von Kunststoffprodukten, Elektrogeräten, Baumaterialien und Textilien derzeit weltweit pro Jahr rund 2,15 Mio. t Flammschutzmittel eingesetzt werden.
Global betrachtet sind die Bau- sowie die Elektro- und Elektronikindustrie (E&E) die wichtigsten Absatzmärkte für Flammschutzmittel: Nahezu
53 Prozent der weltweiten Nachfragemengen kommen aus diesen beiden Bereichen. In großen Mengen werden Flammschutzmittel für Dämmschaumstoffe aus expandiertem Polystyrol (EPS) und Polyurethan (PUR) eingesetzt, aber auch zum Beispiel bei Bauprodukten aus Gummi, in Klebstoffen sowie Farben und Lacken.
Drittgrößter Einzelmarkt für Flammschutzmittel ist der Einsatz in Kabeln, gefolgt von Produkten für die Fahrzeugindustrie. Mit Zuwächsen von nahezu drei Prozent pro Jahr zeichnen sich die Bereiche Fahrzeuge und E&E durch überdurchschnittliche Zuwächse aus.[3]

Trendscout gibt einen Überblick

Im Trendscout sind Entwicklungen und Produkte zum Thema Flamm- und Brandschutz zusammengefasst. Die Zielbranchen der additivierten Kunststoffe reichen von Anwendungen in der Mobilitäts-, Medizin- und Lichttechnik bis zur Lebensmittelindustrie.
Für Schienenfahrzeuge hat Licharz, Buchholz, zum Beispiel einen flammgeschützten technischen Kunststoff, Linnotamhiperperformance FR, entwickelt. Dieser eignet sich unter anderem für Brücken- und Gleitplatten, Gleitschienen, Rollen für Türsysteme, Puffer, Zugeinrichtungen, Weichentechnik sowie für Dichtleisten und Dichtplatten. Die Guss-Polyamide sind leicht, robust, zähhart sowie verschleißfest und bieten eine wirtschaftliche Alternative zu Materialien auf Laurinlactam-Basis, wie zum Beispiel PA12G. Der Werkstoff ist frei von halogenierten und anorganischen Flammschutzmitteln, da das Unternehmen auf marktübliche Substanzen verzichtet. Das Material erfüllt die bestehenden nationalen Normen
DIN 5510-2 und NFF16101 sowie die neuen europäischen Brandschutznorm EN 45545-2.

Faserverstärkt und flammgeschützt

Halogenfrei flammgeschützt sind auch die glasfaserverstärkten PBT-Compounds der Reihe Pocan von Lanxess, Köln. Die Compounds haben Glasfasergehalte bis 45 Prozent. Mit ihren halogenfreien Flammschutzadditiven erfüllen sie die Brandtests nach der Norm UL 94 der US-amerikanischen Prüfgesellschaft Underwriters Laboratories mit der besten Klassifizierung V-0 bei Prüfkörperdicken bis 0,4 mm. Sie weisen sogar eine bessere Wärmestabilität sowie höhere Kriechstrom- und Durchschlagfestigkeiten auf als ihre Pendants mit halogenhaltigem Flammschutz­paket.
Ihre mechanischen Eigenschaften lassen sich über den Glasfasergehalt annähernd dem Niveau ihrer Pendants mit halogenhaltigem Flammschutz angleichen. Die Ideen für Anwendungen sind vielfältig und reichen von der Lebensmittelindustrie bis zur E-Mobility. Die hochverstärkten Polyamide eignen sich für die Konstruktion sehr steifer und fester Bauteile in hochbeanspruchten Applikationen. Trotz ihres hohen Verstärkungsgrades sind die Materialien so fließfähig wie Standard-Polyamide mit deutlich niedrigerem Füllstoffgehalt, weshalb sie ebenfalls für dünnwandige Konstruktionen eingesetzt werden können.
Der Anbieter hat seine E&E-Aktivitätem gebündelt. Dafür hat das Competence Center E&E die Aufgabe, technische Trends im Markt frühzeitig aufzugreifen und gemeinsam mit Verarbeitern in marktreife Produkte umzusetzen. Dazu wurden die Serviceleistungen HiAnt um E&E-spezifische Komponenten ergänzt. So wurde beispielsweise bereits ein Simulationstool entwickelt, mit dem Formteile hinsichtlich ihrer Wärmeleitfähigkeit kunststoffgerecht ausgelegt werden können. Damit lässt sich unter anderem untersuchen, wie die Temperatur einer LED-Komponente beim Betrieb der Lampe von der Bauteilgeometrie und vom Material abhängt.

