EP1641718A1 - Kunststoffmasse, erzeugnis mit der kunststoffmasse und verwendung der kunststoffmasse - Google Patents

Kunststoffmasse, erzeugnis mit der kunststoffmasse und verwendung der kunststoffmasse

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EP1641718A1
EP1641718A1 EP04766086A EP04766086A EP1641718A1 EP 1641718 A1 EP1641718 A1 EP 1641718A1 EP 04766086 A EP04766086 A EP 04766086A EP 04766086 A EP04766086 A EP 04766086A EP 1641718 A1 EP1641718 A1 EP 1641718A1
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EP
European Patent Office
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glass
plastic
ceramic
plastic mass
product
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04766086A
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English (en)
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Inventor
Steffen Walter
Oliver Dernovsek
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BSH Hausgeraete GmbH
Original Assignee
BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH filed Critical BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Publication of EP1641718A1 publication Critical patent/EP1641718A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
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    • H01B3/18—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances
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    • C03C2214/12—Polymers
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    • C03C2214/00—Nature of the non-vitreous component
    • C03C2214/30—Methods of making the composites

Definitions

  • the invention relates to a plastic composition with at least one polymer, at least one organic starting compound at least one ceramic material and at least one glass material to form a glass ceramic with the ceramic material which has a glass and / or a starting material of the glass.
  • a product with the plastic mass and a use of the plastic mass is specified.
  • a plastic ace of the type mentioned, a product with the plastic mass and a use of the plastic mass are known from WO 01/85634 AI.
  • the plastic mass can be ceramized. This means that the plastic mass can be converted into a ceramic material by thermal decomposition (pyrolysis).
  • Plastic mass is a base material from which the
  • Plastic mass mainly consists.
  • Plastic mass is, for example, a polyorganosiloxane (polysiloxane, silicone, [P - 2 (SiO)] x ).
  • the polyorganosiloxane for example poly (dimethylsiloxane) ([(CH3) 2 (SiO)] x ), is not only the base material of the plastic mass, but also the organic starting compound of the ceramic material of the plastic mass.
  • the polyorganosiloxane for example poly (dimethylsiloxane) ([(CH3) 2 (SiO)] x .
  • Plastic mass on an inorganic starting material of the ceramic material for example aluminum oxide (AI2O3).
  • the glass material for forming the glass ceramic is, for example, a borosilicate glass.
  • the thermal decomposition of the plastic mass forms a glass ceramic that has ceramic phases and glass phases.
  • the thermal decomposition of the polyorganosiloxane in air (decomposition temperature Tz of about 500 ° C.) initially occurs a more or less porous, amorphous basic structure (matrix) made of silicon dioxide (Si ⁇ 2).
  • the silicon dioxide reacts at higher temperatures (1000 ° C to 1200 ° C) with the aluminum oxide to form the ceramic material in the form of an aluminum or aluminum silicate.
  • the ceramic material is, for example, the aluminum silicate mullite (I2O3 x SiC> 2) -
  • the presence of the borosilicate glass forms a glass ceramic with the ceramic material.
  • the borosilicate glass has a glass point Tg of approximately 560 ° C.
  • Tg glass point
  • the borosilicate glass leads to a compression of the starting compounds and / or of intermediate products of the ceramic material by viscous flow. This creates a high-density glass ceramic from the initially porous framework made of silicon dioxide.
  • the plastic compound is used, for example, as an FRNC (Flame Retardant Non Corrosive) cable sheathing for the electrical insulation of a cable. If the cable burns, the plastic mass is thermally decomposed.
  • the cable sheathing forms a dense, mechanically resilient, electrically insulating layer made of a glass ceramic. The cable will continue to function even in the event of a fire, at least for a certain period of time. Failure of a function of the cable due to a fire in the cable is delayed.
  • the plastic mass is converted into a very dense glass ceramic during a time-dependent thermal decomposition, which is associated with a very rapid increase in temperature.
  • the object of the present invention is to provide a plastic composition which, even in the case of thermal decomposition, which is accompanied by a relatively slow increase in temperature, leads to a dense glass ceramic.
  • a plastic mass with at least one polymer, at least one organic starting compound of at least one ceramic material and at least one glass material is used to form a
  • Glass ceramic specified with the ceramic material which has a glass and / or a starting material of the glass.
  • the plastic mass is characterized in that the glass has a glass point Tg which essentially corresponds to a decomposition temperature Tz of the organic starting compound.
  • a product is specified with the plastic mass for chemical and / or electrical insulation of at least one component of the product.
  • the plastic mass is used to produce a glass ceramic by thermally decomposing the plastic mass.
  • the pyrolysis of the plastic mass decomposes the organic starting compound of the ceramic material.
  • the organic starting compound is in particular a polyorganosiloxane.
  • the polyorganosiloxane is, for example, poly (dimethylsiloxane).
  • Polyorganosiloxanes have a decomposition temperature Tz below 500 ° C. Thereby forms a porous framework made of silicon dioxide or silicon oxycarbide. Glass is now infiltrated into this porous framework at a relatively low temperature. This is achieved in that the glass used has a low viscosity at the decomposition temperature Tz of the organic starting compound. Due to capillary forces, the more or less liquid glass is infiltrated into the porous silicon dioxide framework.
  • a compaction of the starting materials of the glass ceramic or the intermediate stages of the glass ceramic is thus ensured even in the case of thermal decomposition, which is accompanied by a relatively slow increase in temperature.
  • the result is a glass-ceramic material with a high level of tightness.
  • a solid, dense ash layer is obtained even with a rapid temperature increase.
  • organic starting compounds are conceivable as organic starting compounds.
  • the polymer itself is preferably the organic starting compound.
  • the organic starting compound is an organosilicon polymer such as polysilane, polycarbosilane, polysilazane or polyorganosiloxane.
  • a mixture of different polymers or a copolymer of different organometallic and non-organometallic monomers is also conceivable.
  • the organic starting compound can be polymerized or monomeric. Monomer means that the organic starting compound is uncrosslinked and polymerizes, that the organic starting compound is partially or completely crosslinked.
  • the organic starting compound can form the base material of the plastic mass. It is also conceivable that the organic starting compound an admixture of the base material Plastic mass is.
