WO1993007192A1 - Verfahren zur flammfestmachung von phenol-formaldehyd-harz - Google Patents

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WO1993007192A1
WO1993007192A1 PCT/EP1992/002320 EP9202320W WO9307192A1 WO 1993007192 A1 WO1993007192 A1 WO 1993007192A1 EP 9202320 W EP9202320 W EP 9202320W WO 9307192 A1 WO9307192 A1 WO 9307192A1
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halogen
phosphorus
resins
phosphorus compounds
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PCT/EP1992/002320
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Karlheinz Dorn
Klaus Frankenfeld
Hans-Dieter NÄGERL
Klaus Sommer
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Chemische Fabrik Budenheim Rudolf A. Oetker
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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G8/00—Condensation polymers of aldehydes or ketones with phenols only
    • C08G8/28—Chemically modified polycondensates

Definitions

  • the present invention relates to a process for flame retarding phenol-formaldehyde resin and products containing such a resin.
  • the present invention relates to the use of halogen-free phosphorus compounds for the integral flame-retardant treatment of phenol-formaldehyde resins.
  • Phenolic resins are used as raw materials or as auxiliaries in the form of binders and impregnating agents for the production of a large number of different types of products.
  • Phenolic resins are also used as binders for the production of inorganic or organic fiber composite materials, which are used as abrasives or friction linings or as materials for heat and sound insulation.
  • applications in the production of resin papers or fabrics and in the production of phenolic resin foams and other chemical-resistant building materials are also worth mentioning.
  • the phenol-formaldehyde condensation resins are acid- or base-catalyzed resins and are used in the form of precondensed products under the name "Novolake” or "Resole".
  • the manufacture of these products is described in the standard chemical literature, cf. e.g. Ullmann, Encyclopedia of the chemical industry, 2nd edition, volume 13, pages 453 to 478.
  • Aluminum hydroxide must be added to the phenol-formaldehyde resin in a concentration of up to 50% by weight if the former is to meet the requirements for flame retardancy.
  • the physical properties of e.g. Hardboard changed significantly.
  • Flame retardants such as ammonium phosphates and sulfates are water-soluble and can be washed out of the materials or end products. Corrosion can also be triggered by dissolved ammonium sulfate in molded parts based on nonwovens.
  • halogen-free (and preferably acidic) phosphorus compounds can be made flame-resistant directly by adding halogen-free (and preferably acidic) phosphorus compounds to the precondensed phenol-formaldehyde resin at any time before processing (curing) to the end product .
  • the halogen-free phosphorus compounds are homogeneously distributed in the precondensed resin and, during further processing or use, these compounds thus become an integral, insoluble component of the resin compositions.
  • there are particular advantages if base-catalyzed phenol-formaldehyde resins are used, because the present flame-proofing means that acidic hydrogen halide gases cannot be released.
  • the flame-retardant equipment according to the invention does not cause corrosion either when processing the resins or in the event of a fire.
  • the present invention thus provides a process for flame retarding phenol-formaldehyde resin and products containing this resin, which is characterized in that one or more halogen-free phosphorus compounds are added to the precondensed resin before it is (finally) cured incorporated, which are bound to the resin structure via covalent bonds during the further processing (hardening) of the resin and / or are enclosed as such or in the form of aggregates or condensates in the resin structure.
  • halogen-free phosphorus compounds are (acidic) compounds derived from oxygen compounds of preferably pentavalent phosphorus, especially phosphoric and phosphonic acid compounds.
  • phosphoric and phosphonic acids are ortho-, pyro-, tri- and polyphosphoric acids (preferably polyphosphoric acids) as well as phosphonic acids with preferably 1 to 20 and in particular 1 to 10 carbon atoms, such as methanephosphonic acid, hydroxyethane diphosphonic acid, 3-aminopropanephos - Phonic acid, 5-diethylenetriamino-pentanephosphonic acid, 4-ethylene-diamino-butanephosphonic acid, morpholino ethanediphosphonic acid and 2-phosphonobutane-l, 2, -tricarboxylic acid.
  • Preferred reactants for the above oxygen compound of phosphorus are carbon compounds containing hydroxyl groups, which form POC bonds with the phosphorus compounds.
  • can react phor compounds such as alcohols, phenols and carboxylic acids.
  • the simplest and most preferred compounds of this class of substances are alcohols and phenols, which are preferably polyvalent.
  • the alcohols can be both aliphatic and cycloaliphatic, saturated and unsaturated, generally having 2 to 20, in particular 2 to 10, carbon atoms and 2 to 6, in particular 2 to 4, hydroxyl groups.
  • the aromatic alcohols (phenols) generally have a total carbon number of 6 to 20, in particular 6 to 10 and preferably 2 to 4 (in particular 2 or 3) hydroxyl groups bonded directly to the aromatic system.
  • These alcohols and phenols preferably each form one or two P-O-C bridges with the phosphorus compound.
