Einleitung
Das am häufigsten verwendete und wirtschaftlichste Flammschutzmittel (engl. Flame Retardant, FR) für Polymere ist Aluminiumtrihydroxid (Al(OH)3, kurz ATH). Es findet Einsatz u.a. in Kunststoffen wie Polyolefinen für Kabelummantelungen, aber auch in Acrylaten, duroplastischen Harzen und PVC-Böden. Es ist umweltfreundlich, da es keine Halogene enthält und gilt als hocheffizienter Rauchgasminderer.
Seine Flammhemmung* beruht auf Kühlung, der Bildung von Sperrschichten sowie auf Verdünnung. Die Kühleigenschaft ergibt sich aus der Fähigkeit, beim Aufheizen Wasser freizusetzen, wobei die maximale Freisetzung bei ca. 300 °C erfolgt.
Durch den Energieverbrauch einer endothermen Zersetzung, beispielsweise durch Verdampfen von (chemisch oder physikalisch) gebundenem Wasser, wird das Material gekühlt.
Die Funktionalität als Sperrschicht beruht auf der Zersetzung von Aluminiumtrihydroxid. Die zersetzte Schicht verlangsamt den Sauerstofffluss zur Flamme und somit die Gasbildung. Um flammhemmende Eigenschaften (Verdünnungsfaktor) zu erzielen, müssen große Mengen (40 bis 60 Gew-%) an Füllstoff eingesetzt werden. Wie bei den meisten Flammschutzmitteln beeinflusst die Zugabe des Füllstoffs auch die mechanischen und rheologischen Eigenschaften der Kunststoffe. Da die Füllstoffmenge zur Entfaltung der gewünschten Eigenschaften hoch sein sollte, müssen weitere Additive zugesetzt werden, um dessen Wirkung entgegenzuwirken. Die mechanischen Eigenschaften werden durch die Morphologie und Oberflächenbeschichtung des Al(OH)3 verbessert, um die Grenzflächenhaftung zu erhöhen. Die Beschichtungen sind je nach verwendetem Basispolymer unterschiedlich. Der erhöhten Viskosität während der Verarbeitung wird durch fließverbessernde Additive entgegengewirkt.
Messbedingungen
In dieser Studie wurde der Einfluss von Aluminiumtrihydroxid (ATH) auf das Brandverhalten von Polyethylen (EP) im Cone Calorimeter TCC 918 untersucht. Das Gerät erlaubt die Ermittlung der Wärmefreisetzung, des Massenverlusts und der Rauchgasdichte und -zusammensetzung. Dafür wurden Proben aus reinem PE sowie aus PE mit 50 Gew.-% Al(OH)3 zu 100 x 100 x 4 mm³ großen Platten spritzgegossen.
Vor Beginn der Messungen wurde das Gasanalysesystem (Siemens Oxymat/Ultramat) mit Kalibriergasen kalibriert und der C-Faktor unter Verwendung des Methanbrenners mit definierter Wärmeabgabe überprüft. Das verwendete Gasanalysesystem war mit einer O2- und einer CO2-Option ausgestattet. Nach Aufheizung des kegelförmigen Heizers wurde der Shutter geschlossen und der horizontale Probenträger mit der Probe auf der Grundplatte montiert. Anschließend wurden für den Messstart der Shutter automatisch vom System entfernt und die freigesetzten Gase durch das automatische Zündsystem gezündet. Die Messbedingungen sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Tabelle 1: Messbedingungen
Table 1: Measurement Conditions
| Probenhalter | Horizontal |
| Wärmestromdichte | 50 kW/m² |
| Nominale Durchflussrate | 24,0 l/s |
Die Wärmeabgabe stimmt gut mit der Transmissionsmessung überein, siehe Abbildung 3. Die insgesamt freigesetzte Wärmemenge ist geringer in der Probe mit Flammschutzausrüstung. Die Sperrschicht-Funktionalität ist jedoch wieder durch eine stetige Abnahme der freigesetzten Wärme zu beobachten.
Der mit der Kohlebildung einhergehende Massenverlust ist in Abbildung 4 dargestellt. Der Massenverlust verläuft langsamer als in der reinen PE-Probe und in geringerem Ausmaß. Während die reine PE-Probe bis zum Ende der Untersuchung knapp 35 g an Gewicht verliert, sind es bei der Probe mit dem Flammschutzmittel nahezu die Hälfte mit weniger als 20 g. Allerdings muss hier berücksichtigt werden, dass die Probe mit Füllstoff auch nur die Hälfte PE enthält.
Die Messung im Cone Calorimeter TCC 918 erlaubt die Untersuchung des Einflusses einer kontrollierten Brandeinwirkung auf ein Material; in diesem Fall auf einen Kunststoff mit und ohne Flammschutzmittel. Im aktuellen Beispiel werden die wichtigsten Eigenschaften der Transmission (Rauchentwicklung), der Wärmefreisetzung und des Massenverlustes dargestellt. Es ist jedoch jederzeit möglich, im Rahmen desselben Versuches auch
- Entzündungszeit
- Massenverlustrate (MLR)
- Wärmefreisetzungsrate (ARHE, MARHE)
- Effektive Verbrennungswärme (EHC)
- Gesamtwärmefreisetzung (THR)
- Gesamtrauchfreisetzung (TSP)
- Rauchfreisetzungsrate (SPR)
- Verbrennungsprodukte
zu analysieren.
Zusammenfassung
Diese Studie bestätigt die Mechanismen der Rauchminderung und der Bildung einer Sperrschicht aus dem Füllstoff Aluminiumtrihydroxid während eines Brandes. Die Effizienz in Bezug auf Transmissionseigenschaft, Wärmefreisetzung und Massenverlust wurde mit einer PE-Probe ohne Flammschutzmittel verglichen. Die effektive Wirkung des Flammschutzmittels ATH in einer Mischung mit PE ist eindeutig erkennbar.