  • the organic starting compound is an organometallic salt or an organometallic complex.
  • the glass in particular has a glass point Tg of less than 500 ° C. If the organic starting compound only decomposes at a higher temperature, a glass with a glass point Tg above 500 ° C. can also be used.
  • the ceramic material and / or the glass ceramic with the ceramic material have in particular at least one element selected from the group aluminum, boron, barium, bismuth, calcium, magnesium, nitrogen, oxygen, silicon, titanium, zinc and / or zirconium.
  • the ceramic material is a silicate.
  • Silicate is an aluminum or aluminum silicate.
  • Such silicates are, for example, mullite, sillimanite or kyanite.
  • the polymer of the plastic mass and / or the organic starting compound of the ceramic material has a halogen content of less than one mol. % on.
  • Cable jackets made of halogen-containing polymers are usually used to protect a cable against fire.
  • a common, flame-retardant polymer is, for example, polyvinyl chloride (PVC).
  • PVC polyvinyl chloride
  • These halogen-containing polymers cleave halogens or halogen compounds during thermal decomposition.
  • the halogens or halogen compounds lead to containment of a fire in the plastic mass. Released halogens and halogen compounds can, however, lead to high environmental pollution.
  • hydrochloric acid (HC1) is formed during the thermal decomposition of polyvinyl chloride.
  • the plastic mass is almost halogen-free, so that halogens or the acids of the halogens are not released in the event of a fire in the plastic mass.
  • Glasses which have a low glass point Tg. Such glasses are in particular glasses with alkali, lead and / or phosphate ions. These glasses can release hazardous reaction products. In this way, phosphorous acid can be formed from the glasses containing phosphate ions. Glasses containing lead ions are a burden on the environment due to the existing lead alone. In addition, glasses containing lead ions and those containing alkali ions are characterized by a relatively high electrical conductivity. In view of good electrical insulation and in view of high environmental compatibility, in a particular embodiment of the invention the glass has an alkali ion fraction and / or a lead ion fraction and or a phosphate ion fraction of less than one mol% each.
  • the glass ceramic produced by thermal decomposition of the plastic mass has a low electrical conductivity. This is important in connection with the electrical insulation effect of the glass ceramic that is formed during the thermal decomposition of the plastic mass.
  • the plastic mass or the reaction product of the plastic mass is environmentally friendly.
  • At least one inorganic starting material of the ceramic material is available.
  • the inorganic starting material can be present as a salt or even as a ceramic material.
  • the inorganic starting material Alumina.
  • Other inorganic starting materials, for example silicon carbide (SiC), are also conceivable. These starting materials can already be in a reactive form. This means that the starting materials react directly with the basic structure generated by the thermal decomposition of the organic starting material or with the material of the basic structure. This creates the ceramic material.
  • the inorganic starting material or materials are preferably in the form of oxides. It is also conceivable that the reactive inorganic
  • Fire can contribute.
  • aluminum hydroxide ((AI (OH) 3) is formed by splitting off water
  • Low temperature range i.e. an area below the
  • the inorganic compound inorganic
  • the inorganic starting compound is in particular aluminum oxide.
  • the aluminum oxide is a fine powder that is homogeneously distributed in the plastic mass. In this form, the alumina performs two functions. The aluminum oxide reacts with pyrolysis products of the organic starting compound to form the ceramic material. Since the fine powder particles made of aluminum oxide have a large surface area, they are characterized by a high surface area
  • Starting material of the glass on the plastic mass selected from the range from 1 vol.% To 30 vol.% And in particular from the range from 5 vol.% To 15 vol.%. This relatively small volume fraction of the glass is sufficient to produce a dense thermal decomposition of the plastic mass
  • Get glass ceramic A low-melting glass solder can be used.
  • a glass solder is inexpensive.
  • the glass point Tg of the glass solder can be varied over a wide range, so that the viscosity of the glass solder can be easily adapted to the decomposition temperature Tz of the organic starting compound.
  • the glass material preferably has highly reactive glasses.
  • Such glasses are in particular glasses with boron oxide (B2O3), bismuth oxide (Bi2Ü3), zinc oxide (ZnO) and small fractions of
  • the plastic mass is particularly suitable for chemical and / or electrical insulation of at least one component of the product.
  • the product is a fireproof product. Any product is conceivable.
  • the product is a household appliance and the component is an electrical component of the household appliance.
  • the plastic mass is processed, for example, to form a fire protection plate or a fire-resistant rubber seal, so that the component of the household appliance is protected against a fire.
  • the processing of the fire protection plate or the rubber seal can be done in a press or injection molding process.
  • the component of the product has a covering with the plastic mass.
  • a product is in particular an optical conductor or a cable.
  • the component of such a product is a cable core of the cable.
  • the sheathing is a cable sheathing of the cable core.
  • the cable sheathing is used for the electrical insulation of the cable core.
  • Plastic mass of the cable sheathing leads to a dense, mechanically resilient and electrically insulating glass ceramic, which takes over the function of the original cable sheathing. Due to these properties of the plastic mass, the cable sheathing can be used as a FRNC
  • Cable sheathing can be used.
  • An extrusion process is used, for example, to produce the cable sheathing.
  • the plastic mass leads to the electrical insulation of the product or the component of the product being retained.
  • the glass ceramic produced during the thermal decomposition of the plastic mass means that the component is chemically isolated.
  • a dense coating of the component that is almost impervious to chemicals is formed. The coating acts as a barrier to the chemicals.
  • a Part of the component must not come into contact with a part of the environment of the component and react accordingly.
  • a cable could have an outer and an inner cable jacket.
  • the cable sheathing with the plastic compound forms the outer cable sheathing.
  • the inner cable sheathing is arranged between the outer cable sheathing with the plastic compound and the cable core and consists of an inexpensive, easily flammable plastic.
  • the outer cable sheathing with the plastic mass forms a dense layer of glass ceramic, which ensures that, for example, oxygen does not reach the easily flammable plastic of the inner cable sheathing.
  • the inner cable sheath does not burn and remains intact, so that the electrical insulation of the cable core is ensured even in the event of a fire.