  • alcohols are ethylene glycol, glycerol, 1,2- and 1,3-propanediol, trimethylolpropane, 1,4-butanediol, 1,2,6-hexanetriol, pentaerythritol, cyclohexanediol, meso- Inositol, 1,4-dihydroxymethyl-2,5-dihydroxybenzene, pyrocatechol and resorcinol.
  • the polyhydric alcohols can be used either alone or as a mixture of several compounds and / or in a mixture with monohydric alcohols.
  • the corresponding end product e.g. the phosphoric acid or phosphonic acid ester
  • Reaction products which are particularly preferred according to the invention and can be classified in the class of substances described above are compounds which are derived from aromatic polyols (in particular diphenols) with polyphosphoric acid or the abovementioned phosphoric acids, since the flame-resistant resins are processed when the precondensed resins are processed Equipment directly into the Structure of the cured phenol-formaldehyde resins is installed.
  • halogen-free phosphorus compounds are heteropolyacids of phosphorus, in particular those which contain silicon, molybdenum and / or tungsten in addition to phosphorus, and salts of these heteropolyacids, preferably ammonium salts.
  • heteropolyacids of phosphorus in particular those which contain silicon, molybdenum and / or tungsten in addition to phosphorus, and salts of these heteropolyacids, preferably ammonium salts.
  • silicophosphoric acid molybdenum phosphoric acid and tungsten phosphoric acid.
  • trivalent cations in particular selected from cations of aluminum, iron and chromium
  • tin (II) and tin (IV) salts of these acids Specific examples of this are in particular the phosphates of the elements just mentioned.
  • both individual halogen-free phosphorus compounds and mixtures of such compounds can be used.
  • such mixtures consist über ⁇ predominantly (eg at least. 75 wt .-%) of organic phosphorus compounds (such as esters).
  • the flame resistance of the end products is primarily determined by the phosphorus content, based on the amount of phenolic resin.
  • the phosphorus compounds used according to the invention are usually used in amounts which lead to a phosphorus content of the flame-resistant resin of 0.5 to 15% by weight.
  • the phosphorus compounds which can be used according to the invention naturally have different phosphorus concentrations.
  • the phosphorus content is generally about 20 to 29% by weight, while in the case of organic phosphorus compounds a phosphorus content in the range of about 12 to 29% by weight is generally found.
  • the flammability of the materials processed with the flame-resistant phenolic resin according to the invention e.g. Wood, paper, nonwovens, mineral fibers etc. also have an influence on the flame resistance of the end product.
  • the molecular structure of the phosphorus compounds used according to the invention also has an influence on the flame resistance of the end products. For example, found that phosphorus compounds containing P-OH groups act faster and more dehydratingly on organic compounds containing oxygen through this acidic group contained in the molecule. This applies in particular to the phosphoric acid esters, which are formed from polyhydric alcohols and tend to form ring structures. Further pointing, as already mentioned above, e.g. Phosphorus compounds which were produced from nitrogenous phosphonic acids, with the same phosphorus content, have a greater flame retardancy than the corresponding nitrogen-free phosphorus compounds.
  • the inorganic phosphorus compounds (especially the phosphoric acid salts) lead to the formation of non-combustible Framework structures from which a flame-retardant effect is derived.
  • the phosphorus compounds used according to the invention are uniformly distributed as a mixture component in the precondensed phenol-formaldehyde resins and then firmly incorporated into the resin structure when they are processed, which results in flame protection integrated in the resin, which acts as a flame-retardant coating on the phenolic resin-produced material. Substances is effective.
  • the flame retardant component is entered using phenolic resin processing. An additional operation to apply the flame retardant is therefore not necessary. With the exception of the burning behavior, the properties of the materials produced are changed only insignificantly.
  • the flame retardant component is (chemically and / or physically) fixed and cannot be washed out. This means that the flame protection is permanent. Furthermore, possible corrosion influences on other substances and environmentally relevant sequelae are excluded, in particular due to the absence of halogen.
  • the phosphorus acidic compounds preferably used according to the invention are distinguished by a low volatility combined with a minimal toxicity from.
  • the use of further condensation catalysts can be dispensed with.
  • the use of the halogen-free phosphorus compounds used according to the invention in the flame-retardant finish of phenol-formaldehyde resins or in the products produced using phenol-formaldehyde resins is simple and can be done, for example, by adding the halogen-free phosphorus compounds to the precondensed resins.
  • the mixing technology to be used depends on the type of resin and the other materials to which resin is applied, which are necessary for the production of the specific end products, such as chipboard, insulation boards and molding compounds.
  • the halogen-free phosphorus compounds are preferably used together with the combustible fillers such as e.g. Wood flour, cellulose, textiles, etc. are homogeneously incorporated into the molding materials in a kneader or other compulsory ischer.
  • the combustible fillers such as e.g. Wood flour, cellulose, textiles, etc. are homogeneously incorporated into the molding materials in a kneader or other compulsory ischer.
  • a comparable technique is preferably used when powder resins are to be made flame-resistant.
