IntroduEinleitungction
Polypropylen (PP) ist ein wirtschaftlich bedeutender Thermoplast mit guter Verarbeitbarkeit und einem breiten Anwendungsspektrum. Aufgrund seiner vergleichsweise hohen Entflammbarkeit ist sein Einsatz in Anwendungen mit erhöhten Brandschutzanforderungen jedoch eingeschränkt.
Eine etablierte Strategie zur Verbesserung des Brandverhaltens besteht in der Verwendung hoher Anteile mineralischer Füllstoffe. Diese können im Brandfall als thermische Barriere wirken, die Wärmefreisetzung reduzieren, den Zersetzungsprozess verlangsamen und zur Ausbildung stabiler Rückstandsstrukturen beitragen.
In der vorliegenden Application Note werden vier hochgefüllte PP-Materialien mit einem Füllstoffanteil von 60 % untersucht. Ein Material dient dabei als Referenz, während die Materialien 1, 2 und 3 modifizierte Varianten mit angepasster Materialzusammensetzung darstellen.
Ziel der Untersuchung ist es, Unterschiede im Brandund Rauchverhalten dieser PP-Systeme systematisch zu quantifizieren und den Einfluss der Materialmodifikationen auf das Zündverhalten, die Wärmefreisetzung, die Rauchentwicklung und den Massenverlust zu bewerten.
Messbedingungen
Die Untersuchungen wurden mit dem Cone Calorimeter TCC 918 (Abbildung 1) gemäß ISO 5660-1 durchgeführt.
Die Proben wurden horizontal positioniert und mit einer konstanten Wärmeflussdichte von 50 kW/m2 beaufschlagt. Während der Messung wurden folgende Parameter erfasst:
- Zündzeit (Time to Ignition, TOI)
- maximale Wärmefreisetzungsrate (HRRmax)
- Gesamt-Rauchfreisetzung (Total Smoke Release, TSR)
- zeitabhängiger Massenverlust
Die wesentlichen Prüfparameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Tabelle 1: Messbedingungen
| Probenhalter | Horizontal |
| Wärmefluss | 50 kW/m2 |
| Nominale Durchflussrate | 24,0 l/s |
| Abstand zum Cone-Heizer | 25 mm |
| Probenmasse | Standard: 48,8 g Material 1: 38,3 g Material 2: 41,9 g Material 3: 42,3 g |
Abbildung 2 zeigt die Proben im Probenhalter vor der Messung.
Messbedingungen
Zündverhalten
Alle untersuchten Materialien zündeten innerhalb eines engen Zeitfensters von etwa 21 bis 25 Sekunden.
Die sehr ähnlichen Zündzeiten deuten darauf hin, dass die unterschiedlichen Materialmodifikationen unter den gewählten Prüfbedingungen keinen signifikanten Einfluss auf das initiale thermische Aufheiz- und Zersetzungsverhalten der PP-Systeme haben.
Wärmefreisetzung
Die Wärmefreisetzungsrate1 ist eine zentrale Kenngröße zur Bewertung der Brandintensität von Materialien.
Die entsprechenden HRR-Verläufe sind in Abbildung 3 dargestellt.
1Wärmefreisetzungsrate (HRR): Rate der während der Verbrennung freigesetzten Wärmeenergie pro Zeit und Fläche. Sie gilt als einer der wichtigsten Parameter zur Bewertung der Brandintensität eines Materials und wird im Cone Calorimeter auf Basis des Sauerstoffverbrauchsprinzips bestimmt.
Das Referenzmaterial zeigt einen deutlich ausgeprägteren Peak der Wärmefreisetzungsrate. Die maximale Wärmefreisetzungsrate (HRRmax) liegt hierbei etwa doppelt so hoch wie bei den modifizierten PP-Varianten.
Die Materialien 1, 2 und 3 erreichten dagegen deutlich niedrigere HRRmax-Werte und zeigen ein insgesamt gleichmäßigeres Brandwachstum. Dies deutet darauf hin, dass die angepasste Materialzusammensetzung die Brandintensität in der frühen Brandphase wirksam begrenzt.
Nach dem initialen Maximum nähern sich die HRR-Verläufe der verschiedenen Materialien einander an. Dies deutet darauf hin, dass die untersuchten Materialien trotz unterschiedlicher Rezepturen ein insgesamt ähnliches Verbrennungsverhalten zeigen.
Rauchentwicklung
Die deutlichsten Unterschiede zwischen den untersuchten Materialvarianten zeigen sich bei der Rauchentwicklung, einem zentralen sicherheitsrelevanten Parameter im Brandfall (siehe Abbildung 4).