  • the outer cable sheathing is produced, for example, by brushing or spraying a thin layer of the plastic mass with uncrosslinked or partially crosslinked polymer on the inner cable sheathing applied.
  • a refractory coating is formed from the ceramicizable plastic.
  • the sheathing of the component of the product has, in addition to the plastic mass, further, for example easily flammable and non-ceramizable, plastic masses.
  • plastic mass for example easily flammable and non-ceramizable, plastic masses.
  • the degree of filling of the ceramizable plastic mass chosen so high that a dense glass ceramic layer is formed in the event of a fire. Due to the dense glass ceramic layer formed in the event of a fire, there is almost no exchange of material with the surroundings. This means that no oxygen can reach the easily combustible plastic mass. The fire of the cable can be contained.
  • the glass is infiltrated into the porous structure produced by the thermal decomposition of the plastic mass. This contributes to the stability of the structure of the glass ceramic.
  • the glass ceramic is compacted by reactive liquid phase sintering. This leads to a high-density layer made of the glass ceramic.
  • the plastic mass can be used as an efficient FRNC cable sheathing due to the chemical, electrical and mechanical stability of the glass ceramic produced by the thermal decomposition.
  • Figure 1 shows a cross section of an electrical product with the plastic mass.
  • Figure 2 shows a cross section of a further electrical product with the plastic mass.
  • the electrical product 1 is a cable with a
  • Cable core 2 made of an electrically conductive material and one
  • Plastic base has a polymer made of poly (dimethylsiloxane) as the base material.
  • the poly (dimethylsiloxane) acts as an organic starting compound of at least one ceramic material.
  • the inorganic material and a glass material to form the glass ceramic with the ceramic material included.
  • the starting compound is powdered aluminum oxide.
  • Powder particles have an average powder particle size D50 of approximately 1 ⁇ m.
  • the glass material is also in powder form with a powder particle size D 0 of approximately 1 ⁇ m.
  • the glass material is a glass powder mixture with the following composition: 27.5 mol.% Boron oxide, 34.8 mol.% Bismuth oxide, 32.5 mol.% Zinc oxide and 6 mol.% Silicon dioxide.
  • the glass powder mixture is about 10 vol.% Contained in the plastic mass.
  • the cable sheathing essentially consists only of the plastic compound (FIG. 1).
  • an electrically insulating protective layer made of glass ceramic is formed from the electrically insulating plastic compound.
  • the cable sheathing does not only consist of the ceramizable one
  • the cable sheath also has an easily flammable elastomer.
  • the proportion of the ceramizable plastic mass in the cable sheathing is chosen so high that in the event of a fire, a chemically insulating protective layer of glass ceramic is formed. This protective layer ensures that the easily flammable Elastomer is largely protected from attack by oxygen. The cable fire comes to a standstill.
  • the cable has an inner cable sheathing 4 and an outer cable sheathing 3 (FIG. 2).
  • the outer cable sheath 3 consists of the ceramizable plastic mass.
  • the inner cable sheathing 4 consists of an easily combustible polymer.
  • the outer cable jacket forms a dense, chemically and electrically insulating protective layer made of glass ceramic. The electrically insulating, inner cable sheath is largely retained. The function of the cable is secured.
  • partially crosslinked organosilicon polymer is mixed and homogenized together with the glass powder mixture and the aluminum oxide powder in a double Z kneader.
  • the cable core of the cable is coated in an extruder, a preheated wire, which forms the cable core, being coated with a melt of the plastic compound in the extruder head by means of a quill head.
  • the crosslinking of the polymer is advanced, forming the cable jacket.
  • the plastic mass is characterized, for example, by the following characteristic data: average heat release rate: 80 kW / m ⁇ ; Time of ignition (ti e to ignition): 117 s; Flame development index: 0.98 m2s / k; Development of smoke (smoke parameter): 121 (MW / kg); high ash stability.

Abstract

Kunststoffmasse, Erzeugnis mit der Kunststoffmasse und Verwendung der Kunststoffmasse 5 Die Erfindung betrifft eine Kunststoffmasse mit mindestens einem Polymer, mindestens einer organischen Ausgangsverbindung mindestens eines keramischen Werkstoffs und mindestens einem Glasmaterial zur Bildung einer Glaskeramik mit dem keramischen Werkstoff, das ein Glas und/oder ein Ausgangsmaterial des Glases aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas einen Glaspunkt Tg aufweist, der im Wesentlichen einer Zersetzungstemperatur Tz der organischen Ausgangsverbindung entspricht. Vorzugsweise ist die organische Ausgangsverbindung ein Polyorganosiloxan. Durch thermische Zersetzung des Polyorganosiloxans bildet sich ein poröses Grundgerüst aus Siliziumdioxid, in das das bei der Zersetzungstemperatur flüssige Glas infiltriert wird. Im Weiteren bildet sich eine dichte, mechanisch stabile Schicht aus Glaskeramik aus. Diese Schicht ist elektrisch isolierend, so dass eine Funktion eines Kabels im Falle eines Brandes erhalten bleibt. Daher wird die Kunststoffmasse zur elektrischen Isolierung Brand gefährdeter Produkte, beispielsweise Kabel oder Haushaltsgeräte, eingesetzt.

Description

Be s ehr ibung
Kunststoffmasse , Erzeugnis mit der Kunststoff masse und Verwendung der Kunststoffmasse
Die Erfindung betrifft eine Kunststoffmasse mit mindestens einem Polymer, mindestens einer organischen Ausgangs erbindung mindestens eines keramischen Werkstoffs und mindestens einem Glasmaterial zur Bildung einer Glaskeramik mit dem keramischen Werkstoff, das ein Glas und/oder ein Ausgangsmaterial des Glases aufweist. Neben der Kunststoffmasse wird ein Erzeugnis mit der Kunststoffmasse und ein Verwendung der Kunststof masse angegeben.