  • the halogen-free phosphorus bonds are expediently stirred into the viscous resin matrix, so that a single-phase mixture of phenol-formaldehyde resin and halogen-free phosphorus compound is formed.
  • the mixture is preferably prepared shortly or immediately before the resols are used.
  • the selection of the halogen-free phosphorus compound for a specific purpose depends on the intended use of the phenol-formaldehyde resin. In the case of particle board as the intended end product, it is preferred to use products based on polyphosphoric acid, pentaerythritol and other aliphatic polyols in combination with inorganic phosphorus compounds (for example the salts mentioned above). In the case of nonwovens, it may be advisable to use only the products mentioned first.
  • inorganic phosphates, in particular tin (IV) phosphate has proven particularly useful in the production of insulating boards.
  • the nonwovens can be spray-coated with the viscous precondensed and flame-retardant resins. It is therefore desirable that the inorganic phosphates be in a grain size that does not affect spray application by clogging the nozzle. The grain size of the halogen-free phosphorus compound will therefore generally be less than 100 ⁇ m.
  • a resol-type phenol-formaldehyde resin was made flame retardant as follows:
  • a halogen-free phosphorus compound was produced by the condensation reaction of phosphoric acid, pentaerythritol and glycerol in a molar ratio of 2: 1: 1. 100 parts by weight of the pre-condensed phenol-formaldehyde resin were homogeneously mixed with 30 parts by weight of the phosphorus compound and the mixture was poured into a mold, the dimensions of which complied with UL 94 (Underwriters Laboratories).
  • test specimens produced by subsequent heat curing of the resin were given the V-0 rating in the flammability test.
  • Example 1 The mixture of phenol-formaldehyde resin and halogen-free phosphorus compound prepared in Example 1 was uniformly applied in an amount of 55 parts by weight in 100 parts by weight of wood fibers. Plate-like structures were obtained by pressing. The plates thus produced were one Flame test according to DIN 4102, Part 1, subjected and met the requirements of building material class B 1.
  • EXAMPLE 3 In order to produce flame-retardant insulation materials which are used in automobile construction, 100 parts by weight of tear cotton were combined with 45 parts by weight of a flame-retardant mixture of phenol-formaldehyde resin and a halogen-free phosphorus compound to form a sheet-like structure.
  • the flame-resistant resin mixture had a phenol-formaldehyde resin content of 62% by weight, corresponding to a content of phosphorus compounds of 38% by weight.
  • the phosphorus compounds consisted of a mixture of 75% aminomethanephosphonic acid ethylene glycol ester and 25% primary tin (IV) phosphate.

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Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Flammfestmachung von Phenol-Formaldehyd-Harzen, bei dem man den vorkondensierten Harzen vor der endgültigen Härtung eine oder mehrere halogenfreie Phosphorverbindungen einverleibt, die bei der Weiterverarbeitung (Härtung) der Harze über kovalente Bindungen an das Harzgerüst gebunden werden und/oder als solche oder in Form von Aggregaten bzw. Kondensaten im Harzgerüst eingeschlossen werden.

Description

VERFAHREN ZUR FLAMMFEST ACHUNG VON PHENOL-FORMALDEHYD-HARZ
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Flamm- festmachung von Phenol-Formaldehyd-Harz und ein derartiges Harz enthaltende Produkte. Insbesondere betrifft die vorlie¬ gende Erfindung die Verwendung von halogenfreien Phosphor¬ verbindungen zur integralen Flammfestausrüstung von Phenol- Formaldehyd-Harzen.
Phenolharze werden als Rohstoffe oder als Hilfsmittel in Form von Binde- und Imprägniermitteln zur Herstellung einer Viel¬ zahl von verschiedenartigen Produkten eingesetzt.
Die bevorzugten Anwendungsgebiete derartiger Harze sind bei der Verleimung von Holzwerkstoffen und der Herstellung von Formmassen und Lacken. Weiterhin werden Phenolharze als Binde¬ mittel für die Herstellung von anorganischen oder organischen Faserverbundwerkstoffen eingesetzt, die als Schleifmittel oder Reibbeläge oder als Stoffe zur Wärme- und Schallisolation Anwendung finden. Darüber hinaus sind noch Anwendungen bei der Herstellung von Harzpapieren oder -geweben und bei der Her¬ stellung von Phenolharzεchäumen und anderen chemikalienfesten Baustoffen zu erwähnen.
Die Phenol-Formaldehyd-Kondensationsharze sind säure- oder basenkatalysierte Harze und werden in Form von vorkondensier¬ ten Produkten unter der Bezeichnung "Novolake" bzw. "Resole" ihrer Verwendung zugeführt. Die Herstellung dieser Produkte ist in der chemischen Standard-Literatur beschrieben, vgl. z.B. Ullmann, Enzyklopädie der chemischen Industrie, 2. Aufla¬ ge, Band 13, Seiten 453 bis 478.