Das Standardmaterial weist die höchste Gesamt-Rauchfreisetzung auf. Im Gegensatz dazu zeigen alle drei modifizierten PP-Varianten eine deutlich reduzierte gesamte Rauchfreisetzung über die gesamte Branddauer.
Die TSR-Werte2 der Materialien 1, 2 und 3 liegen deutlich unter dem Wert des Referenzmaterials. Dies verdeutlicht, dass die Rauchbildung durch die gezielte Anpassung der Materialzusammensetzung wirksam reduziert werden konnte.
Die Ergebnisse verdeutlichen, dass eine Optimierung der Rauchentwicklung durch geeignete Modifikationen der Rezeptur möglich ist, ohne das Zündverhalten der hochgefüllten PP-Systeme wesentlich zu beeinflussen.
2TSR (Total Smoke Release): Gesamte freigesetzte Rauchmenge während der Prüfung; integraler Kennwert zur quantitativen Bewertung der Rauchentwicklung über die gesamte Branddauer.
Massenverlust
Der relative Massenverlust beschreibt den thermischen Abbau der Materialien während der Brandbeanspruchung und ist in Abbildung 5 dargestellt. Durch die Darstellung in Prozent wird der Einfluss unterschiedlicher Anfangsmassen der Proben ausgeglichen und ein direkter Vergleich der Abbauverläufe ermöglicht.
Die drei modifizierten PP-Materialien (Material 1 bis 3) zeigen sehr ähnliche Verläufe des relativen Massenverlusts. Der maximale Massenverlust liegt bei allen drei Varianten in einem Bereich von etwa 8 bis 9 %.
Das Standardmaterial weist dagegen einen deutlich höheren relativen Massenverlust von nahezu 12 % auf. Damit zeigt es unter den gewählten Prüfbedingungen einen stärkeren thermischen Materialabbau als die modifizierten PP-Varianten.
Der geringere relative Massenverlust der modifizierten Materialien ist konsistent mit dem hohen mineralischen Füllstoffanteil der Systeme, der den polymeren Anteil reduziert und zur Ausbildung stabiler Rückstandsstrukturen beitragen kann.
Die ähnlichen Kurvenverläufe der Materialien 1 bis 3 deuten darauf hin, dass die Modifikation der Materialzusammensetzung zu einem vergleichbaren thermischen Zersetzungsverhalten dieser Varianten führt.
Zustand der Proben nach der Messung
Nach Abschluss der Messungen zeigen alle untersuchten Materialien eine ausgeprägte Rückstandsbildung, wie sie für hochgefüllte PP-Systeme typisch ist (siehe Abbildung 6).
Unterschiede in der Oberflächenstruktur sowie im Verkohlungsgrad korrelieren mit den beobachteten Abweichungen im frühen Brandverlauf.
Zusammenfassung
Die Untersuchung der hochgefüllten PP-Materialien zeigt vergleichbare Zündzeiten für alle untersuchten Systeme unter den gewählten Prüfbedingungen.
Das Referenzmaterial weist jedoch eine deutlich höhere maximale Wärmefreisetzungsrate (HRRmax) auf, die etwa doppelt so hoch ist wie bei den modifizierten PP-Varianten, was auf eine höhere Brandintensität hinweist.
Besonders ausgeprägt sind die Unterschiede bei der Rauchentwicklung: Alle modifizierten Materialien zeigen eine signifikant reduzierte Gesamt-Rauchfreisetzung (TSR) gegenüber dem Referenzsystem.
Auch der relative Massenverlust ist bei den modifizierten PP-Varianten mit etwa 8 bis 9 % geringer als beim Standardmaterial mit nahezu 12 %, was auf einen reduzierten thermischen Materialabbau hindeutet.
Die Ergebnisse belegen, dass durch gezielte Anpassungen der Materialzusammensetzung sowohl die maximale Brandintensität als auch die Rauchentwicklung und der Materialabbau der hochgefüllten PP-Systeme reduziert werden können.
Die Cone-Kalorimetrie gilt als eine der wichtigsten Methoden zur Bewertung des Brandverhaltens polymerer Materialien, da sie unter definierten Brandbedingungen zentrale Kenngrößen wie Wärmefreisetzung, Rauchentwicklung und Massenverlust simultan erfasst.
Das NETZSCH TCC 918 ermöglicht dabei eine zuverlässige und reproduzierbare Charakterisierung solcher materialbedingten Unterschiede.