DE3009065C2 - - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf flammverzögerte
Polystyrolpräparate.
Für viele Zwecke müssen Flammverzögerungsmittel in Polystyrol
harze, wie Polystyrol, Styrol/Acrylnitril-Copolymere (als
SAN Harze bekannt), Acrylnitril/Butadien/Styrol-Copolymere
(als ABS Harze bekannt), hoch schlagfeste Polystyrole usw.,
einverleibt werden, um diesen Harzen Flammverzögerung zu
verleihen. Häufig werden als Flammverzögerungsmittel orga
nische, Brom und/oder Chlor enthaltende Verbindungen ver
wendet. Oft sind jedoch große Mengen an Flammverzögerungs
mittel erforderlich, damit die erhaltenen Polystyrolpräparate
die Vorschriften bezüglich Flammenausbreitung erfüllen,
wobei diese großen Mengen für die anderen Eigenschaften der
Polystyrolpräparate, wie Zugfestigkeit und Wärmebeständig
keit, nachteilig sind.
Im Hinblick auf eine Verringerung der Flammverzögerungsmittel
menge, die solchen Harzen zugefügt werden muß, ist die syner
gistische Wirkung gewisser Zusätze (oder synergistischer
Verbindungen) untersucht worden, die bei alleiniger Verwen
dung nicht als Flammverzögerungsmittel wirken. So sind orga
nische Peroxide als synergistische Verbindungen vorgeschlagen
worden, aber sie haben verschiedene Nachteile, insbesondere
hinsichtlich Toxizität und Beständigkeit.
In der US-PS 40 92 281 und der DE-OS 25 30 293 sind bestimmte, stickstoffhaltige,
synergistische Verbindungen zur Verwendung in flammverzöger
ten Polystyrolpräparaten vorgeschlagen worden.
In der letztgenannten Druckschrift ist die stickstoffhaltige
Verbindung ein Amin, ein Amid oder eine Ammoniumverbindung mit etwa 8 bis 25
Kohlenstoffatomen.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung neuer und
verbesserter flammverzögerter Styrolpolymerpräparate, die
ein Polystyrolharz, ein halogeniertes organisches Flammver
zögerungsmittel und eine synergistische Verbindung
umfassen und die die oben genannten Nachteile umgehen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaf
fung neuer synergistischer Verbindungen, die äußerst aktiv
sind.
Somit richtet sich die vorliegende Erfindung einerseits auf
ein Polystyrolpräparat aus einem Polystyrolpolymeren, einem
halogenierten organischen Flammverzögerungsmittel und einer
stickstoffhaltigen organischen Verbindung aus der Gruppe von
Aminen, Amiden und Ammoniumverbindungen mit 20 bis 40 Kohlen
stoffatomen und ihren Mischungen, wobei die organische
stickstoffhaltige Verbindung in einer Menge zwischen 0,5 bis
50%, bezogen auf das Gewicht des Flammverzögerungsmittels,
verwendet wird.
In einer anderen Ausführungsform richtet sich die vorliegen
de Erfindung auf die Verwendung
eines Präparates, das ein halogeniertes
organisches Flammverzögerungsmittel und eine unten erläuter
te stickstoffhaltige organische Verbindung enthält, zur Flamm
verzögerung von Polystyrolharzen.
"Polystyrolharze" umfassen nicht nur Styrolhomopolymere, wie
kristallines Polystyrol, sondern auch Copolymere auf Styrol
basis, die eine Hauptmenge an Styrol enthalten, wie ABS
Harze, SAN Harze und hoch schlagfeste Polystyrole, die ein
Elastomeres, wie Kautschuk, in einer Menge enthalten, die bis
etwa 15 Gew.-% betragen kann. Die vorliegende Erfindung
eignet sich auch für expandiertes Polystyrol, das durch Ver
formen expandierbarer Polystyrolperlen oder durch Strang
pressen einer Mischung aus Polystyrol und einem Treibmittel
hergestellt werden kann. Es wurde festgestellt, daß expan
diertes Polystyrol, das durch Strangpressen von Polystyrol
harzen in Anwesenheit eines Treibmittels zusammen mit einer
erfindungsgemäß verwendeten stickstoffhaltigen Verbindung hergestellt
wurde, Zellen von durchschnittlich geringerer Größe hat als
ein ähnliches, expandiertes Polystyrol, das in Abwesenheit
einer solchen stickstoffhaltigen Verbindung hergestellt wurde.