Für viele Produkte, die unter Verwendung von Phenol-Formalde¬ hyd-Harzen hergestellt werden, sind Richtwerte für die Brenn- barkeit vorgegeben. Zum Beispiel müssen Formteile für den Automobilbau, die aus Phenolharz-verfestigten Vliesstoffen oder Holzfaserplatten hergestellt werden, in der Brennbarkeit den Anforderungen nach DIN 54333 und DIN 75200 sowie US-FMVSS 302 genügen.
Seit einigen Jahren werden jedoch immer höhere Anforderungen hinsichtlich der Flammhemmung an diese Formteile und an andere der oben erwähnten Phenolharz-gebundenen Werkstoffe gestellt. So sollten z.B. Hartfaser-, Span- und Vermikulitplatten für besondere Anwendungen wie z.B. den Messebau flammfest nach Baustoffklasse B 1 ausgerüstet werden. Die Voraussetzungen für die Einreihung in die Baustoffklasse B 1 können zwar mit den in der KunststoffIndustrie üblichen Zusätzen erreicht werden, jedoch weisen alle diese Zusätze bestimmte Nachteile auf.
Zur Zeit werden Stoffe mit sehr unterschiedlichen chemischen Eigenschaften zur Flammhemmung eingesetzt. Die wichtigsten Beispiele hierfür sind Aluminiumhydroxid, Ammoniumsulfat, Ammoniumphosphat und -polyphosphat, Melaminborat, Antimontri- oxid, roter Phosphor und eine Reihe von Halogenverbindungen, die in einem zusätzlichen Arbeitsgang den aus Phenolharzen hergestellten Produkten als Zuschläge hinzugefügt werden.
Aluminiumhydroxid muß dem Phenol-Formaldehyd-Harz in einer Konzentration von bis zu 50 Gew.-% zugegeben werden, wenn das erstere den gestellten Anforderungen an die Flammhemmung ge- recht werden soll. Dadurch werden jedoch die physikalischen Eigenschaften von z.B. Hartfaserplatten stark verändert.
Flammschutzmittel wie Ammoniumphosphate und -sulfate sind wasserlöslich und können aus den Werkstoffen bzw. Endprodukten ausgewaschen werden. Durch gelöstes Ammoniumsulfat in Form¬ teilen auf der Basis von Vliesstoffen können überdies Korro¬ sionen ausgelöst werden.
Beim Einsatz von Ammoniumpolyphosphat ergeben sich Schwierig- keiten bei der gleichmäßigen Verteilung im Phenolharz, was zu unbefriedigenden Phenolharz-gebundenen Werkstoffen führt. Mit Boraten kann die geforderte Baustoffklasse B 1 nicht er¬ reicht werden. Melaminborat kann jedoch als Teilkomponente zur Verhinderung des Nachglimmens eingesetzt werden.
Der Einsatz von Halogenverbindungen und von Antimontrioxid ist aus Gründen des Umweltschutzes unerwünscht. Roter Phosphor als Flammschutzmittel führt zu Problemen bei dessen Handhabung.
Aus J.W. Lyons, "The Chemistry and Uses of Fire Retardants", 1970, Seiten 417-418, ist die Umsetzung von Phosphoresterchlo¬ riden mit phenolischen Körpern zum Zwecke der Flammfestaus¬ rüstungvon Phenol-Formaldehyd-Harzenbekannt. Diese Umsetzung verläuft unter Abspaltung von HCl-Gas und ist deshalb nur auf Novolak-Harze anwendbar. Resol-Harztypen können damit nicht- flammfest ausgerüstet werden, da durch das freigesetzte HCl- Gas das für die Herstellung dieser Harze notwendige basische Katalysatorsystem beeinträchtigt bzw. außer Funktion gesetzt wird. Darüber hinaus führt die Umsetzung mit Phosphorester¬ chloriden zu einer starken Korrosion in den Apparaturen. Aus- serdem ist auch die Anwendung der so flammfest ausgerüsteten
Novolak-Harze bedingt durch deren hohen Gehalt an Halogeniden
(insbesondere dann, wenn zusätzlich halogenierte Phosphorver- bindungen eingesetzt werden) begrenzt. Im Brandfall werden nämlich große Mengen an Halogenwasserstoffgas in Freiheit gesetzt.
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß man Werkstoffe auf der Basis von Phenol-Formaldehyd-Harz direkt flammfest ausrüsten kann, wenn man halogenfreie (und vorzugsweise sauer reagierende) Phosphorverbindungen demvorkondensiertenPhenol- Formaldehyd-Harz zu irgendeinem Zeitpunkt vor der Verarbeitung (Härtung) zum Endprodukt zumischt. Dadurch werden die halogen¬ freien Phosphorverbindungen homogen im vorkondensierten Harz verteilt und bei der Weiterverarbeitung bzw. Anwendung werden diese Verbindungen somit zu einem integralen, unlöslichen- Bestandteil der Harzmassen. Besondere Vorteile ergeben sich er indungsgemäß, wenn Basen¬ katalysierte Phenol-Formaldehyd-Harze Verwendung finden, weil durch die vorliegende Flammfestausrustung eine Freisetzung saurer Halogenwasserstoffgase nicht möglich ist. Weiterhin geht von der erfindungsgemäßen Flammfestausrustung weder bei der Verarbeitung der Harze noch im Brandfall eine Korrosion aus.
