DE602004008520T2 - Halogenfreies flammhemmendes Material - Google Patents

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Description

  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Die vorliegende Erfindung ist auf ein flammhemmendes Material ausgerichtet. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein flammhemmendes Material, welches andere als halogenhaltige Verbindungen dazu verwendet, die synergistische Wirkung der Flammhemmung zu verstärken.
  • Plattenmaterialien werden in vielen Anwendungen als Flammhemmer oder -barrieren verwendet. Um einem speziellen Bedarf oder einer Anwendung zu entsprechen, werden diese Materialien häufig in Platten oder in anderen Formen hergestellt, um einen Teil einer Konstruktion oder eines Konstruktionsteils von Elektroschränken zu bilden oder an einer Konstruktion oder einem Konstruktionsteil von Elektroschränken anzuliegen, welche elektrische oder elektronische Geräte und dergleichen enthalten. Diese Materialien können nicht nur als ein Flammhemmer dienen, sondern sie können ebenso als ein elektrischer Isolator dienen.
  • Einige bekannte Materialien verwenden Polypropylen (wie ein Homopolymer oder wie ein Ethylen-Polypropylen-Copolymer) als das „Grund"-Material mit zusätzlichen Flammhemmern. Flammhemmer sind zum Beispiel halogenhaltige organische Materialien wie zum Beispiel Bis(2,3-dibrompropylether) von Tetrabrombisphenol A, Tetrabrombisphenol A-bis(2-hydroxyethylether), Tetrabrombisphenol A-bis(allylether), Hexabromcyclodecan, Decabromdiphenyloxid, Octabromdiphenyloxid, Pentabromdiphenyloxid, 2,4,6-Tribromphenol, Poly-dibromphenylenoxid, Bis(tribromphenoxy)ethan, Tetrabromphthalanhydrid oder Tetrabromphthalatdiol. Der halogenhaltige Flammhemmer kann mit einer synergistischen Substanz kombiniert werden, um die Wirksamkeit des halogenhaltigen organischen Flammhemmers zu verbessern. Die synergistische Substanz kann ein Metalloxid wie beispielsweise Anti monoxid oder ein Salz wie beispielsweise Natriumantimonat sein. Das Verhältnis des halogenhaltigen organischen Flammhemmers zu der synergistischen Substanz liegt in dem Bereich von annähernd 2:1 bis annähernd 3:1. Ein beispielhaftes Material wird in der US-Patentschrift Nr. 5,521,003 von Lo et al. beschrieben. Diese Patentschrift wird im Allgemeinen der vorliegenden Anwendung zugeordnet.
  • Während diese Materialien ganz gut für ihren Verwendungszweck funktionieren, z. B. Flammhemmung und elektrische Isolierung, enthalten sie dennoch halogenhaltige Materialien und Metalloxide, welche beide als Materialien angesehen werden, die aufgrund ihrer möglicherweise ungünstigen Auswirkung auf die Umwelt vermieden werden sollten. Obwohl diese Materialien einige unerwünschte Bestandteile aufweisen, haben sie dennoch gleichwohl bestimmte vorteilhafte und nützliche Eigenschaften wie zum Beispiel die Fähigkeit, geformt zu werden (typischerweise durch ein Extrusionsverfahren), wodurch diese Materialien leicht in Form gebracht oder in starren flammhemmenden Konstruktionen hergestellt werden können. Folglich werden andere Materialien gesucht, welche ähnliche Funktionen erfüllen und ähnliche „Form"-Eigenschaften aufweisen, aber geringere oder keine ernsthaften Auswirkungen auf die Umwelt haben.