Die Zellgröße eines in Anwesenheit einer erfindungsgemäß verwendeten
Ammoniumverbindung hergestellten, expandierten Polystyrols
variiert z. B. zwischen etwa 80 bis 100 µm, während die
Zellgröße etwa 200 µm beträgt, wenn keine Ammoniumver
bindung verwendet wird. Daher haben die aus den erfindungsge
mäßen Präparaten hergestellten, expandierten Polystyrole
eine geringere Dichte und verbesserte Selbstverlöschungs
eigenschaften und sind somit für viele Verwendungszwecke
besonders vorteilhaft.
Das Flammverzögerungsmittel ist eine halogenierte organische
Verbindung, insbesondere eine bromierte und/oder chlorierte
organische Verbindung. Diese halogenierten Verbindungen
werden gewöhnlich in solcher Menge verwendet, daß der Halogen
gehalt im Polystyrolpräparat mindestens etwa 0,2% beträgt.
Gehalte über etwa 15% bringen keine Vorteile. Im allgemeinen
liegt der Halogengehalt im endgültigen Polystyrolpräparat
zwischen etwa 0,5 und 10 Gew.-%. Diese Menge hängt hauptsäch
lich ab von der Art des halogenierten Flammverzögerungs
mittels; bromierte Verbindungen sind gewöhnlich aktiver als
die entsprechenden chlorierten Verbindungen und können daher
in geringeren Mengen verwendet werden. Diese Mittel und ihre
Verwendung sind bekannt. Typische halogenierte Flammverzöge
rungsmittel sind Acetylentetrabromid, Dibromtetrachlorethan,
Tetrachlorethan, Pentachlorethan, Hexachlor- oder Hexabrom
benzol, Tetrabrombutan, Polyhalogenbiphenyle, Polyhalogen
biphenylether, Perhalogenpentacyclododecane, Pentabrommono
chlorcyclohexan, feste und flüssige chlorierte Paraffine usw.
und Mischungen derselben.
Die erfindungsgemäß verwendeten stickstoffhaltigen organischen Verbin
dungen sind synergistische Verbindungen für die halogenier
ten organischen, als Flammverzögerungsmittel für Polystyrol
harze verwendeten Verbindungen. Diese stickstoffhaltigen
Verbindungen sind Amine, Amide oder Ammoniumverbindungen
mit etwa 20 bis etwa 40 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise 26
bis 40 Kohlenstoffatomen. Sie sind synergistisch sehr aktiv
und werden in einer Menge von etwa 0,5 bis
etwa 50%, bezogen auf das Gewicht des Flammverzögerungs
mittels, verwendet. Diese Menge hängt ab von der Art des
Flammverzögerungsmittels und von der Art der stickstoffhalti
gen Verbindung. Im allgemeinen kann die synergistische Ver
bindung in einer Menge zwischen etwa 0,02 und 2 Gew.-% des
Polystyrolharzes verwendet werden.