Die vorliegende Erfindung stellt somit ein Verfahren zur Flammfestmachung von Phenol-Formaldehyd-Harz und dieses Harz enthaltenden Produkten zur Verfügung, das dadurch gekennzeich¬ net ist, daß man dem vorkondensierten Harz vor dessen (endgül¬ tiger) Härtung eine oder mehrere halogenfreie Phosphorverbin- dungen einverleibt, die bei der Weiterverarbeitung (Härtung) des Harzes über kovalente Bindungen an das Harzgerüst gebunden werden und/oder als solche oder in Form von Aggregaten bzw. Kondensaten im Harzgerüst eingeschlossen werden.
Als halogenfreie Phosphorverbindungen eignen sich insbesondere (saure) von Sauerstoffverbindungen des vorzugsweise fünfwerti- gen Phosphors abgeleitete Verbindungen, speziell Phosphor- und PhosphonsäureVerbindungen.
Konkrete Beispiele für Phosphor- und Phosphonsäuren sind Or- tho-, Pyro-, Tri- und Polyphosphorsäuren (vorzugsweise Poly- phosphorsäuren) sowie Phosphonsäuren mit vorzugsweise 1 bis 20 und insbesondere 1 bis 10 Kohlenstoffatomen, wie Methan- phosphonsäure, Hydroxyethandiphosphonsäure, 3-Aminopropanphos- phonsäure, 5-Diethylentriamino-pentanphosphonsäure, 4-Ethylen- diamino-butanphosphonsäure, Morpholino ethandiphosphonsäure und 2-Phosphonobutan-l,2, -tricarbonsäure.
Bevorzugte Reaktionspartner für die obigen Sauerstoffverbin¬ dung .des Phosphors, insbesondere für die Phosphor- und Phos- phonsäuren, sind hydroxylgruppenhaltige KohlenstoffVerbindun¬ gen, die unter Ausbildung von P-O-C-Bindungen mit den Phos- phorverbindungen reagieren können, wie z.B. Alkohole, Phenole und Carbonsäuren.
Die einfachsten und am meisten bevorzugten Verbindungen dieser Stoffklasse sind Alkohole und Phenole, die vorzugsweise mehr¬ wertig sind. Die Alkohole können sowohl aliphatisch als cy- cloaliphatisch, gesättigt und ungesättigt sein, wobei sie in der Regel 2 bis 20, insbesondere 2 bis 10 Kohlenstoffatome und 2 bis 6, insbesondere 2 bis 4, Hydroxylgruppen aufweisen. Die aromatischen Alkohole (Phenole) weisen in der Regel eine Ge¬ samtkohlenstoffzahl von 6 bis 20, insbesondere 6 bis 10 und vorzugsweise 2 bis 4 (insbesondere 2 oder 3) direkt an das aromatische System gebundene Hydroxylgruppen auf. Vorzugsweise bilden diese Alkohle und Phenole jeweils eine oder zwei P-O-C-Brücken mit der Phosphorverbindung aus.
Konkrete und bevorzugte Beispiele für die obigen Alkohole sind Ethylenglykol, Glycerin, 1,2- und 1,3-Propandiol, Trimethylol- propan, 1,4-Butandiol, 1,2, 6-Hexantriol, Pentaerythrit, Cyc- lohexandiol, Meso-Inosit, 1,4-Dihydroxymethyl-2,5-dihydroxy- benzol, Brenzkatechin und Resorcin.
Die mehrwertigen Alkohole können entweder allein oder als Mischung von mehreren Verbindung und/oder in Mischung mit einwertigen Alkoholen eingesetzt werden. Bevorzugt enthält das entsprechende Endprodukt (z.B. der Phosphorsäure- bzw. Phos- phonsäureester) mindestens eine an Phosphor gebundene freie Hydroxylgruppe (und vorzugsweise auch mindestens eine an Koh¬ lenstoff gebundene freie Hydroxylgruppe) .
Erfindungsgemäß besonders bevorzugte Reaktionsprodukte, die sich in die oben beschriebene Stoffklasse einreihen lassen, sind Verbindungen, die sich von aromtischen Polyolen (insbe¬ sondere Diphenolen) mit Polyphosphorsäure oder den oben ge- nannten Phosphorsäuren ableiten, da beim Verarbeiten der vor¬ kondensierten Harze die flammfeste Ausrüstung direkt in die Struktur der ausgehärteten Phenol-Formaldehyd-Harze eingebaut wird.