  • Dementsprechend besteht ein Bedarf an einem leicht extrudierbaren oder formbaren flammhemmenden Material. Wünschenswerterweise liefert solch ein Material die Flammhemmungseigenschaften von bekannten, zurzeit verwendeten Materialien, während der Anteil an möglicherweise umweltgefährdenden Materialien verringert wird. Am meisten wird es gewünscht, dass solch ein flammhemmendes Material den Bedarf an halogenhaltigen Verbindungen und Metalloxiden in der Formulierung beseitigt.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Eine flammhemmende Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung enthält ein Grundmaterial auf der Basis eines Polypropylen-Homopolymers, ein halogenfreies flammhemmendes Material und ein Tonmaterial, vorzugsweise ein Silikat mit einer Partikelgröße von weniger als 500 Nanometern, welches in einer Konzentration von etwa 1 Gewichtsprozent der Zusammensetzung vorhanden ist. Die synergistische Substanz ist im Wesentlichen frei von Metalloxiden. Gemäß eines Aspekts der Erfindung ist die synergistische Substanz ebenfalls im Wesentlichen frei von Schwermetallen. Die flammhemmende Zusammensetzung erfüllt eine Entflammbarkeits-Einstufung von mindestens V-2, wenn gemäß den UL-Testbedingungen geprüft wurde.
  • Eine gegenwärtige Zusammensetzung liefert die Flammhemmungseigenschaften von bekannten, zurzeit verwendeten Materialien, verringert aber den Anteil an möglicherweise umweltgefährdenden Materialien wie halogenhaltigen Materialien und Metalloxiden. Wünschenswerte Eigenschaften von solch einem Material sind leichte Extrudierbarkeit und Formbarkeit.
  • Diese und andere Besonderheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den angefügten Patentansprüchen deutlich werden.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Eine/Ein gegenwärtige(s) halogenfreie(s) flammhemmende(s) Zusammensetzung oder Material enthält Polypropylen mit geringem Schmelzfluss, welches mit einem komplexen Salz und Feinpartikelsilikat kombiniert wurde, um flammhemmende Eigenschaften zu liefern, die leichter mit halogenhaltigen flammhemmenden Materialien erreicht werden. In einem gegenwärtigen halogenfreien flammhemmenden Material, wie es zuvor dargelegt wurde, ist das Grundmaterial ein Polypropylen-Homopolymer mit geringem Schmelzfluss.
  • Wie dem Fachmann bekannt sein wird, ist ein Schmelzflussindex von etwa 1,0 für Material zum Formen von Plattenprodukten annehmbar, zum Beispiel für ein Extrusionsverfahren. Höhere Schmelzflussindizes sind allgemein wünschenswert für andere Formverfahren (z. B. Indizes von etwa 12,0 für Spritzgussverfahren), und es wird angenommen, dass die Verwendung von Mischungen aus Polypropylen-Homopolymer und Copolymeren von Ethylen und Propylen solche Eigenschaften sowie andere gewünschte Eigenschaften liefern kann. Es wird ebenfalls angenommen, dass derartige Polymermischungen Materialien bereitstellen können, welche Eigenschaften aufweisen, die das Einschneiden und Biegen ohne Brüche und Rissbildungen ermöglichen, und, was wesentlich ist, ohne dass die flammhemmenden Eigenschaften verlorengehen oder beeinträchtigt werden.
  • In dem gegenwärtigen flammhemmenden Material ist das Salz ein Ethylendiaminphosphat- und Melamin-Flammhemmer, welcher in einer Konzentration von etwa 30 bis etwa 35 Prozent vorhanden ist. Ein gegenwärtiger Flammhemmer ist von der Unitex Chemical Corporation aus Greensboro, North Carolina, USA, unter der Produktnummer FRX 44-94S erhältlich.