Die Wahl der stickstoffhaltigen organischen Verbindung hängt
wesentlich von deren Preis und Verfügbarkeit ab. Die erfindungsgemäß
verwendeten stickstoffhaltigen Verbindungen sind:
- a) sekundäre und tertiäre Amine der allgemeinen Formel N(R₁)(R₂)(R₃), in welcher R₁ für H oder einen Alkylrest mit 9 bis 18 Kohlenstoffatomen steht und R₂ und R₃, die gleich oder verschieden sein können, jeweils für einen Alkylrest mit 9 bis 18 Kohlenstoffatomen stehen;
- b) Fettsäureamide und Alkylen-bis-fettsäureamide mit mehr als 25 Kohlenstoffatomen, in welchen die Alkylengruppe 1 bis 5 Kohlenstoffatome enthält, wie Ethylen-bis-stearylamid;
- c) Ammoniumverbindungen, nämlich
- ci) Alkylpyridiniumbromide der Formel: in welcher R₄ für einen Alkylrest mit mindestens 15 Kohlenstoffatomen steht, oder
- cii) Ammoniumverbindungen der allgemeinen Formel:
in welcher X für Cl, Br oder Alkylsulfat steht und die
Reste R₅ bis R₈ jeweils für die Reste mit 1 bis 18 Kohlen
stoffatomen stehen, wobei die Gesamtzahl der Kohlen
stoffatome der Ammoniumverbindungen mindestens 20 beträgt
und ein Rest der Reste R₅ bis R₈ auch für Wasserstoff
stehen kann. Als Beispiele kann man die folgenden, bevor
zugten Ammoniumverbindungen nennen, in welchen
- 1. R₅ und R₇ für Methylreste stehen; R₆ einen Alkylrest mit mindestens 9 Kohlenstoffatomen bedeutet, wie Lauryl oder Stearyl; R₈ dieselbe Bedeutung hat wie R₆ oder für einen Benzylrest steht; und X für Cl oder Br steht;
- 2. R₅ und R₇ jeweils Methyl bedeuten; R₆ für einen Di alkylphenoxyethoxyethylrest, vorzugsweise Diisobutyl phenoxyethoxyethyl, steht; R₈ ein Benzylrest ist und X für Cl oder Br steht;
- 3. R₅ und R₇ jeweils Methyl bedeuten, R₆ für einen Alkyl rest mit mindestens 4 Kohlenstoffatomen steht, wie Butyl oder Hexyl; R₈ H bedeutet und X für eine Alkyl sulfatgruppe steht, deren Alkylrest mindestens 12 Kohlenstoffatome enthält, wie Lauryl oder Stearyl.
Die erfindungsgemäß verwendeten stickstoffhaltigen organischen Ver
bindungen können in das Harz einverleibt werden, indem man
das Polystyrolharz, das Flammverzögerungsmittel und die
stickstoffhaltige Verbindung und wahlweise andere übliche
Zusätze, wie Farbstoffe, Schmiermittel usw. innig mischt.
Die stickstoffhaltige Verbindung kann dem Styrolmonomeren
oder der monomeren und/oder polymeren Mischung auch vor
der Polymerisation zugefügt werden.
Einige Flammverzögerungsmittel, insbesondere solche mit
einer hohen Wärmebeständigkeit, werden zweckmäßig in Mischung
mit Antimonoxid verwendet. Es wurde gefunden, daß die zuzu
fügende Antimonoxidmenge um etwa 50% unter die üblicher
weise verwendete Menge verringert werden kann, ohne daß
Nachteile bezüglich der Flammverzögerungseigenschaften oder
Wärmebeständigkeit des endgültigen Polystyrolpräparates
auftreten, wenn in das Präparat als Synergist eine der obigen stick
stoffhaltigen Verbindungen einverleibt wird. Die Menge des
gegebenenfalls verwendeten Antimonoxids liegt gewöhnlich
nicht über 7 Gew.-% des Polystyrolharzes. Diese Menge hängt
ab von Art und Menge des Flammverzögerungsmittels und kann
gewöhnlich zwischen etwa 2 und 5% variieren. Mit anderen
Flammverzögerungsmitteln, insbesondere mit halogenierten
aliphatischen Verbindungen, ist die Verwendung von Antimon
oxid nicht notwendig.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen die vorliegende
Erfindung.
Die Selbstverlöschungseigenschaften der Polystyrolpräparate
wurden an Proben von 12,70×1,27×0,32 cm nach dem fol
genden Verfahren gemessen:
Jede Probe wurde mit der größeren Dimension in vertikaler
Richtung bei einem Abstand zwischen dem unteren Proben
ende und dem oberen Brennerende von 0,95 cm aufgehängt.
