DE19606530A1 - Polymethacrylimid-Schaumstoff mit Epoxidharz als Flammschutzzusatz - Google Patents
Polymethacrylimid-Schaumstoff mit Epoxidharz als FlammschutzzusatzInfo
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Description
Polymethacrylimid-Schaumstoffe sind seit langem bekannt (siehe z. B.
DE-G 27 26 260). Sie finden wegen ihrer hohen Wärmeformbeständigkeit,
ihrer guten Druckfestigkeit und ihres geringen Gewichts eine breite
Anwendung z. B. als Kernmaterial für Schichtwerkstoffe oder
Schaumstoffverbundkörper (vgl. DE-G 28 22 885, DE-A 33 04 882, US-A
4 316 934). Insbesondere bei der Verwendung im Flugzeugbau werden
hohe Anforderungen bezüglich schlechter Entflammbarkeit gestellt.
Zu den Anforderungen gehört insbesondere ein möglichst hoher Wert für
die sogenannte untere Grenzsauerstoffkonzentration, die in Form von
LOI-Werten (Lowest Oxygen Index) angegeben wird. Je höher der LOI,
desto schwerer entflammbar ist das geprüfte Material. LOI-Werte werden
nach ATSM Standard D 2863: Standard Method of Test for Flammability
of Plastics Using the Oxygen Index Method bestimmt. Der LOI-Wert
entspricht einer Sauerstoff-Stickstoff-Gasmischung, bei der eine am
oberen Ende angezündete Kunststoffprobe gerade noch vollständig
abbrennt. Hohe LOI-Werte von z. B. über 23 können bei
Polymethacrylimid-Schaumstoffen nur durch den Zusatz von
Flammschutzmitteln erreicht werden.
Aus der DE-PS 20 47 096 ist ein flammgeschützter Polymethacrylimid-Schaumstoff
bekannt, der durch Erhitzen eines Mischpolymerisats aus
Methacrylnitril, Methacrylsäure, Methylmethacrylat und
Maleinsäureanhydrid mit einem Gehalt an Ameisensäure als Treibmittel
und an Phosphorsäure und Dibrompropylphosphat als flammhemmendem
Zusatz hergestellt worden war. Beim Erhitzen auf 150 bis 200°C
cyclisieren die Methacrylnitril- und Methacrylsäureeinheiten zu
Methacrylimideinheiten. Aufgrund des Phosphorgehalts von 1,5 bis 3
Gew.-% ist die Wasseraufnahme derartiger Schaumstoffe relativ hoch,
zudem tritt durch den Flammschutzzusatz unerwünschterweise eine
weichmachende Wirkung ein.
EP-B 146 892 löst dieses Problem durch die Verwendung bzw.
Mitverwendung organischer Phosphorverbindungen wie z. B.
Dimethylmethanphosphonat (DMMP) oder
Alkoxycarbonylmethanphosphonsäurediethylester. Diese Verbindungen
werden üblicherweise in den Polymerisationsansätzen für
Polymethacrylimid-Schaumstoffe in Mengen von ca. 5-15 Gew.-%
verwendet. Auf diese Weise können LOI-Werte bis ca. 24 erreicht
werden. Da relativ hohe Mengen an Flammschutzmittel immer noch eine
gewisse Verschlechterung von Eigenschaften wie z. B. der Druckfestigkeit
im Vergleich zu nicht flammgeschützten Schaumstoffen mit sich bringen,
ist man bestrebt die Verwendung von z. B. DMMP zumindest zu
begrenzen.
Epoxidharze werden durch Kondensation von aromatischen
Dihydroxyverbindungen wie z. B. Bisphenol-A oder Bisphenol-F mit
Epichlorhydrin (1-Chlor-2,3-epoxypropan) erhalten, die als flüssige
Gießharze (Reaktivharze) mit Hilfe von Vernetzern, z. B.
mehrfunktionellen Alkoholen oder Aminen, gehärtet werden können.
Epoxydharze sind als relativ flammfeste Kunststoffe bekannt (siehe z. B.
M.W. Ranney (1974): Fire Resistant and Flame Retardant Polymers,
Noyes Data Corporation, Park Ridge, New Jersey, London, England, S.
123-126). Eine flammschützende Wirkung von nicht gehärteten
Epoxy-Gießharzen als Zusatz zu Polymethacrylimid-Schaumstoffen ist nicht
bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen verbesserten
Flammschutz für Polymethacrylimid-Schaumstoffe bereitzustellen, der es
ermöglicht, die Verwendung von herkömmlichen Flammschutzmitteln wie
DMMP zu begrenzen und gleichzeitig möglichst hohe LOI-Werte zu
erreichen. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung
eines flammgeschützten Polymethacrylimid-Schaumstoffs, dadurch
gekennzeichnet, daß dem Polymerisationsansatz für den
Polymethacrylimid-Schaumstoff ein übliches Flammschutzmittel und 0,1
bis 4 Gew.-% eines Epoxidharzes zugesetzt werden.