  • Es wurde herausgefunden, dass das Feinpartikelsilikat eine synergistische Wirkung für den Flammhemmer bereitstellt. Das heißt, dass eine geringe Menge an Silikat eine verminderte Beladung mit einem Flammhemmer (z. B. Salz) für das Material ermöglicht. In einem gegenwärtigen flammhemmenden Material wird ein natürliches Feinpartikel-Montmorillonit verwendet, welches mit einem quaternären Ammoniumsalz modifiziert wurde. Ein beispielhaftes/r Silikat oder Ton ist von Southern Clay Products, Inc. aus Gonzales, Texas, USA, unter der Handelsmarke CLOISITE® 20A erhältlich. Das Material wird als ein Feinpartikelmaterial geliefert, welches eine 90-prozentige Partikelgröße von weniger als 13 μm, eine 5-prozentige Partikelgröße von weniger als 6 μm und eine 10-prozentige Partikelgröße von weniger als 2 μm aufweist. Montmorillonit ist ein 2-zu-1-schichtiges Bentonit-Tonmineral mit einer Plattenstruktur, in der die Dicke der einzelnen Plättchen annähernd 1 nm beträgt. Dementsprechend bezeichnet der Fachmann diesen Ton häufig als „Nanoton". In einer Ausführungsform weist der Ton eine Partikelgröße von 500 Nanometern oder weniger auf.
  • Ein bevorzugtes feuerhemmendes Material enthält ebenso ein Antioxidationsmittel. Ein beispielhaftes Antioxidationsmittel ist ein Material mit hohem Molekulargewicht und geringer Flüchtigkeit, welches den Abbau des polymeren Grundmaterials (z. B. Polypropylen) verhindert oder verlangsamt. Solch ein Antioxidationsmittel kann ebenfalls die Verfärbung bei hohen Temperaturen verhindern oder verlangsamen. Ein gegenwärtiges Antioxidationsmittel ist ein phenolbasiertes Material wie ein Tetrakismethylen(3,5-di-t-butyl-4-hydroxyhydrocinnamat)-methan, das im Handel von der Great Lakes Chemical Corporation aus Indianapolis, Indiana, USA, unter dem Produktnamen Anox 20 erhältlich ist. Das flammhemmende Material kann ebenso einen Metall-(z. B. Kupfer)Deaktivator wie 3-(N-salicyloyl)amino-1,2,3-triazol enthalten, welcher im Handel von der Amfine Chemical Corporation aus Allendale, New Jersey, USA, unter dem Produktnamen CDA-1 erhältlich ist.
  • Es wurde herausgefunden, dass die Verwendung des Tons die Verringerung des Anteils, d. h. des Gewichtsprozents, an Flammhemmer (z. B. Salz) erleichtert, welcher für das Erreichen der gewünschten Materialeigenschaften erforderlich ist. In dem gegenwärtigen Material ist das „Grund"-Material auf der Basis eines Polypropylens in einer Konzentration von etwa 60 Gewichtsprozent bis etwa 70 Gewichtsprozent vorhanden, der Flammhemmer (z. B. Salz) ist in einer Konzentration von etwa 25 Prozent bis etwa weniger als 45 Prozent vorhanden, und vorzugsweise von etwa 30 Prozent bis 35 Prozent, und der Ton ist in einer Konzentration von etwa 1 Gewichtsprozent vorhanden. Dies steht im Gegensatz zu anderen halogenfreien Systemen, welche typischerweise Beladungen mit flammhemmendem Material von etwa 60 Prozent erfordern, und phosphorbasierten Brandschutzsystemen, welche typischerweise etwa 45-prozentige Beladungen erfordern.
  • Verschiedene Formulierungen des gegenwärtigen flammhemmenden Materials wurden Flammtests ausgesetzt, um die Wirksamkeit des Materials unter Bedingungen zu bestimmen, welche von den Underwriter's Laboratories (UL) festgelegt wurden, und zwar den UL 94-Einstufungen. Es wurden drei Formulierungen getestet. In einer ersten Formulierung mit der Bezeichnung „Mischung 2" war der Flammhemmer (z. B. das FRX-Material) in einer Konzentration von 35 Prozent vorhanden, sie verfügte jedoch nicht über das Tonmaterial. In der zweiten Formulierung mit der Bezeichnung „Mischung 4" war das flammhemmende Material in einer Konzentration von 30 Prozent vorhanden, und der Nanoton war in einer Konzentration von 1 Prozent vorhanden. In der dritten Formulierung mit der Bezeichnung „Mischung 5" war der Flammhemmer in einer Konzentration von 30 Prozent vorhanden, und ein sogenannter Verkohlungs-Förderer war in einer Konzentration von 1 Prozent vorhanden. (Der Verkohlungs-Förderer ist ebenfalls im Handel von Unitex Chemical unter der Produktnummer 5066 erhältlich).
