Kunststoffe sind ein Teil der meisten Alltagsgegenstände, die uns umgeben. Aus diesem Grund unterliegen polymere Werkstoffe für Bau, Verkehr, Möbel und Elektronik strengen Brandschutzkriterien. Diese Anforderungen sollen die Brandgefahr verringern und die Zeit für die Evakuierung vom Ort des Vorfalls verlängern.
Die Entflammbarkeitsprüfungen berücksichtigen die Ausbreitungsrate der Flamme, die freigesetzte Wärmemenge sowie den Rauch und die Toxizität der entstehenden Gase. Die Verwendung eines bestimmten Materials bestimmt, welcher dieser Parameter für die Sicherheitsbewertung wichtiger ist.
Entflammbarkeit von Kunststoffen
Das Verbrennen von Kunststoffen ist ein Prozess, der aus vielen einzelnen Phänomenen besteht, die noch nicht alle vollständig erklärt werden können. Auch lassen sich diese Phänomene nicht mit den in den Techniken verwendeten Testmethoden genau unterscheiden. Die Entflammbarkeit hängt nicht nur vom Material selbst ab, sondern auch von seiner Form, Temperatur, dem Kontakt mit anderen Materialien und der Zeit der Verbrennungsquelle.
Der Verbrennungsprozess wird in drei Phasen eingeleitet, nämlich Erwärmung, Zersetzung und Zündung des Kunststoffs. Kunststoffe können durch eine externe Wärmequelle, Wärmestrahlung oder Flamme erwärmt werden. In der ersten Phase werden Kunststoffe in der Regel zuerst erweicht und dann geschmolzen und fließen. Duroplaste werden beim Erwärmen nicht weicher, sondern zersetzen sich bei der Energiezufuhr. Die Zersetzung ist ein Prozess, bei dem die hohen Bindungsenergien einzelner Atombindungen durch die entsprechenden externen Aktivierungsenergien überschritten werden. Entzündbare Gase, die durch eine anfängliche Verbrennungsmischung mit Luftsauerstoff freigesetzt werden, erreichen die Zündtemperatur und entzünden sich bei einer ausreichend hohen Temperatur. Die Entflammbarkeit ist abhängig von der Sauerstoffmenge, der Temperatur und den Eigenschaften des Kunststoffs. Der Verbrennungsprozess kann eine schematische Darstellung eines selbststabilisierenden Regelkreises sein.
Die Entflammbarkeit vieler Kunststoffe kann durch den Zusatz von Flammschutzmitteln beeinträchtigt werden. Diese verändern jedoch die anderen Eigenschaften von Kunststoffen. Aus diesem Grund ist es wichtig, die Eigenschaften von brennbaren Kunststoffen zu kennen, um geeignete Flammschutzmittel für Kunststoffteile finden zu können.
Wie lässt sich die Entflammbarkeit von Kunststoffen begrenzen?
Eine der Möglichkeiten, die Entflammbarkeit von Kunststoffen zu begrenzen, ist ihre Modifikation durch die Einführung spezieller chemischer Additive – Flammschutzmittel. Sie enthalten in ihrer Struktur Atome von Elementen wie Chlor, Brom, Phosphor, Stickstoff, Bor oder Aluminium, die die Feuerbeständigkeit des Materials erhöhen. Durch den Einsatz verschiedener Arten von Flammschutzmitteln, wie z.B. Chlorverbindungen mit Antimonverbindungen oder Phosphorverbindungen mit Stickstoffverbindungen, kann deren Wirksamkeit durch den sogenannten Synergieeffekt verstärkt werden.
Die Wirkungsweise eines bestimmten Flammschutzmittels hängt von seiner chemischen Struktur ab. Flammschutzmittel können den Verbrennungsmechanismus chemisch und/oder physikalisch, in der Gasphase und/oder in der Festphase beeinflussen. Der chemische Mechanismus besteht darin, reaktive Radikale zu deaktivieren, die den Verbrennungsprozess unterstützen und eine verkohlte Schicht auf der Oberfläche des Materials zu erzeugen. Der physikalische Mechanismus basiert auf der Verdünnung des Reaktionsgemischs, der Wärmeaufnahme der Verbrennungsreaktion und dem Schutz des Materials vor dem Zugriff von Sauerstoff und Wärme aus der Verbrennungszone.