Eine Kunststoff asse der genannten Art, ein Erzeugnis mit der Kunststoffmasse und eine Verwendung der Kunststoffmasse sind aus der WO 01/85634 AI bekannt. Die Kunststoffmasse ist keramisierbar. Dies bedeutet, dass die Kunststoffmasse durch eine thermische Zersetzung (Pyrolyse) in einen keramischen Werkstoff umgesetzt werden kann. Das Polymer der
Kunststoffmasse ist ein Basismaterial, aus dem die
Kunststoffmasse hauptsächlich besteht. Das Basismaterial der
Kunststoffmasse ist beispielsweise ein Polyorganosiloxan (Polysiloxan, Silicon, [P--2 (SiO) ]x) . Das Polyorganosiloxan, beispielsweise Poly (dimethylsiloxan) ( [ (CH3) 2 (SiO) ]x) , ist nicht nur das Basismaterial der Kunststoffmasse, sondern auch die organische AusgangsVerbindung des keramischen Werkstoffs der Kunststoffmasse. Neben dem Polyorganosiloxan weist die
Kunststoffmasse ein anorganisches Ausgangsmaterial des keramischen Werkstoffs auf, beispielsweise Aluminiumoxid (AI2O3) . Das Glasmaterial zur Bildung der Glaskeramik ist beispielsweise ein Borosilikatglas . Durch die thermische Zersetzung der Kunststoffmasse bildet sich eine Glaskeramik, die keramische Phasen und Glasphasen aufweist.
Bei der thermischen Zersetzung des Polyorganosiloxans an Luft (Zersetzungstemperatur Tz von etwa 500 °C) entsteht zunächst ein mehr oder weniger poröses, amorphes Grundgerüst (Matrix) aus Siliziumdioxid (Siθ2) . Das Siliziumdioxid reagiert bei höheren Temperaturen (1000°C bis 1200°C) mit dem Aluminiumoxid zum keramischen Werkstoff in Form eines Alumo- oder Aluminiumsilikats. Der keramische Werkstoff ist beispielsweise das Aluminiumsilikat Mullit ( I2O3 x SiC>2) -
Durch die Anwesenheit des Borosilikatglases bildet sich eine Glaskeramik mit dem keramischen Werkstoff. Das Borosilikatglas hat einen Glaspunkt Tg von etwa 560°C. Das Borosilikatglas führt bereist bei einer Temperatur unter einer Bildungstemperatur des keramischen Werkstoffs zu einer Verdichtung der Ausgangsverbindungen und/oder von Zwischenprodukten des keramischen Werkstoffs durch viskoses Fließen. Dadurch entsteht aus dem zunächst poröse Grundgerüst aus Siliziumdioxid eine hochdichte Glaskeramik.
Die Kunststoffmasse wird beispielsweise als FRNC (Flame Retardant Non Corrosive) -Kabelummantelung zur elektrischen Isolierung eines Kabels verwendet. Bei einem Brand des Kabels kommt es zur thermischen Zersetzung der Kunststoffmasse. Dabei bildet sich aus der Kabelummantelung eine dichte, mechanisch belastbare, elektrisch isolierende Schicht aus einer Glaskeramik. Eine Funktion des Kabels bleibt auch bei einem Brand zumindest über eine gewisse Zeit erhalten. Ein Ausfall einer Funktion des Kabels aufgrund eines Brandes des Kabels verzögert sich.
Die Kunststoffmasse wird bei einer zeitabhängigen thermischen Zersetzung, die mit einer sehr schnellen Temperaturerhöhung verbunden ist, zu einer sehr dichten Glaskeramik umgesetzt.
Es resultiert eine dichte, elektrisch isolierende Schicht aus der Glaskeramik. Problematisch ist allerdings eine thermische Zersetzung der Kunststoffmasse, die mit einer relativ langsamen Temperaturerhöhung verbunden ist. Dabei bildet sich zunächst das poröse Grundgerüst aus Siliziumdioxid, ohne dass eine Verdichtung durch das Borosilikatglas eingeleitet werden könnte. In Folge davon wird keine dichte Glaskeramik erhalten. Eine aus einem Brand eines Kabels resultierende Schicht aus Glaskeramik ist nicht dicht. Die Funktion des Kabels kann im Fall eines Brandes über einen längeren Zeitraum nicht gewährleistet werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kunststoffmasse anzugeben, die auch bei einer thermischen Zersetzung, die von einer relativ langsamen Temperaturerhöhung begleitet ist, zu einer dichten Glaskeramik führt.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Kunststoffmasse mit mindestens einem Polymer, mindestens einer organischen Ausgangsverbindung mindestens eines keramischen Werkstoffs und mindestens einem Glasmaterial zur Bildung einer
Glaskeramik mit dem keramischen Werkstoff angegeben, das ein Glas und/oder ein Ausgangsmaterial des Glases aufweist. Die Kunststoffmasse ist dadurch gekennzeichnet, dass das Glas einen Glaspunkt Tg aufweist, der im Wesentlichen einer Zersetzungstemperatur Tz der organischen Ausgangsverbindung entspricht.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Erzeugnis mit der Kunststoffmasse zur chemischen und/oder elektrischen Isolierung mindestens einer Komponente des Erzeugnisses angegeben .
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Kunststoffmasse zum Herstellen einer Glaskeramik durch thermisches Zersetzten der Kunststoffmasse verwendet.
Durch die Pyrolyse der Kunststoffmasse wird die organische Ausgangsverbindung des keramischen Werkstoffs zersetzt. Die organische Ausgangsverbindung ist insbesondere ein Polyorganosiloxan. Das Polyorganosiloxan ist beispielsweise Poly (dimethylsiloxan) . Polyorganosiloxane weisen eine Zersetzungstemperatur Tz von unter 500 °C aus. Dabei bildet sich ein poröses Grundgerüst aus Siliziumdioxid oder Siliziumoxicarbid. In dieses poröse Grundgerüst wird nun bei einer relativ niedrigen Temperatur Glas infiltriert. Dies gelingt dadurch, dass das eingesetzte Glas bei der Zersetzungstemperatur Tz der organischen Ausgangsverbindung eine niedrige Viskosität aufweist. Aufgrund von Kapillarkräften wird das mehr oder weniger flüssige Glas in das sich bildende poröse Grundgerüst aus Siliziumdioxid infiltriert. Ein Verdichten der Ausgangsmaterialien der Glaskeramik bzw. der Zwischenstufen der Glaskeramik ist damit auch bei thermischen Zersetzung sichergestellt, die mit einer relativ langsamen Temperaturerhöhung einhergeht. Es resultiert ein glaskeramischer Werkstoff mit einer hohen Dichtigkeit. Es wird auch bei einer schnellen Temperaturerhöhung eine feste, dichte Ascheschicht erhalten. Es findet eine kinetisch ungehemmte Glasphasenbildung der glaskeramischen Zusammensetzung statt, die zu einer Passivierung sowohl bei einem schnellen als auch bei einem langsamen Brand bzw. bei unterschiedlichen Flammtemperaturen führt.
