WO2011047804A1 - Kunststoffmaterial mit erhöhter feuerbeständigkeit, dessen herstellungsverfahren sowie kunststoffartikel aus einem solchen kunstoffmaterial - Google Patents

Kunststoffmaterial mit erhöhter feuerbeständigkeit, dessen herstellungsverfahren sowie kunststoffartikel aus einem solchen kunstoffmaterial Download PDF

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WO2011047804A1
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flame retardant
plastic
plastic material
base material
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PCT/EP2010/006302
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Michael Gass
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Biowert Ag
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    • C08J5/04—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material
    • C08J5/06—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material using pretreated fibrous materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
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    • C08K5/00—Use of organic ingredients
    • C08K5/0008—Organic ingredients according to more than one of the "one dot" groups of C08K5/01 - C08K5/59
    • C08K5/0066—Flame-proofing or flame-retarding additives

Definitions

  • the present invention relates to a process for producing a plastic material having increased fire resistance
  • Plastic articles made of such a plastic material.
  • Plastic materials with increased fire resistance are needed in many technical fields.
  • An example of this is the construction sector, in which plastic parts for the installation of electrical equipment, such as e.g. Flush-mounted boxes, housing of switch boxes etc.
  • the fire resistance which includes the plastic base material, e.g. Polyethylene or polypropylene, this offers, is usually not sufficient.
  • flame retardants can be added to the plastic base material.
  • Flame retardants or fire retardants are substances which limit the spread of fires and / or the development of smoke,
  • the material itself is flame retardant
  • the fire retardant is applied from the outside as a coating
  • Processing are added to the plastic base material in a separate mixing step to be provided.
  • Other known flame retardants which are added to the plastic are nitrogen-based flame retardants, organophosphorus flame retardants and inorganic flame retardants.
  • the object of the present invention is to provide a method for
  • thermoplastic material with increased fire resistance and to provide such a plastic material, wherein the production is simple and inexpensive to carry out.
  • This object is achieved by a method for producing a thermoplastic material with increased
  • thermoplastic plastic material can be obtained, which is easy to produce and at the same time has an increased fire resistance compared to the plastic base material.
  • the fire resistance can be compared to the
  • Plastic base material without equipped fibers are significantly increased.
  • the plastic material may be a starting product for the plastics processing industry, in particular a
  • the plastic material may be formed as granules or as pellets.
  • the plastic material is in the form of a plastic granulate or in the form of plastic pellets of a machine, for example a
  • the increased fire resistance is achieved by treating the fibers of the biomass and using a flame retardant
  • Plastic base material is introduced.
  • the fibers contribute to improved mechanical properties of the plastic material as the fibers reinforce the plastic material.
  • the required amount of plastic base material is introduced.
  • the fibers of the biomass provided are processed.
  • the biomass may e.g. be treated by a macerator so that the fibers are disrupted and contained cell juice emerges.
  • the fibers of the biomass containing cellulose in this way of undesirable substances, such as impurities and
  • Proteins are cleaned.
  • the appropriately processed fibers can then be well equipped with the flame retardant and introduced into the plastic base material.
  • a further improvement is achieved by providing the flame retardant in an aqueous phase.
  • the Flame retardant may for example be suspended, dispersed or dissolved in the aqueous phase.
  • the flame retardant can easily and evenly apply to the fibers. Therefore, a permanent connection between the fibers and the flame retardant can be achieved, which facilitates the further processing, especially since a later separation of
  • Flame retardants and fibers can be avoided.
  • the finishing of the fibers can take place in an exhaust process, as it is also used in dyeing. If that
  • the processing is particularly simple.
  • the fibers can then be particularly easily equipped with the flame retardant, since the cellulose-containing fibers due to their hydrophilic properties