Bedeutung von Flammschutzmittel für die Brennbarkeit von Kunststoffen
Was ist bei der Verwendung von Flammschutzmitteln zu beachten?
Es gibt mehrere Hauptfaktoren, die die Verwendung eines bestimmten Flammschutzmittels bestimmen. Einer der betrachteten Aspekte sind die Verarbeitungsbedingungen des Materials, in das es eingebracht werden soll. Je nach Kunststoffart wird eine feste oder flüssige Form von Flammschutzmittel bevorzugt. So werden beispielsweise pulverförmige Flammschutzmittel (Bromverbindungen, mineralische Zusatzstoffe) hauptsächlich in der Polyethylenverarbeitung eingesetzt, während in der Polyurethanindustrie vor allem flüssige Flammschutzmittel (Phosphorverbindungen, Chlorverbindungen) eingesetzt werden.
Ein sehr wichtiger Faktor ist auch die Kompatibilität des Flammschutzmittels mit dem jeweiligen Material (z.B. können mineralische Füllstoffe nicht für transparente Anwendungen verwendet werden). Das grundlegende Argument, das über die Anwendung entscheidet, ist die Wirksamkeit des Flammschutzmittels. Halogen- und Phosphorverbindungen gelten als die beiden wirksamsten Gruppen von Flammschutzmitteln. Ein weiteres wichtiges Auswahlkriterium sind auch wirtschaftliche Aspekte. Aufgrund des niedrigen Preises werden am häufigsten Mineralverbindungen verwendet (ca. 40% der flammhemmenden Materialien). Der Nachteil dieser Flammschutzmittel ist ihre geringe Wirksamkeit, d.h. sie werden in großen Mengen eingesetzt, um die angestrebte Flammschutzwirkung zu erreichen. Andererseits hat es einen negativen Einfluss auf die funktionellen Eigenschaften des Materials. Darüber hinaus wird heute immer mehr darauf geachtet, dass die in das Material eingeführten Zusatzstoffe keine negativen Auswirkungen auf die Umwelt haben. Dies ist der Grund für den aktuellen Trend zum Rückzug von halogenhaltigen Flammschutzmitteln, der in den Folgejahren den Einsatz halogenfreier Phosphorverbindungen erhöhen soll.
Einsatz von Flammschutzmitteln in Bau, Transport, Möbel & Co.
Reaktive halogenfreie Flammschutzmittel spielen im Wohn- und Industriebau als Komponenten von Bau- und Dämmstoffen eine Schlüsselrolle. Sie werden bei der Herstellung von Sprühisolierungen für Böden, Fundamente, Dachböden und Dächer sowie von Dämmplatten für Wände von Wohngebäuden, Lagern und Industriehallen eingesetzt.
Halogenfreie Flammschutzmittel können eine der Komponenten von Montageschäumen und Klebstoffen für geschäumtes Polystyrol und Gipskarton sein. Dämmstoffe sind auch integraler Bestandteil von Kälteanlagen wie Theken, Kühl- und Gefrierschränken, so dass Hersteller von Geräten der Kälte- und Haushaltsgeräteindustrie auch flammhemmende Additive verwenden.
Eine der strengsten Richtlinien für flammhemmende Anwendungen ist der Transport, bei dem es besonders wichtig ist, eine hohe Beständigkeit der Materialien gegen Entflammung zu gewährleisten. Aus diesem Grund werden Flammschutzmittel häufig bei der Herstellung von Kunststoffen für die Automobil-, Bahn- und Flugzeugausrüstung wie Sitze, Kopfstützen, Armlehnen, Armaturenbretter, Stoßfängerfüllungen und Dachhimmel eingesetzt. Ein wichtiger Markt für Phosphor-Flammschutzmittel ist auch die Möbelindustrie – Flammschutzzusätze werden bei der Herstellung von Sesseln, Sofas, Matratzen oder Kunstleder eingesetzt. Halogenfreie Flammschutzmittel können in anderen Spezialanwendungen eingesetzt werden, z.B. als Zusatz zu Bergbau-Klebstoffen und Beschichtungsmaterialien.
Weiterführende Informationen
Umweltbundesamt: Flammschutzmittel in Produkten
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