Eine andere bevorzugte Klasse von Verbindungen, die erfin- dungsgemäß als halogenfreie Phosphorverbindungen eingesetzt werden können, sind Heteropolysäuren des Phosphors, insbeson¬ dere solche, die neben Phosphor Silicium, Molybdän und/oder Wolfram enthalten, sowie Salze dieser Heteropolysäuren, vor¬ zugsweiseAmmoniumsalze. Konkrete Beispiele hierfür sind Sili- cophosphorsäure, Molybdän-Phosphorsäure undWolfram-Phosphor- s ure.
Erfindungsgemäß wurde weiterhin festgestellt, daß alle der oben genannten Verbindungen einen besonders günstigen Einfluß auf die Flammfestigkeit der Endprodukte ausüben, wenn sie zusätzlich Stickstoff enthalten. Hierbei sind insbesondere Verbindungen zu erwähnen, die sich von stickstoffhaltigen Phosphonsäuren (z.B. solchen, wie sie oben genannt wurden) ableiten.
Eine weitere Klasse von erfindungsgemäß einsetzbaren halogen¬ freien Phosphorverbindungen sind (Metall-) Salze von Phosphor- haltigen Säuren. Erfindungsgemäß bevorzugt werden hierbei Salze der Sauerstoffsäuren des Phosphors (insbesondere der Phosphor- und Phosphonsäuren) mit dreiwertigen Kationen (ins¬ besondere ausgewählt aus Kationen des Aluminiums, Eisens und Chroms) und die Zinn(II)- und Zinn(IV)-Salze dieser Säuren. Konkrete Beispiele hierfür sind insbesondere die Phosphate der soeben genannten Elemente.
Erfindungsgemäß können sowohl einzelne halogenfreie Phosphor- verbindungen als auch Mischungen derartiger Verbindungen ein¬ gesetzt werden. Bevorzugt bestehen derartige Mischungen über¬ wiegend (z.B. zu mindestens .75 Gew.-%) aus organischen Phos- phorverbindungen (z.B. Estern). Die Flammfestigkeit der Endprodukte wird erfindungsgemäß in erster Linie durch den Phosphorgehalt, bezogen auf die Phenol- harzmenge, bestimmt. Üblicherweise werden die erfindungsgemäß verwendeten Phosphorverbindungen in Mengen eingesetzt, die zu einem Phosphorgehalt des flammfest ausgerüsteten Harzes von 0,5 bis 15 Gew.-% führen. Besonders bevorzugt wird ein Phos¬ phorgehalt von 1 bis 12, und insbesondere ein solcher von 2 bis 8 Gew.-%.
Die erfindungsgemäß verwendbaren Phosphorverbindungen weisen naturgemäß unterschiedliche Phosphorkonzentrationen auf. Bei den Phosphorsäuresalzen liegt der Phosphor-Gehalt in der Regel bei ca. 20 bis 29 Gew.-%, während bei organischen Phosphorver¬ bindungen im allgemeinen ein Phosphor-Gehalt im Bereich von ca. 12 bis 29 Gew.-% anzutreffen ist.
Die Brennbarkeit der mit dem erfindungsgemäß flammfest ausge¬ rüsteten Phenolharz verarbeiteten Werkstoffe, wie z.B. Holz, Papier, Vliese, Mineralfasern usw., hat ebenfalls einen Ein- fluß auf die Flammfestigkeit des Endprodukts.
Auch die Molekulstruktur der erfindungsgemäß eingesetzten Phosphorverbindungen übt einen Einfluß auf die Flammfestigkeit der Endprodukte aus. So wurde z.B. gefunden, daß P-OH-Gruppen enthaltende Phosphorverbindungen durch diese im Molekül ent¬ haltene saure Gruppe schneller und stärker dehydratisierend auf Sauerstoffhaltige organische Verbindungen einwirken. Ins¬ besondere trifft dies auf die Phosphorsäureester zu, die aus mehrwertigen Alkoholen gebildet werden und zur Ausbildung von Ringstrukturen neigen. Weiter weisen, wie bereits oben er¬ wähnt, z.B. Phosphorverbindungen, die aus stickstoffhaltigen Phosphonsäuren hergestelltwurden, bei gleichem Phosphorgehalt eine grössere Flammhemmung auf als die entsprechenden Stick¬ stoff-freien Phosphorverbindungen.
Die anorganischen Phosphorverbindungen (insbesondere die Phos¬ phorsäu esalze) führen zur Ausbildung von nicht brennbaren Gerüststrukturen, von denen ein flammschützender Effekt aus¬ geht.
Die erfindungsgemäß verwendeten Phosphorverbindungen werden als Mischungskomponente indenvorkondensierten Phenol-Formal¬ dehyd-Harzen gleichmäßig verteilt und anschließend bei deren Verarbeitung fest in die Harzstruktur eingebunden, wodurch ein im Harz integrierter Flammschutz erzielt wird, der als flamm¬ schützender Überzug auf den mit Phenolharz hergestellten Werk- Stoffen wirksam ist.