  • Jede der Formulierungen enthielt ebenfalls ein Antioxidationsmittel (Anox 20), welches in einer Konzentration von 1 Prozent vorhanden war, und einen Metalldeaktivator (CDA-I) (3-(N-Salicylocyl)amino-1,2,3-triazol), welcher in einer Konzentration von 0,30 Prozent vorhanden war. Polypropylen-Homopolymer bildete den restlichen Teil des Materials (d. h. in Mischung 1 und 2, Polypropylen war in der Mischung 2 in einer Konzentration von 63,7 Prozent vorhanden und in den Mischungen 4 und 5 in einer Konzentration von 67,7 Prozent). Die im Folgenden dargestellte Tabelle 1 zeigt in Tabellenform die Bestandteile der Mischungen.
    MISCHUNG NR. GRUNDMATERIAL GEWICHT, kg GEWICHT, %
    2 35 % FRX
    Homopolymer PP 289 63,70 %
    FRX 44-94S 159 35 %
    Verkohlungs-Förderer 5066 0 0 %
    Cloisite 20A, Nanoton 0 0 %
    Adk Stab CDA-1 1,36 0,30 %
    Annox 20 4,54 1 %
    Gesamt 454 100,00 %
    4 30 % FRX und 1 % Nanoton
    Homopolymer PP 154 67,70 %
    FRX 44-94S 68 30,00 %
    Verkohlungs-Förderer 5066 0 0,00 %
    Cloisite 20A, Nanoton 2,27 1,00 %
    Adk Stab CDA-1 0,68 0,30 %
    Annox 20 2,27 1,00 %
    Gesamt 227 100,00 %
    5 30 % FRX und 1% Verkohlungs-Förderer
    Homopolymer PP 154 67,70 %
    FRX 44-94S 68 30,00 %
    Verkohlungs-Förderer 5066 2,27 1,00 %
    Cloisite 20A, Nanoton 0 0,00 %
    Adk Stab CDA-1 0,68 0,30 %
    Annox 20 2,27 1,00 %
    Gesamt 227 100,00 %
    TAELLE 1 – HALOGENFREIE FEUERHEMMENDE POLYPROPYLEN-FORMULIERUNGEN
  • Wie zuvor dargelegt wurde, wurden Materialproben von jeder der Mischungen unter Verwendung der UL-spezifizierten Bedingungen getestet, um die Wirksamkeit der Einbeziehung von Ton und der gleichzeitig bestehenden Feuerhemmer-(Salz-)Reduktion zu bestimmen. Die Proben wurden an einer Einspannung aufgehängt, und es wurde für den ersten Brenntest eine Flamme über einen Zeitraum oft Sekunden unter die Probe gehalten. Die Flamme wurde dann entfernt und dann für den zweiten Brenntest über einen zweiten Zeitraum oft Sekunden unter die Probe gehalten, gemäß dem UL-Standard 94.
  • Die Ergebnisse der Tests werden dargestellt als: null (0), was bedeutet, dass die Probe sofort von selbst erlosch; ein genau bestimmter Zeitraum, was bedeutet, dass die Probe über diesen Zeitraum weiterbrannte; oder CI, was bedeutet, dass die Probe „tropfte" und eine Baumwollunterlage unter der Probe entzündete. Die Bezeichnung AB wird verwendet, um anzuzeigen, dass die „Zeit" nach dem Brennen lief, das heißt, dass die Probe über den angezeigten Zeitraum weiterbrannte.