Als organische AusgangsVerbindungen sind beliebige organische bzw. metallorganische Verbindungen denkbar. Vorzugsweise ist das Polymer selbst die organische Ausgangsverbindung. Beispielsweise ist die organische Ausgangsverbindung ein siliziumorganisches Polymer wie Polysilan, Polycarbosilan, Polysilazan oder Polyorganosiloxan. Denkbar ist auch ein Gemenge verschiedener Polymere oder ein Copolymerisat aus verschiedenen metallorganischen und nicht metallorganischen Monomeren. Die organische Ausgangsverbindung kann polymerisiert oder monomer vorliegt. Monomer bedeutet, dass die organische AusgangsVerbindung unvernetzt und polymerisiert, dass die organische Ausgangsverbindung teil- oder vollständig vernetzt ist. Die organische Ausgangsverbindung kann das Basismaterial der Kunststoffmasse bilden. Denkbar ist auch, dass die organische Ausgangsverbindung eine Beimengung des Basismaterials der Kunststof masse ist. Als Beimengung ist insbesondere auch denkbar, dass die organische Ausgangsverbindung ein metallorganisches Salz oder ein metallorganischer Komplex ist. Bezüglich der genannten organischen Ausgangsverbindungen weist das Glas insbesondere einen Glaspunkt Tg von unter 500° C auf. Wenn die organische Ausgangsverbindung sich erst bei höherer Temperatur zersetzt, so kann auch ein Glas mit einem Glaspunkt Tg von über 500° C verwendet werden. •
Der keramische Werkstoff und/oder die Glaskeramik mit dem keramischen Werkstoff weisen insbesondere zumindest ein aus der Gruppe Aluminium, Bor, Barium, Bismut, Kalzium, Magnesium, Stickstoff, Sauerstoff, Silizium, Titan, Zink und/oder Zirkonium ausgewähltes Element auf. Insbesondere ist der keramische Werkstoff ein Silikat. Vorzugsweise ist das
Silikat ein Alumo- oder Aluminiumsilikat. Derartige Silikate sind beispielsweise Mullit, Sillimanit oder Kyanit.
In einer besonderen Ausgestaltung weist das Polymer der Kunststoffmasse und/oder die organische Ausgangsverbindung des keramischen Werkstoffs einen Halogenanteil von unter einem mol . % auf. Üblicherweise werden zum Brandschutz eines Kabels Kabelummantelungen aus halogenhaltigen Polymeren eingesetzt. Ein gängiges, schwer brennbares Polymer ist beispielsweise Polyvinylchlorid (PVC) . Diese halogenhaltigen Polymere spalten bei der thermischen Zersetzung Halogene bzw. Halogenverbindungen. Die Halogene bzw. Halogenverbindungen führen zur Eindämmung eines Brandes der Kunststoffmasse. Freigesetzte Halogene und Halogenverbindungen können allerdings zu einer hohen Belastung der Umwelt führen. So bildet sich beispielsweise bei der thermischen Zersetzung von Polyvinylchlorid Salzsäure (HC1) . Im Gegensatz ist die Kunststoffmasse nahezu halogenfrei, so dass Halogene bzw. die Säuren der Halogene bei einem Brand der Kunststoffmasse nicht freigesetzt werden. Das Eindämmen des Brandes bzw. die
Funktionserhaltung der elektrischen Bauteile der von einem Brand betroffenen Erzeugnisse ist bei Verwendung der Kunststoffmasse auch ohne die Gegenwart von Halogenen bzw. Halogenverbindungen gewährleistet .
Es sind Gläser bekannt, die über einen niedrigen Glaspunkt Tg verfügen. Derartige Gläser sind insbesondere Gläser mit Alkali-, Blei- und/oder Phosphationen. Diese Gläser können gesundheitsgefährdende Reaktionsprodukte freisetzen. So kann aus den phosphationenhaltigen Gläsern phosphorige Säure entstehen. Bleiionenhaltige Gläser stellen allein aufgrund des vorhandenen Bleis eine Belastung der Umwelt dar. Darüber hinaus zeichnen sowohl bleiionenhaltige als auch sich alkaliionen-haltige Gläser durch eine relativ hohe elektrische Leitfähigkeit aus. Im Hinblick auf eine gute elektrische Isolierung und im Hinblick auf eine hohe Umweltverträglichkeit weist in einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung das Glas einen Alkaliionenanteil und/oder einen Bleiionenanteil und oder einen Phosphationenanteil von jeweils unter einem mol.% auf. Dadurch ist gewährleistet, dass die durch eine thermische Zersetzung der Kunststoffmasse erzeugte Glaskeramik eine niedrige elektrische Leitfähigkeit aufweist. Dies ist wichtig im Zusammenhang mit der elektrischen Isolationswirkung der bei der thermischen Zersetzung der Kunststoffmasse entstandenen Glaskeramik. Darüber hinaus ist die Kunststoffmasse bzw. das Reaktionsprodukt der Kunststoffmasse umweltverträglich.
Insbesondere sind nahezu keine Bleiionen enthalten. Daneben bildet sich auch bei der Thermolyse keine phosphorige Säure. Die phosphorige Säure würde, wie die Salzsäure, die bei der thermischen Zersetzung von PVC frei wird, bei einem Brand der Kunststoffmasse eine unmittelbare Gesundheitsgefährdung der Umgebung darstellen.