Gegenüber dem Stand der Technik ergeben sich dadurch eine Reihe von Vorteilen:
Die Eintragung der Flammschutzkomponente erfolgt mit der Phe¬ nolharzverarbeitung. Ein zusätzlicherArbeitsgang zurAufbrin¬ gung des Flammschutzes ist somit nicht erforderlich. Die Ei¬ genschaften der hergestellten Werkstoffe werden dabei mit Ausnahme des Brennverhaltens nur unwesentlich verändert.
Die Flammschutzkomponente ist (chemisch und/oderphysikalisch) fixiert und kann nicht ausgewaschen werden. Dadurch ist der Flammschutz dauerhaft. Weiterhinwerden eventuelle Korrosions- einflüsse auf andere Stoffe und umweltrelevante Folgeerschei- nungen insbesondere aufgrund der Abwesenheit von Halogen aus¬ geschlossen.
Im Gegensatz zu den bekannten neutralen tertiären Arylestern, wie z.B. Triphenylphosphat und Trikresylphosphat, die stark' toxisch sind, zeichnen sich die erfindungsgemäß bevorzugt eingesetzten sauren Phosphorverbindungen durch eine geringe Flüchtigkeit, verbunden mit einer minimalen Giftigkeit, aus.
Im übrigen kann bei der Verwendung der erfindungsgemäß einge- setzten Phosphorverbindungen in bestimmten Fällen auf den Einsatz von weiteren Kondensationskatalysatoren verzichtet werde . Die Anwendung der erfindungsgemäß verwendeten halogenfreien Phosphorverbindungen bei der Flammfestausrustung von Phenol- Formaldehyd-Harzen oder den unter Verwendung von Phenol-Form- aldehyd-Harzen hergestellten Produkten ist einfach und kann z.B. durch Beimischen der halogenfreien Phosphorverbindungen zu den vorkondensierten Harzen erfolgen. Die dazu anzuwendende Mischtechnik richtet sich nach dem Harztyp und den mit Harz beaufschlagten anderen Materialien, die zur Herstellung der konkreten Endprodukte, wie z.B. Spanplatten, Dämmplatten und Preßmassen, notwendig sind.
Bei der Verarbeitung von Phenol-Formaldehyd-Harzen zu Preßmas- sen werden die halogenfreien Phosphorverbindungen vorzugsweise bei der Herstellung der Rohlinge zusammen mit den brennbaren Füllstoffen wie z.B. Holzmehl, Zellstoff, Textilien usw. in einem Kneter oder anderen Zwangs ischer homogen in die Pre߬ massen eingearbeitet. Eine vergleichbare Technik wird vorzugs¬ weise angewendet, wenn Pulverharze flammfest ausgerüstet wer- den sollen.
Bei der Flammfestausrustung von niedermolekularen Resolen werden die halogenfreien Phosphorbindungen zweckmäßig in die viskose Harzmatrix eingerührt, so daß eine einphasige Mischung aus Phenol-Formaldehyd-Harz und halogenfreier Phosphorverbin¬ dung entsteht. Die Zubereitung der Mischung erfolgt vorzugs¬ weise kurz bzw. unmittelbar vor Verwendung der Resole.
Die Auswahl der halogenfreien Phosphorverbindung für einen konkreten Zweck richtet sich nach der beabsichtigten Verwen¬ dung des Phenol-Formaldehyd-Harzes. Im Falle von Spanplatten als beabsichtigtem Endprodukt wird es bevorzugt, Produkte auf der Basis von Polyphosphorsäure, Pentaerythrit und anderen aliphatischen Polyolen in Kombination mit anorganischen Phos- phorverbindungen (z.B. den oben genannten Salzen) einzusetzen. Im Falle von Vliesen kann es zweckmäßig sein, nur die zuerst genannten Produkte einzusetzen. Bei der Herstellung von Dämmplatten hat sich der Zusatz von anorganischen Phosphaten, insbesondere von Zinn(IV)-Phosphat besonders bewährt. Die Vliese können durch Spritzauftrag mit den viskosen vorkondensierten und flammfest ausgerüsteten Harzen beschichtet werden. Es ist daher wünschenswert, daß die anorganischen Phosphate in einer Korngröße vorliegen, die den Spritzauftrag nicht durch Verstopfen der Düse beeinträchtigt. Die Korngröße der halogenfreien Phosphorverbindung wird des- halb im allgemeinen unter 100 um liegen.
Die folgenden Beispiele dienen zur weiteren Erläuterung der vorliegenden Erfindung, ohne diese in irgendeiner Weise zu beschränken.
BEISPIEL 1
Ein Phenol-Formaldehyd-Harz vom Resol-Typ wurde wie folgt flammfest ausgerüstet:
Eine halogenfreie Phosphorverbindung wurde durch Kondensa¬ tionsreaktion von Phosphorsäure, Pentaerythrit und Glycerin im Molverhältnis 2:1:1 hergestellt. 100 Gewichtsteile des vorkondensierten Phenol-Formaldehyd-Harzes wurdenmit 30 Gew.- Teilen der Phosphorverbindung homogen vermischt und die Mi- schung wurde in eine Form gegossen, deren Maße der Vorschrift UL 94 (Underwriters Laboratories) entsprachen.