Die Erfindung umfaßt weiterhin Polymethacrylimid-Schaumstoffe mit
LOI-Werten von mindestens 25. Die Verwendung von Epoxidharzen als
Flammschutzzusatz für Polymethacrylimid-Schaumstoffe ist ebenfalls
eingeschlossen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können
flammgeschützte Polymethacrylimid-Schaumstoffe mit hohen LOI-Werten
und guten mechanischen Eigenschaften erhalten werden. Dabei war es
völlig unerwartet, daß die Kombination von üblichem Flammschutz und
einem Epoxidharz zu einer derartigen Verbesserung der LOI-Werte
führen würde.
Polymethacrylimid-Schaumstoffe zeichnen sich durch wiederkehrende
Einheiten der Struktur
aus, die mehr als 50 Gew.-%, vorzugsweise 60-90 Gew.-% der Einheiten
des Polymerisats ausmachen. Die Einheiten bilden sich beim Erhitzen auf
150 bis 250°C aus benachbarten Einheiten der Methacrylsäure und des
Methacrylnitrils durch eine cyclisierende Isomerisierungsreaktion (vgl.
DE-G 18 17 156, DE-G 27 26 259, EP-B 146 892). Üblicherweise wird
zunächst ein Vorprodukt durch Polymerisation der Monomeren in
Gegenwart eines Radikalinitiators bei niedrigen Temperaturen, z. B. 30
bis 60°C mit Nacherhitzung auf 60 bis 120°C erzeugt, das dann durch
Erhitzen auf ca. 180 bis 250°C durch ein enthaltenes Treibmittel
aufgeschäumt wird (siehe EP-B 356 714).
Die zur Herstellung der Schaumstoffe verwendeten Monomerengemische
enthalten Methacrylsäure und Methacrylnitril vorzugsweise in einem
Molverhältnis zwischen 2 : 3 und 3 : 2 als Hauptbestandteile. Da die
Umwandlung der polymerisierten Monomeren in Methacrylimidgruppen
während des Erhitzens des Reaktionsansatzes und des Aufschäumens
nicht immer vollständig abläuft, enthalten die Polymerisate häufig auch
geringe Anteile der ursprünglich eingesetzten Monomereinheiten. Weitere
nicht imidartige Einheiten können von zusätzlich mitverwendeten
Comonomeren stammen, deren polymerisierte Einheiten schwerer oder
gar nicht in cyclische Imidgruppen überführbar sind. Als Comonomere
können z. B. Ester der Acryl- oder Methacrylsäure, insbesondere mit
niedrigen Alkoholen mit 1-4 C-Atomen, Styrol, Maleinsäure oder deren
Anhydrid, Itakonsäure oder deren Anhydrid, Vinylpyrrolidon, Vinylchlorid
oder Vinylidenchlorid verwendet werden. Der Anteil der Comonomeren
soll 30 Gew.-%, vorzugsweise 10 Gew.-% nicht übersteigen.
Als weitere Monomere können in ebenfalls bekannter Weise geringe
Mengen an Vernetzern, wie z. B. Allylacrylat, Allylmethacrylat,
Ethylenglykoldiacrylat oder -dimethacrylat oder mehrwertige Metallsalze
der Acryl- oder Methacrylsäure, wie Magnesium-Methacrylat vorteilhaft
verwendet werden. Die Mengenanteile können z. B. 0,05 bis 1 Gew.-%
betragen.
Als Polymerisationsinitiatoren werden die an sich für die Polymerisation
von Methacrylaten üblichen verwandt, beispielsweise Azoverbindungen,
wie Azodiisobutyronitril, sowie Peroxide, wie Dibenzoylperoxid oder
Dilauroylperoxid, oder auch andere Peroxidverbindungen, wie
beispielsweise t-Butylperoctanoat oder Perketale, wie auch
gegebenenfalls Redoxinitiatoren (vgl. hierzu beispielsweise H.
Rauch-Puntigam, Th. Völker, Acryl- und Methacrylverbindungen, Springer,
Heidelberg, 1967 oder Kirk-Othmer, Encyclopedia of Chemical
Technology, Vol. 1, Seiten 286 ff, John Wiley & Sons, New York, 1978).