Der Brenner wurde angemacht und auf eine Flamme von 1,9
cm Höhe eingestellt. Luft wurde mit dem Gas vorgemischt,
um jegliche gelbe Flammenspitze zu vermeiden. Diese Flamme
wurde 10 Sekunden unter das untere Probenende gehalten, der
Brenner wurde entfernt, und es wurde die flammenbildende
Brennzeit gemessen. Sofort nach dem Verlöschen wurde die
Flamme erneut 10 Sekunden unter die Probe gehalten, worauf
der Brenner wiederum entfernt und die Brennzeit mit Flammen
bildung gemessen wurde. Die in den vorliegenden Beispielen
angegebenen Daten sind der Durchschnitt von 20 aufeinander
folgenden Tests (10 Proben und 2 Bestimmungen pro Probe).
Im Fall von verschäumten Polystyrol wurde dasselbe Ver
fahren angewendet, die Flamme wurde jedoch nur 1mal für
eine Dauer von 3 Sekunden unter die Probe gehalten.
Falls nicht anders angegeben, sind alle Gewichtsprozent
angaben auf das Gewicht des gesamten Präparates bezogen.
Es wurden Präparate hergestellt aus kristallinem Polystyrol,
0,75% Pentabrommonochlorcyclohexan, 0,05% Di-tert.-butyl
hydroxytoluol (BHT), 0,035% Zinkstearat und 0,20% der
folgenden synergistischen Verbindungen. Die Selbstverlö
schungszeiten waren wie folgt:
Synergist | |
Brennzeit mit Flammenbild. sec | |
Stearyldimethylbenzylammoniumchlorid | |
0,42 | |
Distearyldimethylammoniumchlorid | 0,44 |
Dilauryldimethylammoniumbromid | 0,23 |
Diisobutylphenoxyethoxyethyldimethylbenzylammoniumchloridmonohydrat | 0,51 |
Cetylpyridiniumbromid | 2,07 |
Ethylen-bis-stearylamid | 0,87 |
Distearylamin | 0,54 |
Trilaurylamin | 0,80 |
Hexyldimethylammoniumstearylsulfat | 0,44 |
Ein ähnliches Präparat, jedoch ohne jeden Synergisten,
hatte eine Brennzeit mit Flammenbildung von 11,71 sec.
Es wurden Präparate hergestellt aus kristallinem Polystyrol,
0,05% BHT, 0,035% Zinkstearat und einem Flammverzögerungs
mittel (Art und Menge in der folgenden Tabelle angegeben)
sowie Dilauryldimethylammoniumchlorid in der in der
folgenden Tabelle genannten Menge als Synergist.
Es wurden Präparate hergestellt aus hoch schlagfestem Poly
styrol (mit 6% Kautschukgehalt), 0,05% BHT, 0,035% Zink
stearat und einem Flammverzögerungsmittel der in der folgen
den Tabelle genannten Art und Menge sowie Dilauryldimethyl
ammoniumchlorid als Synergist in der genannten Menge und
Antimonoxid, Sb₂O₃, in der ebenfalls angegebenen Menge.
Polystyrol wurde hergestellt durch Suspensionspolymerisation
von Styrol in Anwesenheit von Pentabrommonochlorcyclohexan
(1%) und Distearyldimethylammoniumchlorid (0,15%). Die
Polystyrolperlen wurden mit Wasser gewaschen und dann eine
Nacht bei 75°C unter Vakuum gehalten.
Die Brennzeit mit Flammenbildung der aus diesem Polystyrol
hergestellten Proben betrug 0,46 Sekunden.
Es wurde ein Präparat hergestellt aus hoch schlagfestem
Polystyrol (mit 5% Kautschukgehalt), 10% Decabromdiphenyl,
3% Sb₂O₃ und 0,5% Trilaurylamin.
Die Brennzeit mit Flammenbildung betrug 1,10 Sekunden.
Ein ähnliches Präparat ohne das Fettamin hatte eine Brenn
zeit mit Flammenbildung von 2,18 Sekunden.
Expandierte Polystyrolproben wurden durch Spritzgußverfor
mung von expandierbaren Polystyrolperlen hergestellt, die
Pentan als Treibmittel enthielten. Diesen Perlen wurden 1,5%
Pentabrommonochlorcyclohexan und 0,2% Dilauryldimethyl
ammoniumchlorid zugefügt.