Die durch anschließende Wärmehärtung des Harzes hergestellten Prüfkörper erhielten im Brennbarkeitstest die Bewertung V- 0.
BEISPIEL 2
Die in Beispiel 1 hergestellte Mischung aus Phenol-Formalde¬ hyd-Harz und halogenfreier Phosphorverbindung wurde in einer Menge von 55 Gew.-Teilen in 100 Gew.-Teilen Holzfasern gleich¬ mäßig appliziert. Durch Verpressen wurden plattenförmige Ge¬ bilde erhalten. Die so hergestellten Platten wurden einem Beflammtest nach DIN 4102, Teil 1, unterzogen und erfüllten die Anforderungen der Baustoffklasse B 1.
BEISPIEL 3 Zur Herstellung von flammfest ausgerüsteten Dämmstoffen, die imAutomobilbau Verwendung finden, wurden 100 Gew.-Teile Rei߬ baumwolle mit 45 Gew.-Teilen einer flammfest ausgerüsteten Mischung aus Phenol-Formaldehyd-Harz und einer halogenfreien Phosphorverbindung zu einemplattenförmigen Gebilde verbunden. Die flammfest ausgerüstete Harzmischung hatte einen Phenol- Formaldehyd-Harz-Gehalt von 62 Gew.-%, entsprechend einem Gehalt an Phosphorverbindungen von 38 Gew.-%. Die Phosphorver¬ bindungen bestanden aus einem Gemisch von 75% Aminomethanphos- phonsäureethylenglykolester und 25% primärem Zinn(IV)-phos- phat.
Einer internen Testmethode des Automobilherstellers zufolge wurde die geforderte Schwerentflammbarkeit der Dämmplatten erreicht.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Flammfestmachung von Phenol-Formaldehyd- Harzen und diese Harze enthaltenden Produkten, dadurch gekennzeichnet, daß man den vorkondensierten Harzen vor der Härtung eine oder mehrere halogenfreie Phosphorver¬ bindungen einverleibt, die bei der Weiterverarbeitung (Härtung) der Harze über kovalente Bindungen an das Harz¬ gerüst gebunden werden und/oder als solche oder in Form von Aggregaten bzw. Kondensaten im Harzgerüst einge- schlössen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die halogenfreien Phosphorverbindungen von Sauer¬ stoffverbindungen des vorzugsweise fünfwertigen Phos- phors, insbesondere von Phosphor- und Phosphonsäuren, ableiten.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die halogenfreien Phosphorverbindungen Verbindungen, insbesondere Ester, von Sauerstoffsäuren des Phosphors, vorzugsweise von Phosphor- und Phosphonsäuren, mit hy- droxylgruppenhaltigenKohlenstoffVerbindungeneinschlie¬ ßen, wobei diese halogenfreien Phosphorverbindungen über mindestens eine an Phosphor gebundene freie Hydroxylgrup- pe verfügen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die hydroxylgruppenhaltigen Kohlenstoffverbindungen mehr¬ wertige Alkohole und/oder mehrwertige Phenole, vorzugs- weise ausgewählt 'aus Ethylenglykol, Glycerin, 1,2- und
1,3-Propandiol, Dirnethylolpropan, 1,4-Butandiol, 1,2,6- Hexantriol, Pentaerythrit, Cyclohexandiol, Meso-Inosit, 1,4-Dihydroxymethyl-2,5-dihydroxybenzol, Brenzkatechin, Resorcin und Mischungen derselben, umfassen.
5. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die halogenfreien Phosphorverbindun- gen He eropolysäuren des Phosphors, insbesondere solche von Silicium, Molybdän und Wolfram, und Salze derselben einschließen.
6. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die halogenfreien Phosphorverbindun¬ gen Stickstoff enthalten.
7. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die halogenfreien Phosphorverbindun¬ gen Salze der Sauerstoffsäuren des Phosphors mit dreiwer¬ tigen Kationen, vorzugsweise ausgewählt aus Kationen von AI, Fe und Cr, und/oder Zinnsalze dieser Säuren ein¬ schließen.
8. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß den Harzen soviel halogenfreie Phos¬ phorverbindungen zugegebenwerden, daß ein Phosphorgehalt von 1 bis 12, insbesondere 2 bis 8 Gew.-% resultiert.
9. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das vorkondensierte Harz vor der Härtung mit üblichen Füllstoffen versehen wird.
10. Verwendung einer oder mehrerer der halogenfreien Phos¬ phorverbindungen gemäß den Ansprüchen 1 bis 7 zur Flamm- festmachung von Phenol-Formaldehyd-Harzen und diese Harze enthaltenden Produkten.
11. Vorkondensierte Phenol-Formaldehydharze, erhältlich nach dem Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9.
12. Verwendung der vorkondensierten Phenol-Formaldehydharze gemäß Anspruch 11 bei der Herstellung von Formmassen, Lacken, Binde- und Imprägniermitteln sowie Klebstoffen.
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