Bevorzugt werden die Polymerisationsinitiatoren in Mengen von 0,01 bis
0,3 Gew.-% bezogen auf die Ausgangsstoffe eingesetzt. Günstig kann es
auch sein, Polymerisationsinitiatoren mit unterschiedlichen
Zerfallseigenschaften bezüglich Zeit und Temperatur zu kombinieren. Gut
geeignet ist z. B. die gleichzeitige Verwendung von tert-Butylperpivalat,
tert-Butylperbenzoat und tert-Butylper-2-ethylhexanoat
Zum Aufschäumen des Vorprodukts während der Umwandlung in ein imidgruppenhaltiges Polymer dienen in bekannter Weise Treibmittel, die bei 150 bis 250°C durch Zersetzung oder Verdampfung eine Gasphase bilden. Treibmittel mit Amidstruktur, wie Harnstoff, Monomethyl- oder N,N′-Dimethylharnstoff, Formamid oder Monomethylformamid, setzen beim Zerfall Ammoniak oder Amine frei, die zur zusätzlichen Bildung von Imidgruppen beitragen können. Es können jedoch auch stickstofffreie Treibmittel wie Ameisensäure, Wasser oder einwertige aliphatische Alkohole mit 3 bis 8 C-Atomen, wie Propanol, Butanol, Isobutanol, Pentanole oder Hexanol, verwendet werden. Treibmittel werden im Reaktionsansatz üblicherweise in Mengen von ca. 0,5 bis 3 Gew.-% bezogen auf die eingesetzten Monomeren verwendet.
Zum Aufschäumen des Vorprodukts während der Umwandlung in ein imidgruppenhaltiges Polymer dienen in bekannter Weise Treibmittel, die bei 150 bis 250°C durch Zersetzung oder Verdampfung eine Gasphase bilden. Treibmittel mit Amidstruktur, wie Harnstoff, Monomethyl- oder N,N′-Dimethylharnstoff, Formamid oder Monomethylformamid, setzen beim Zerfall Ammoniak oder Amine frei, die zur zusätzlichen Bildung von Imidgruppen beitragen können. Es können jedoch auch stickstofffreie Treibmittel wie Ameisensäure, Wasser oder einwertige aliphatische Alkohole mit 3 bis 8 C-Atomen, wie Propanol, Butanol, Isobutanol, Pentanole oder Hexanol, verwendet werden. Treibmittel werden im Reaktionsansatz üblicherweise in Mengen von ca. 0,5 bis 3 Gew.-% bezogen auf die eingesetzten Monomeren verwendet.
Als Metallsalzzusätze, die zugleich rauchmindernd wirken, können gemäß
DE-G 27 26 260 dem Gemisch weiterhin Acrylate oder Methacrylate der
Alkali- oder Erdalkalimetalle oder des Zinks oder Zirkons oder des Bleis
oder andere Verbindungen der genannten Metalle, sofern sie in dem
Monomerenansatz löslich sind, zugesetzt werden. Übliche Mengen liegen
im Bereich von 0,5 bis 2 Gew.-% bezogen auf sonstige Monomere.
Der Zusatz von elektrisch leitfähigen Partikeln kann gemäß EP-B 356 714
erfolgen, um unerwünschten elektrostatischen Aufladungen vorzubeugen.
Hier können Partikel aus Metallen, wie z. B. Aluminium, Nickel,
Eisenlegierungen, Titan oder Zinn, oder auch Leitruß verwendet werden.
Die eingesetzten Mengen können in Bereich von 0,1 bis 10 Gew.-%
bezogen auf die eingesetzten Monomeren liegen, üblicherweise werden
ca. 1 bis 5 Gew.-% verwendet.
Als übliche Flammschutzzusätze werden bekannte Halogen- oder
Phosphorverbindungen verwendet. Bevorzugt sind organische
Phosphorverbindungen gemäß der EP-B 146 892, vorzugsweise
Dimethylmethanphosphonat (DMMP). Übliche Verwendungsmengen
liegen im Bereich von ca. 5-15 Gew.-% bezogen auf die eingesetzten
Monomeren. Beim Einsatz zunehmender Mengen von z. B. DMMP
verschlechtern sich in der Regel die sonstigen thermischen und
mechanischen Eigenschaften der Schaumstoffe.
Um Polymethacrylimid-Schaumstoffe mit den üblichen vorteilhaften
Eigenschaften und zugleich höheren LOI-Werten zu erreichen, werden
erfindungsgemäß die herkömmlichen Flammschutzzusätze durch die
Zugabe eines Epoxidharzes ergänzt. Bevorzugt wird dabei DMMP in
Mengen von 5 bis 10 Gew.-% zusammen mit 0,1 bis 4 Gew.-%, bevorzugt
0,2 bis 2,5 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,4 bis 2,1 Gew.-%, Epoxidharz,
jeweils bezogen auf den Gesamtansatz der Monomeren, eingesetzt.