Die Brennzeit mit Flammenbildung betrug 0,70 Sekunden
(im Vergleich zu 3,21 Sekunden in Abwesenheit der Ammonium
verbindung).
Proben aus expandiertem Polystyrol wurden hergestellt
und durch Strangpressen von Polystyrol in Anwesenheit einer
Treibmittelmischung (aus gleichen Gew.-Teilen CF₂Cl₂ und
CFCl₃), 3% Pentabrommonochlorcyclohexan und 0,1% Di
stearyldimethylammoniumchlorid.
Die Brennzeit mit Flammenbildung betrug 1,10 Sekunden. Die
Zellen des expandierten Polystyrols hatten eine durchschnitt
liche Größe von 80 µm, die Dichte des Endproduktes war
35 kg/m³.
Ein ähnliches, jedoch ohne die Ammoniumverbindung hergestell
tes Produkt hatte die folgenden Eigenschaften:
Brennzeit mit Flammenbildung 4,38 sec
Zellengröße 200 µm
Dichte 39 kg/m³.
Zellengröße 200 µm
Dichte 39 kg/m³.
Es wurde ein Präparat hergestellt aus kristallinem Poly
styrol, 5% chloriertem Paraffin (durchschnittlich 25 Koh
lenstoffatome, Chlorgehalt=70%), 0,1% BHT, 0,035%
Zinkstearat und 0,2% Distearyldimethylammoniumchlorid.
Die Brennzeit mit Flammenbildung betrug 10,6 Sekunden.
Ein ähnliches Präparat, jedoch ohne Ammoniumverbindung, hatte
eine Brennzeit mit Flammenbildung von mehr als 60 Sekunden.
Es wurde ein Präparat hergestellt aus einem ABS Harz (mit
einem Gehalt von 7% Butadien und 17% Acrylnitril), 12%
Decabromdiphenyloxid, 5% Sb₂O₃ und 2% Distearyldimethyl
ammoniumchlorid. Die Brennzeit mit Flammenbildung betrug
1,17 Sekunden. Ein ähnliches Präparat, jedoch ohne Ammonium
verbindung, hatte eine Brennzeit mit Flammenbildung von
3,48 Sekunden.
Claims (13)
1. Selbstverlöschendes Polystyrolpräparat, umfassend ein
Polystyrolharz, eine flammverzögernde Menge eines halo
genierten organischen Flammverzögerungsmittels und eine
stickstoffhaltige organische Verbindung mit etwa 20 bis 40
Kohlenstoffatomen aus der Gruppe von
- a) sekundären oder tertiären Aminen der Formel N(R₁)(R₂)(R₃), in welcher R₁ für H oder einen Alkylrest mit 9 bis 18 Kohlen stoffatomen steht und R₂ und R₃, die gleich oder verschie den sind, jeweils für einen Alkylrest mit 9 bis 18 Kohlen stoffatomen stehen;
- b) Fettsäureamiden und Alkylen-bis-fettsäureamiden mit mehr als 25 Kohlenstoffatomen, wobei die Alkylengruppen 1 bis 5 Kohlenstoffatome enthalten;
- c) Ammoniumverbindungen aus der Gruppe von
- ci) Alkylpyridiniumbromiden der Formel in welcher R₄ für einen Alkylrest mit mindestens 15 Kohlenstoffatomen steht; oder
- cii) Ammoniumverbindungen der Formel: in welcher X für Cl, Br oder Alkylsulfat steht und die Reste R₅ bis R₈ jeweils einen Rest mit 1 bis 18 Kohlenstoffatomen bedeuten, wobei einer der Reste auch für Wasserstoff stehen kann, oder
- d) Mischungen derselben,
wobei die stickstoffhaltige Verbindung in einer Menge von
etwa 0,5 bis 50%, bezogen auf das Gewicht des Flammver
zögerungsmittels, anwesend ist.
2. Präparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die stickstoffhaltige Verbindung in einer Menge zwischen
etwa 0,01 und 5 Gew.-%
des Polystyrolharzes verwendet wird.
3. Präparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es zu
sätzlich Antimonoxid in einer Menge nicht über etwa 7 Gew.-%
des Polystyrol
harzes enthält.
4. Präparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Polystyrolharz Homopolystyrol oder ein Styrolcopoly
meres, das eine wesentliche Menge Styrol enthält,
ist.
5. Präparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Polystyrolharz ein expandiertes Harz ist.
6. Präparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Flammverzögerungsmittel Acetylentetrabromid, Dibrom
tetrachlorethan, Tetrachlorethan, Pentachlorethan, Hexa
chlor- oder Hexabrombenzol, Tetrabrombutan, ein Poly
halogenbiphenyl, ein Polyhalogenbiphenylether, ein Per
halogenpentacyclododecan, Pentabrommonochlorcyclohexan,
ein chloriertes Paraffin oder eine Mischung derselben ist.
7. Präparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die stickstoffhaltige organische Verbindung eine Ammonium
verbindung der Formel
ist, in welcher
- i) R₅ und R₇ jeweils einen Methylrest bedeuten, R₆ für einen Alkylrest mit mindestens 9 Kohlenstoffatomen steht, R₈ dieselbe Bedeutung wie R₆ hat oder einen Benzylrest bedeutet und X für Cl oder Br steht; oder
- ii) R₅ und R₇ jeweils einen Methylrest bedeuten, R₆ für einen Dialkylphenoxyethoxyethylrest steht, R₈ einen Benzylrest bedeutet und für Cl oder Br steht; oder
- iii) R₅ und R₇ jeweils einen Methylrest bedeuten, R₆ für einen Alkylrest mit mindestens 4 Kohlenstoffatomen steht, R₈ für H steht und X eine Alkylsulfatgruppe bedeutet, in welcher der Alkylrest mindestens 12 Koh lenstoffatome enthält.
8. Präparat nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß R₆ in Verbindung i) für Lauryl oder Stearyl steht.
9. Präparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
R₆ in Verbindung iii) für Butyl oder Hexyl steht und der
Alkylrest der Alkylsulfatgruppe Lauryl oder Stearyl ist.
10. Präparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die stickstoffhaltige Verbindung Stearyldimethylbenzyl
ammoniumchlorid, Distearyldimethylammoniumchlorid, Dilau
ryldimethylammoniumbromid, Diisobutylphenoxyethoxyethyl
dimethylbenzylammoniumchloridmonohydrat, Cetylpyridinium
bromid, Ethylen-bis-stearylamid, Distearylamin, Trilauryl
amin, Hexyldimethylammoniumstearylsulfat oder Dilauryldi
methylammoniumchlorid ist.
11. Verwendung eines Präparates, das ein halogeniertes
organisches Flammverzögerungsmittel und eine stickstoff
haltige organische Verbindung mit 20 bis 40 Kohlenstoff
atomen aus der Gruppe von
- a) sekundären oder tertiären Aminen der Formel N(R₁)(R₂)(R₃), in welcher R₁ für H oder einen Alkylrest mit 9 bis 18 Kohlen stoffatomen steht und R₂ und R₃, die gleich oder verschie den sind, jeweils für einen Alkylrest mit 9 bis 18 Kohlen stoffatomen stehen;
- b) Fettsäureamiden und Alkylen-bis-fettsäureamiden mit mehr als 25 Kohlenstoffatomen, wobei die Alkylengruppen 1 bis 5 Kohlenstoffatome enthalten;
- c) Ammoniumverbindungen aus der Gruppe von
- ci) Alkylpyridiniumbromiden der Formel in welcher R₄ für einen Alkylrest mit mindestens 15 Kohlenstoffatomen steht; oder
- cii) Ammoniumverbindungen der Formel in welcher X für Cl, Br oder Alkylsulfat steht und die Reste R₅ bis R₈ jeweils einen Rest mit 1 bis 18 Kohlenstoffatomen bedeuten, wobei einer der Reste auch für Wasserstoff stehen kann, oder
- d) Mischungen derselben; enthält,
wobei die stickstoffhaltige Verbindung in einer Menge
von etwa 0,5 bis 50%, bezogen auf das Gewicht des Flammver
zögerungsmittels, anwesend ist; zur Flammverzögerung von
Polystyrolharzen.
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