In einer weiteren Ausgestaltung ist mindestens ein anorganisches Ausgangsmaterial des keramischen Werkstoffs vorhanden. Das anorganische Ausgangsmaterial kann als Salz oder selbst als keramischer Werkstoff vorliegen. Insbesondere ist das anorganische Ausgangsmaterial Aluminiumoxid. Denkbar sind auch weitere anorganische Ausgangsmaterialien, beispielsweise Siliziumcarbid (SiC) . Diese Ausgangsmaterialien können bereits in einer reaktiven Form vorliegen. Dies bedeutet, dass die Ausgangsmaterialien direkt mit dem durch die thermische Zersetzung des organischen Ausgangsmaterials erzeugten Grundgerüst bzw. mit dem Material des Grundgerüsts reagieren. Dabei entsteht der keramische Werkstoff. Das oder die anorganischen Ausgangsmaterialien liegen vorzugsweise als Oxide vor. Denkbar ist auch, dass das reaktive anorganische
Ausgangsmaterial in der thermischen Zersetzung der Kunststoffmasse das eigentlich gegenüber dem Material des Grundgerüsts reaktive, anorganische Ausgangsmaterial gebildet wird. Derartige anorganische Ausgangsmaterialien sind insbesondere Carbonate oder Hydroxide. Durch Zufuhr von Energie (in Folge der Temperaturerhöhung bei einem Brand) werden diese Ausgangsverbindungen in die oxidischen, reaktiven Formen überführt. Die Reaktion wird durch Zufuhr von Energie beschleunigt. Gleichzeitig kann dabei dem Gesamtsystem Energie entnommen, was zur Verlangsamung des
Brandes beitragen kann. So entsteht beispielsweise aus Aluminiumhydroxid ((AI (OH) 3) durch Abspaltung von Wasser
Aluminiumoxid.
Carbonate beinhalten zudem den Vorteil, dass in einem
Niedertemperaturbereich, also einem Bereich unterhalb der
Temperatur, bei der der keramische Werkstoff gebildet wird, die Brennbarkeit der Kunststoffmasse durch Freisetzen von Kohlendioxid (CO2) reduziert wird.
In einer besonderen Ausgestaltung weist das anorganische
Ausgangsmaterial und/oder das Glasmaterial ein Pulver mit
Pulverpartikeln auf, die eine mittlere Pulverpartikelgröße D50 von unter 3 μ und insbesondere von unter 1,5 μm aufweisen. Die anorganische AusgangsVerbindung ist insbesondere Aluminiumoxid. Das Aluminiumoxid liegt als feines, in der Kunststoffmasse homogen verteiltes Pulver vor. In dieser Form übernimmt das Aluminiumoxid zwei Funktionen. Das Aluminiumoxid reagiert mit Pyrolyseprodukten der organischen Ausgangsverbindung zum keramischen Werkstoff. Da die feinen Pulverpartikel aus Aluminiumoxid ein große Oberfläche aufweisen, zeichnen sich diese durch eine hohe
Reaktivität aus. Dadurch wird die Temperatur erniedrigt, bei der sich der oder die keramischen Werkstoffe bilden. Darüber hinaus fungieren die feinen Pulverpartikel aus Aluminiumoxid als Kristallisiationskeime für die Bildung der Glaskeramik. Dies führt dazu, dass nicht nur der keramische Werkstoff, sondern auch die Glaskeramik bei einer relativ niedrigen Temperatur gebildet wird.
Vorteilhaft ist ein Volumenanteil des Glases an der Kunststoffmasse und/oder ein Volumenanteil des
Ausgangsmaterials des Glases an der Kunststoffmasse aus dem Bereich von 1 Vol.% bis 30 Vol.% und insbesondere aus dem Bereich von 5 Vol.% bis 15 Vol.% ausgewählt. Dieser relativ geringe Volumenanteil des Glases reicht aus, um bei einer thermischen Zersetzung der Kunststoffmasse eine dichte
Glaskeramik zu erhalten. Dabei kann ein niedrig schmelzendes Glaslot eingesetzt werden. Ein Glaslot ist kostengünstig. Darüber hinaus kann der Glaspunkt Tg des Glaslots über einen weiten Bereich variiert werden, so dass die Viskosität des Glaslots an die Zersetzungstemperatur Tz der organischen AusgangsVerbindung leicht angepasst werden kann.
Vorzugsweise weist das Glasmaterial hoch reaktive Gläser auf. Derartige Gläser sind insbesondere Gläser mit Boroxid (B2O3) , Bismutoxid (Bi2Ü3) , Zinkoxid (ZnO) und kleinen Anteilen von
Siliziumdioxid. Diese hoch reaktiven Gläser führen dazu, dass eine Verdichtung, also die Bildung der Glaskeramik, schon bei relativ niedrigen Temperaturen stattfindet. Die Verdichtung erfolgt dabei im Wesentlichen nicht durch viskoses Fließen, wie im Fall der Borosilikatgläser, sondern durch reaktives Flüssigphasensintern . Die Kunststoffmasse eignet sich insbesondere zur chemischen und/oder elektrischen Isolierung mindestens einer Komponente des Erzeugnisses. Das Erzeugnis ist ein feuerfestes Produkt. Denkbar ist dabei ein beliebiges Erzeugnis. Insbesondere ist das Erzeugnis ein Haushaltsgerät und die Komponente ein elektrisches Bauteil des Haushaltsgeräts. Die Kunststoffmasse ist beispielsweise zu einer Brandschutzplatte oder einer feuerfesten Gummidichtung verarbeitet, so dass die Komponente des Haushaltsgeräts vor einem Brand geschützt ist. Das Verarbeiten zur Brandschutzplatte oder zur Gummidichtung kann in einem Press- oder Spritzgussprozess erfolgen.
In einer besonderen Ausgestaltung weist die Komponente des Erzeugnisses eine Umhüllung mit der Kunststoffmasse auf. Ein derartiges Erzeugnis ist insbesondere ein optischer Leiter oder ein Kabel. Die Komponente eines derartigen Erzeugnisses ist eine Kabelader des Kabels . Die Umhüllung ist eine Kabelummantelung der Kabelader. Die Kabelummantelung dient der elektrischen Isolierung der Kabelader. Im Fall eines Brandes des Kabels, der zur thermischen Zersetzung der
Kunststoffmasse der Kabelummantelung führt, entsteht eine dichte, mechanische belastbare und elektrisch isolierende Glaskeramik, die die Funktion der ursprünglich vorhandenen Kabelummantelung übernimmt. Aufgrund dieser Eigenschaften der Kunststoffmasse kann die Kabelummantelung als FRNC-
Kabelummantelung verwendet werden. Zum Herstellen der Kabelummantelung wird beispielsweise auf ein Extrusionsverfahren zurückgegriff n .