Einsatz im Automobilund Flugzeugbau

Auch im Flugzeugbau sind strenge Prüfungen zu erfüllen. Dafür hat Solvay, Anahein, USA, sein Polyarylamid Ixef BM-1524 gemäß Boeing-Standard BMS 8-270 zertifiziert. Die Zertifizierung regelt die Eignung von Polyamiden für Flugzeuginnen­ausstattungen. Das Material erfüllt die Anforderungen der 60-Sekunden-Vertikalbeflammung gemäß 14 CFR 25.853, Anhang F, der US-Luftfahrtbehörde sowie die unter BSS 7239 und ABD 0031 geregelten Grenzwerte der toxischen Gasemissionen im Brandfall. Es ist ein 50 Prozent glasfaserverstärktes, teilkristallines und teilaromatisches Polyamid. Der naturfarbene, halogenfrei flammwidrige Polymertyp sorgt für metallähnliche Festigkeit und Steifigkeit, was ihn zu einem attraktiven Material für gewichtsparende Befestigungselemente, Anbauten und Halterungen macht.

Für Kabel, Stecker und Gehäuse

Rowa, Pinneberg, hat zahlreiche UL-zertifizierte Produkte im Portfolio: eine Gruppe an PBT- und vier Gruppen an TPU-Typen. Die UL-Masterbatches mit dem Markennamen Rowalid-UL sind in der Kategorie QMQS2 zertifiziert, die meisten besitzen eine All-Color-Zulassung. Die UL-zertifizierten Typen kommen in Kabeln, Steckern und Gehäusen zum Einsatz.
Auch in der Lichttechnik spielt Flammschutz eine große Rolle. Albis, Hamburg, bietet spezielle Compounds der Eigenmarke Alcom für LED-Licht-Anwendungen an. Die LB-Portfolio-Typen eignen sich wegen ihrer hohen Flammwidrigkeit und Glühdrahtbeständigkeit als Gehäusewerkstoff für Sicherheitsleuchten und Notlichtsysteme. Der Typ TC steigert aufgrund seiner verbesserten Wärmeleitfähigkeit die Effizienz von LEDs und trägt somit zur Verlängerung der Lebensdauer elektronischer Komponenten bei.

Der wärmeleitfähige Werkstoff ist für den Co-Extrusionsprozess, beispielsweise zum LED-Profil, geeignet. Bild: Albis

Flammschutz in Elastomeren

Anwender, die mit dem phthalatfreien Allzweckweichmacher Pevalen von Perstorp, Malmö, Schweden, arbeiten, können sich über einen Zusatznutzen freuen. Untersuchungen weisen darauf hin, dass der Werkstoff Flammschutzeigenschaften mit überlegenem Rauchverhalten aufweist. Des Weiteren wurde für Formulierungen mit dem Werkstoff und unterschiedlichen Flammschutzmitteln auch ein besserer Sauerstoffgrenzwert gemessen, was möglicherweise auf Synergien zwischen Weichmacher und Flammschutzmittel beruht. So scheint er von Natur aus zwar nicht flammwidriger als DINP zu sein, aber da jedoch eine weniger hohe Dosierung erforderlich ist, ist ein deutlicher Unterschied in den Brandschutzeigenschaften erkennbar.
Kraiburg TPE, Waldkraiburg, hat Flammschutz-TPE-Compounds im Programm. Die Thermoplastischen Elastomere der FR/AD1-Reihe wurden für Anwendungen in der Bauindustrie entwickelt, in der sie zum Beispiel an Unterputzdosen eine flexible Ausrichtung der Kabel gewährleisten. Das Material ist nach UL94 als schwer entflammbar eingestuft und mit der Brennbarkeitsklasse V0 klassifiziert. Zudem lassen sie sich aufgrund sehr guter Haftungswerte im Zwei-Komponenten-Spritzguss mit ABS und PC verarbeiten.

Flammgeschützte Kunststoffe in der Medizintechnik

Für Gehäuseteile in Medizintechnik-Geräten eignen sich die Lösungen von Romira, Pinneberg. In den Werkstoffen sind UV-Stabilität, Wärmeformbeständigkeit sowie in besonderem Maß die Chemikalien- und Hitzebeständigkeit mit einer Flammschutzausrüstung kombiniert, wozu beispielsweise die Rotec-ABS-Typen zählen. Die Verwendung von halogenfreien Flammschutzmitteln in bestimmten Romiloy-Compounds ist von besonderem Interesse, da sie sich später umweltfreundlich entsorgen lassen. Die Romiloy PA/ASA-Compounds weisen eine sehr hohe Chemikalienbeständigkeit auf.