Epoxidharze, auch als Epoxidreaktivharze bezeichnet, enthalten die
Kondensationsprodukte von aromatischen Dihydroxyverbindungen wie z. B.
Bisphenol-A oder Bisphenol-F mit einer Epoxyverbindung z. B.
Epichlorhydrin (1-Chlor-2,3-epoxypropan) als Oligomere mit
Molekulargewichten von ca. 500-2000 Dalton. Gegebenenfalls enthalten
sie zugleich einen Vernetzer, z. B. einen mehrfunktionellen Alkohol oder
ein mehrfunktionelles Amin. Ein geeignetes Epoxidreaktivharz kann z. B.
Bisphenol-A-Epichlorhydrin-Oligomere oder Bisphenol-F-Epichlorhydrin-Oligomere
oder eine Kombination der beiden und einen Vernetzer wie z. B.
1,6-Hexandioldiglycidylether enthalten. Ein besonders geeignetes
Epoxidreaktivharz enthält ca. 50 Gew.-% Bisphenol-A-Epichlorhydrin-Oligomere,
ca. 25 Gew.-% Bisphenol-F-Epichlorhydrin-Oligomere, wobei
das Molekulargewicht der Oligomere bei ca. 700 Dalton liegt, sowie ca. 25
Gew.-% 1,6-Hexandioldiglycidylether als Vernetzer. Entsprechende
Produkte sind im Handel erhältlich (z. B. unter dem Handelsnamen
Rütapox® 0166/S, der Bakelite GmbH, Iserlohn, Deutschland).
Einem homogenen Gemisch aus 50 Gewichtsteilen (T) Methacrylsäure
und 50 T Methacrylnitril, 2,5 T Formamid, 1 T H₂O, 0,1 T
tert-Butylperpivalat, 0,1 T tert-Butylperbenzoat und 0,034 T tert-Butylper-2-ethylhexanoat
und 0,7 T ZnO wurden jeweils verschiedene Mengen an
Flammschutzmitteln zugegeben.
Als Flammschutz mittel wurden Dimethylmethanphosphonat (DMMP) und
das Epoxidharz Rütapox® 0166/S (50 Gew.-% Bisphenol-A-Epichlorhydrin-Oligomere,
ca. 25 Gew.-% Bisphenol-F-Epichlorhydrin-Oligomere
mit einem Molekulargewicht der Oligomere von ca. 700 Dalton,
ca. 25 Gew.-% 1,6-Hexandioldiglycidylether als Vernetzer; Hersteller
Bakelite GmbH, Iserlohn, Deutschland) eingesetzt.
Die Mischungen wurden für 48 h bei 38°C zwischen zwei Glasscheiben
mit umlaufender Dichtschnur zu Platten der Größe 500 × 500 × 23 mm
polymerisiert. Die Platten wurden anschließend für 3 h bei 115°C
getempert. Die erhaltenen Polymerisatplatten wurden dann durch
2-stündiges Erhitzen auf ca. 220°C aufgeschäumt. Von den
Schaumstoffplatten wurden die Dichte in kg/m³, die Druckfestigkeit
gemäß DIN 53 421, die Wärmeformbeständigkeit gemäß DIN 53 424 und
der LOI gemäß ASTM Standard D 2863 bestimmt.
Die Menge der Flammschutzmittel und die ermittelten Werte können der
nachstehenden Tabelle entnommen werden.
Claims (8)
1. Verfahren zur Herstellung eines flammgeschützten
Polymethacrylimid-Schaumstoffs, dadurch gekennzeichnet, daß dem Polymerisationsansatz
für den Polymethacrylimid-Schaumstoff ein übliches Flammschutzmittel
und 0,1 bis 4 Gew.-% eines Epoxidharzes zugesetzt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem
Polymerisationsansatz 0,2 bis 2,5 Gew.-% eines Epoxidharzes zugesetzt
werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem
Polymerisationsansatz 0,4 bis 2,1 Gew.-% eines Epoxidharzes zugesetzt
werden.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß als übliches Flammschutzmittel
Dimethylmethanphosphonat verwendet wird.
5. Polymethacrylimid-Schaumstoff, dadurch gekennzeichnet, daß er einen
LOI-Wert von mindestens 25 aufweist.
6. Polymethacrylimid-Schaumstoff nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der LOI-Wert mindestens 26 beträgt.
7. Polymethacrylimid-Schaumstoff hergestellt nach einem der Ansprüche
1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er einen LOI-Wert von mindestens
25 aufweist.
8. Die Verwendung von Epoxidharz als Flammschutzzusatz für
Polymethacrylimid-Schaumstoffe
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