Die Kunststoffmasse führt bei einem Brand dazu, dass die elektrische Isolierung des Erzeugnisses bzw. der Komponente des Erzeugnisses erhalten bleibt. Zudem führt die bei der thermischen Zersetzung der Kunststoffmasse erzeugte Glaskeramik dazu, dass die Komponente chemische isoliert wird. Es bildet sich eine dichte, für Chemikalien nahezu undurchlässige Beschichtung der Komponente. Die Beschichtung fungiert als Barriere für die Chemikalien. Somit kann ein Bestandteil der Komponente nicht mit einem Bestandteil der Umgebung der Komponente in Berührung kommen und entsprechend reagieren. Ein Kabel könnte beispielsweise eine äußere und eine innere Kabelummantlung aufweisen. Die Kabelummantelung mit der Kunststoffmasse bildet die äußere Kabelummantelung. Die innere Kabelummantelung ist zwischen der äußeren Kabelummantelung mit der Kunststoffmasse und der Kabelader angeordnet und besteht aus einem preiswerten, leicht brennbaren Kunststoff. Sollte es zu einem Brand des Kabels kommen, so bildet sich aus der äußeren Kabelummantelung mit der Kunststoffmasse eine dichte Schicht aus der Glaskeramik, die dafür sorgt, dass beispielsweise Sauerstoff nicht an den leicht brennbaren Kunststoff der inneren Kabelummantelung gelangt . Die innere Kabelummantelung verbrennt nicht und bleibt intakt, so dass auch im Brandfall die elektrische Isolierung der Kabelader sicher gestellt ist. Die äußere Kabelummantelung wird beispielsweise durch Streichen oder Sprühen einer dünnen Schicht aus der Kunststoffmasse mit unvernetztem oder teilvernetztem Polymer auf der aufgebrachten inneren Kabelummantelung hergestellt.
Nachfolgend wird die Vernetzung des Polymers initiiert. Es bildet sich eine feuerfeste Beschichtung aus dem keramisierbaren Kunststoff.
Denkbar ist auch, dass die Ummantelung der Komponente des Erzeugnisses neben der Kunststoffmasse weitere, beispielsweise leicht brennbare und nicht keramisierbare Kunststoffmassen aufweist. Es liegt ein Mischung aus keramisierbarer Kunststoffmasse und nicht keramisierbarer, aber leicht brennbarer Kunststoffmasse vor. Dabei ist der
Füllgrad der keramisierbaren Kunststoffmasse so hoch gewählt, dass im Falle eines Brandes eine dichte Glaskeramikschicht ausgebildet wird. Durch die bei einem Brand gebildete dichte Glaskeramikschicht kann nahezu kein Stoffaustausch mit der Umgebung stattfinden. Somit kann kein Sauerstoff an die leicht brennbare Kuns stoffmasse gelangen. Der Brand des Kabels kann eingedämmt werden. Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung folgende wesentlichen Vorteile:
- Aufgrund des in der Kunststoffmasse verwendeten Glases bzw. der Ausgangsverbindung des Glases mit dem Glaspunkt Tg, der im Wesentlichen der Zersetzungstemperatur Tz des organischen Ausgangsmaterials des keramischen Werkstoffs entspricht, wird das Glas in die durch die thermische Zersetzung der Kunststoffmasse erzeugte poröse Gefüge infiltiert. Dies trägt zur Stabilität des Gefüges der Glaskeramik bei.
- Durch die Verwendung hoch reaktiver Gläser erfolgt das Verdichten der Glaskeramik durch reaktives Flüssigphasensintern. Dies führt zu einer hochdichten Schicht aus der Glaskeramik.
Die Kunststoffmasse kann aufgrund der chemischen, elektrischen und mechanischen Stabilität der durch die thermische Zersetzung erzeugten Glaskeramik als effiziente FRNC-Kabelummantelung eingesetzt werden.
Anhand mehrerer Beispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Kunststoffmasse und ein Erzeugnis mit der Kunststoffmasse im Folgenden näher beschrieben. Die Zeichnungen sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
Figur 1 zeigt einen Querschnitt eines elektrotechnischen Erzeugnisses mit der Kunststoffmasse.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt eines weiteren elektrotechnischen Erzeugnisses mit der Kunststoffmasse. Das elektrotechnische Erzeugnis 1 ist ein Kabel mit einer
Kabelader 2 aus einem elektrisch leitenden Material und einer
Kabelummantelung 3 mit der Kunststoffmasse. Die
Kunststoffmasse weist als Basismaterial ein Polymer aus Poly (dimethylsiloxan) auf. Das Poly (dimethylsiloxan) fungiert als organische AusgangsVerbindung mindestens eines keramischen Werkstoffs. Daneben sind in der Kunststoffmasse eine anorganischen Ausgangsverbindung des keramischen
Werkstoffs und ein Glasmaterial zur Bildung der Glaskeramik mit dem keramischen Werkstoff enthalten. Die anorganische
Ausgangsverbindung ist pulverförmiges Aluminiumoxid. Die
Pulverpartikel weisen eine durchschnittliche Pulverpartikelgröße D50 von etwa 1 μm auf. Das Glasmaterial liegt ebenfalls pulverförmig vor mit einer Pulverpartikelgröße D 0 von etwa 1 μm.
Das Glasmaterial ist ein Glaspulver-Gemenge mit folgender Zusammensetzung: 27,5 mol.% Boroxid, 34,8 mol.% Bismutoxid, 32,5 mol.% Zinkoxid und 6 mol.% Siliziumdioxid. Das Glaspulver-Gemenge ist zu etwa 10 vol.% in der Kunststoffmasse enthalten.