  • Die Ergebnisse der Tests werden im Folgenden in den Tabellen 2–4 dargestellt. Die Daten in Tabelle 2 repräsentieren den Entflammbarkeitstest von Mischung 2 in der vertikalen Richtung und in der Laufrichtung. Die vertikale Richtung zeigt die Ergebnisse für Proben, welche in der Einspannung in einer Orientierung quer zu der Richtung gehalten wurden, in der die Platten aus einem Extruder extrudiert wurden. Umgekehrt zeigt die Laufrichtung die Ergebnisse für Proben, welche während der Tests in der gleichen Richtung ausgerichtet waren wie die Richtung, in der die Platten aus dem Extruder extrudiert wurden. Die Proben von Mischung 2 wurden bei einer Probengröße von 6,9 × 10–4 m Dicke und 0,013 m Breite getestet. Die Proben der Materialien von Mischung 4 wurden bei zwei verschiedenen Größen getestet, 6,9 × 10–4 m Dicke und 0,013 m Breite (Tabelle 3A) und 3,8 × 10–4 m Dicke und 0,013 m Breite (Tabelle 3B). Die Proben der Materialien von Mischung 5 wurden bei zwei verschiedenen Größen getestet, 3,8 × 10–4 m Dicke und 0,013 m Breite (Tabelle 4A) und 1,45 × 10–3 m Dicke und 0,013 m Breite (Tabelle 4B). TABELLE 2 – ERGEBNISSE DER ENTFLAMMBARKEITSTESTS MISCHUNG 2
    Vertikale Richtung Erster Brenntest Zweiter Brenntest Anmerkungen
    1 5 sek AB CI @ 6 sek SE, CI
    2 5 sek AB CI @ 6 sek SE, CI
    3 4 sek AB CI @ 6 sek SE, CI
    4 1 sek AB CI @ 6 sek SE, CI
    5 1 sek AB CI @ 6 sek SE, CI
    Laufrichtung Erster Brenntest Zweiter Brenntest Anmerkungen
    1 0 CI @ 2 sek SE, CI
    2 0 CI @ 3 sek SE, CI
    3 1 sek AB CI @ 3 sek SE, CI
    4 0 CI @ 4 sek SE, CI
    5 0 CI @ 1 sek SE, CI
    TABELLE 3A – ERGEBNISSE DER ENTFLAMMBARKEITSTESTS MISCHUNG 4 PROBE BEI 6,9 × 10–4 m DICKE UND 0,013 m BREITE
    Vertikale Richtung Erster Brenntest Zweiter Brenntest Anmerkungen
    1 1 sek AB CI @ 5 sek SE, CI
    2 1 sek AB CI @ 5 sek SE, CI
    3 1 sek AB CI @ 5 sek SE, CI
    4 0 CI @ 5 sek SE, CI
    5 0 CI @ 7 sek SE, CI
    Laufrichtung Erster Brenntest Zweiter Brenntest Anmerkungen
    1 0 CI @ 9 sek SE, CI
    2 0 CI @ 9 sek SE, CI
    3 0 CI @ 10 sek, 2 sek AB SE, CI
    4 0 CI @ 10 sek, 2 sek AB SE, CI
    5 0 CI @ 10 sek, 2 sek AB SE, CI
    TABELLE 3B – ERGEBNISSE DER ENTFLAMMBARKEITSTESTS MISCHUNG 4 PROBE BEI 3,8 × 10–4 m DICKE UND 0,013 m BREITE
    Vertikale Richtung Erster Brenntest Zweiter Brenntest Anmerkungen
    1 0 CI @ 5 sek SE, CI
    2 1 sek AB CI @ 3 sek SE, CI
    3 0 CI @ 2 sek SE, CI
    4 3 sek AB, CI N/A SE, CI
    5 0 CI @ 5 sek SE, CI
    Laufrichtung Erster Brenntest Zweiter Brenntest Anmerkungen
    1 1 sek AB CI @ 5 sek SE, CI
    2 1 sek AB CI @ 4 sek SE, CI
    3 2 sek AB CI @ 3 sek SE, CI
    4 2 sek AB CI @ 1 sek, 2 sek AB SE, CI
    5 1 sek AB CI @ 4 sek SE, CI
    TABELLE 4A – ERGEBNISSE DER ENTFLAMMBARKEITSTESTS MISCHUNG 5 PROBE BEI 3,8 × 10–4 m DICKE AND 0,013 m BREITE
    Vertikale Richtung Erster Brenntest Zweiter Brenntest Anmerkungen
    1 0 Cl @ 6 sek SE, CI
    2 3 sek AB CI @ 6 sek SE, CI
    3 3 sek AB Cl @ 6 sek SE, CI
    4 2 sek AB CI @ 6 sek SE, CI
    5 2 sek AB CI @ 6 sek SE, CI
    Laufrichtung Erster Brenntest Zweiter Brenntest Anmerkungen
    1 1 sek AB CI @ 9 sek, 1 sek AB SE, CI
    2 0 0 SE
    3 1 sek AB Cl @ 5 sek, 3 sek AB SE, CI
    4 0 CI @ 6 sek, 2 sek AB SE, CI
    5 1 sek AB CI @ 8 sek, 1 sek AB SE, CI
    TABELLE 4B – ERGEBNISSE DER ENTFLAMMBARKEITSTESTS MISCHUNG 5 PROBE BEI 1,45 × 10–3 m DICKE UND 0,013 m BREITE
    Vertikale Richtung Erster Brenntest Zweiter Brenntest Anmerkungen
    1 0 0 SE
    2 0 1 sek AB SE
    3 0 0 SE
    4 0 3 sek AB SE
    5 1 sek AB 0 SE
    Laufrichtung Erster Brenntest Zweiter Brenntest Anmerkungen
    1 0 2 sek AB SE
    2 0 2 sek AB SE
    3 0 1 sek AB SE
    4 0 0 SE
    5 0 1 sek AB SE

Claims (5)

  1. Flammhemmende Zusammensetzung, umfassend: ein polymeres Grundmaterial auf der Basis eines Polypropylen-Homopolymers mit einem Schmelzindex von ungefähr 1,0, vorhanden in einer Konzentration von 60 bis 70 Prozent nach Gewicht der Zusammensetzung; ein halogenfreies, flammhemmendes Phosphatsalz-Material, vorhanden in einer Konzentration von 25 bis weniger als 45 Gewichtsprozent der Zusammensetzung; und ein Tonmaterial, vorhanden in einer Konzentration von 1 Prozent nach Gewicht der Zusammensetzung, wobei das Tonmaterial frei von Metalloxiden ist; wobei die flammhemmende Zusammensetzung eine Entflammbarkeits-Einstufung von mindestens V-2 erfüllt, wenn gemäß den UL-Testbedingungen geprüft wurde.
  2. Flammhemmende Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das halogenfreie flammhemmende Material in einer Konzentration von 30 Prozent bis 35 Prozent nach Gewicht der Zusammensetzung vorhanden ist.
  3. Flammhemmende Zusammensetzung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Ton ein Nanoton ist.
  4. Flammhemmende Zusammensetzung nach Anspruch 3, wobei der Ton eine Partikelgröße von 500 Nanometern oder weniger aufweist.
  5. Flammhemmende Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das Grundmaterial auf der Basis eines Polypropylen-Homopolymers in einer Konzentration von 68 Prozent nach Gewicht der Zusammensetzung vorhanden ist, das Phosphatsalz des halogenfreien flammhemmenden Materials in einer Konzentration von 30 Prozent nach Gewicht der Zusammensetzung vorhanden ist und das Tonmaterial in einer Konzentration von 1 Prozent nach Gewicht der Zusammensetzung vorhanden ist.
DE602004008520T 2003-02-28 2004-02-16 Halogenfreies flammhemmendes Material Expired - Lifetime DE602004008520T2 (de)

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