Gemäß einer ersten Ausführungsform besteht die Kabelummantelung im Wesentlichen nur aus der Kunststoffmasse (Figur 1) . Im Falle eines Kabelbrandes bildet sich aus der elektrisch isolierenden Kunststoffmasse eine elektrisch isolierende Schutzschicht aus Glaskeramik.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform besteht die Kabelummantelung nicht nur aus der keramisierbaren
Kunststoffmasse. Die Kabelummantelung weist darüber hinaus ein leicht brennbares Elastomer auf. Der Anteil des keramisierbaren Kunststoffmasse an der Kabelummantelung ist dabei so hoch gewählt, dass sich im Fall eines Brandes eine chemisch isolierende Schutzschicht aus Glaskeramik bildet. Diese Schutzschicht sorgt dafür, dass das leicht brennbare Elastomer vor einem Angriff von Sauerstoff weitgehend geschützt wird. Der Kabelbrand kommt zum Stillstand.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Kabel eine innere Kabelummantelung 4 und eine äußere Kabelummantelung 3 auf (Figur 2) . Die äußere Kabelummantelung 3 besteht aus der keramisierbaren Kunststoffmasse. Die innere Kabelummantelung 4 besteht aus einem leicht brennbaren Polymer. Im Brandfall bildet sich aus der äußeren Kabelummantelung eine dichte, chemisch und elektrisch isolierende Schutzschicht aus Glaskeramik. Die elektrisch isolierende, innere Kabelummantelung bleibt weitgehend erhalten. Die Funktion des Kabels ist gesichert.
Zum Herstellen des Kabels 1 mit der Kabelummantelung 3 aus der keramisierbaren Kunststoffmasse wird teilvernetztes siliziumorganischen Polymers zusammen mit dem Glaspulver- Gemenge und dem Aluminiumoxid-Pulver in einem Doppel-Z-Kneter gemischt und homogenisiert. Die Beschichtung der Kabelader des Kabels erfolgt in einem Extruder, wobei mittels eines Pinolenkopfs ein vorgeheizter Draht, der die Kabelader bildet, mit einer Schmelze der Kunststoffmasse im Extruderkopf beschichtet wird. Gleichzeitig wird die Vernetzung des Polymers vorangetrieben, wobei die Kabelummantlung gebildet wird.
Die Kunststoffmasse zeichnet sich beispielsweise durch folgende Kenndaten aus: mittlere Wärmefreisetzungsrate (heat release rate) : 80 kW/m^; Zeitpunkt der Entzündung (ti e to ignition): 117 s; Flammenentwicklungsindex (fire Performance index) : 0,98 m2s/k ; Rauchentwicklung (smoke parameter) : 121 (MW/kg) ; hohe Äschestabilität (ash stability) .

Claims

Patentansprüche
1. Kunststoffmasse mit mindestens einem Polymer, - mindestens einer organischen AusgangsVerbindung mindestens eines keramischen Werkstoffs und mindestens einem Glasmaterial zur Bildung einer Glaskeramik mit dem keramischen Werkstoff, das ein Glas und/oder ein Ausgangsmaterial des Glases aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas einen Glaspunkt Tg aufweist, der im Wesentlichen einer Zersetzungstemperatur Tz der organischen AusgangsVerbindung entspricht.
2. Kunststoffmasse nach Anspruch 1, wobei die organische AusgangsVerbindung ein Polyorganosiloxan ist
3. Kunststoffmasse nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Glaspunkt Tg des Glases unter 500 °C liegt.
4. Kunststoffmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Glasmaterial Bismutoxid und/oder Boroxid und/oder Siliziumdioxid und/oder Zinkoxid aufweist.
5. Kunststoffmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der keramische Werkstoff und/oder die Glaskeramik mit dem keramischen Werkstoff zumindest ein aus der Gruppe AI, B, Ba, Bi, Ca, Mg, N, 0, Si, Ti, Zn und/oder Zr ausgewählte Element aufweist.
6. Kunststoffmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Volumenanteil des Glases an der Kunststoffmasse und/oder ein Volumenanteil des Ausgangsmaterials des Glases an der Kunststoffmasse aus dem Bereich von 1 Vol.% bis 30 Vol% und insbesondere aus dem Bereich von 5 Vol.% bis 15 Vol.% ausgewählt ist.
7. Kunststoffmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Polymer und/oder die organische Ausgangsverbindung des keramischen Werkstoffs einen Halogen-Anteil von unter 1 mol.% aufweist.
8. Kunststoffmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Glas einen Alkaliionen-Anteil und/oder einen Bleiionen-Anteil und/oder einen Phosphationen-Anteil von jeweils unter 1 mol.% aufweist.
9. Kunststoffmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei mindestens ein anorganisches Ausgangsmaterial des keramischen Werkstoffs vorhanden ist.
10. Kunststoffmasse nach Anspruch 9, wobei das anorganische Ausgangsmaterial Aluminiumoxid ist.
11. Kunststoffmasse nach Anspruch 9 oder 10, wobei das anorganische Ausgangsmaterial und/oder das Glasmaterial ein Pulver mit Pulverpartikeln aufweist, die eine mittlere Pulverpartikelgröße D50 von unter 3 μm und insbesondere von unter 1,5 μm aufweisen.
12. Erzeugnis (1) mit der Kunststoffmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur chemischen und/oder elektrischen Isolierung mindestens einer Komponente des Erzeugnisses.
13. Erzeugnis nach Anspruch 12, wobei die Komponente (2) des Erzeugnisses (1) eine Umhüllung (3) mit der Kunststoffmasse aufweist.
14. Erzeugnis nach Anspruch 13, wobei die Umhüllung der Komponente eine Beschichtung der Komponente ist.
15. Erzeugnis nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Erzeugnis ein Kabel, die Komponente eine Kabelader des Kabels und die Umhüllung mit der Kunststoffmasse eine Kabelummantelung des Kabels ist.
16. Erzeugnis nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das Erzeugnis ein Haushaltsgerät ist und die Komponente ein elektrisches Bauteil des Haushaltsgeräts ist.
17. Verwendung der Kunststoffmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zum Herstellen einer Glaskeramik durch thermisches Zersetzten der Kunststoffmasse.
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