  • the flame retardant contains an inorganic flame retardant and / or an organophosphorus flame retardant.
  • inorganic flame retardants can be used, for example: boron, boron-containing
  • organophosphorus flame retardant there can be used aromatic and aliphatic esters of phosphoric acid such as TCEP (tris (chloroethyl) phosphate), TCPP (tris (chloropropyl) phosphate), TDCPP
  • Tris (dichloroisopropyl) phosphate), TPP (triphenyl phosphate), TEHP (tris (2-ethylhexyl) phosphate), TKP (tricresyl phosphate), ITP (“isopropylated triphenyl phosphate"), mono-, bis- and tris (isopropylphenyl) phosphates, RDP (resorcinol bis (diphenyl phosphate)), BDP (bisphenol A bis (diphenyl phosphate)) or mixtures thereof.
  • the inorganic flame retardant boron, a boron-containing compound
  • borax and / or boric acid are especially borax and / or boric acid. These substances allow good fire protection at a low level
  • the flame retardant contains boric acid and borax. According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the content of boron or boron-containing compound in the finished fibers is between 1 and 10% by weight,
  • a content between 2.5 and 5 wt.%.
  • a higher content of boron or the boron-containing compound leads to a higher water absorption, which can lead to a poorer quality in the thermoplastic processing.
  • the plastic base material in particular contains polypropylene, polyethylene and / or polystyrene.
  • polystyrene for example, styrene acrylonitrile and / or
  • Plastic base material to be subjected to drying.
  • Plastic material to improve the fire resistance contribute. Particularly good properties of the plastic material are achieved when a content of dry matter of 95% is not exceeded during drying.
  • the fibers are dried to a dry matter content of 88 to 92%.
  • an air-layer dryer can be used, in which the fibers are gently dried at a temperature of about 140 ° C.
  • a particularly good absorption of the flame retardant is obtained when the equipment of the fibers takes place after the processing of the fibers.
  • Good fire resistance and good processability result when the fiber-containing biomass grass clippings,
  • the present invention also relates to a
  • Plastic material with increased fire resistance containing a
  • Plastic base material and fibers of biomass wherein at least a part of the fibers is equipped with a flame retardant.
  • the flame retardant contains an inorganic flame retardant and / or an organophosphorus flame retardant.
  • inorganic flame retardants can be used, for example: boron, boron-containing Compounds, aluminum hydroxide, magnesium hydroxide,
  • organophosphorus flame retardants aromatic and aliphatic esters of phosphoric acid can be used, such as TCEP (tris (chloroethyl) phosphate), TCPP (tris (chloropropyl) phosphate), TDCPP
  • Tris (dichloroisopropyl) phosphate), TPP (triphenyl phosphate), TEHP (tris (2-ethylhexyl) phosphate), TKP (tricresyl phosphate), ITP (“isopropylated triphenyl phosphate"), mono-, bis- and tris (isopropylphenyl) phosphates, RDP (resorcinol bis (diphenyl phosphate)), BDP (bisphenol A bis (diphenyl phosphate)) or mixtures thereof.
  • the plastic base material contains, in addition to the fibers provided with the flame retardant, further fibers of biomass which are not equipped with a flame retardant.
  • the invention also relates to a plastic article
  • the plastic articles may be, for example, installation material for electrical purposes, flush-mounted boxes, surface-mounted boxes, switch housings, control boxes, pipes.
  • the invention relates
  • plastic articles which are produced by means of thermoplastic production.
  • the plastic articles can, as described above, be end products or designed as semi-finished products.
  • Figure 1 illustrates schematically a method for producing a plastic material with increased fire resistance under
  • This may be fibers containing
  • Plant parts of different plants act. Particularly suitable for the method described are plant parts which are not woody and therefore contain only small amounts or no lignin. Also advantageous are plant parts that are not horny to a small extent or not at all. A cornification is added
  • Plant fibers usually triggered by a drying process. It is therefore proposed to use those parts of plants which have not been dried.
  • fresh cut grass or siled grass is particularly suitable.
  • fiber qualities are provided as starting material whose dry substance contents are between 25 and 40% by weight. Dry matter content refers to the content of dry substance that remains when all water is removed. A content of dry matter of 25 to 40% by weight therefore corresponds to a water content of between 75 and 60% by weight.
  • the advantage of ensiling is that the grass, which is only available at certain seasons, can be processed throughout the year without any loss of quality.
  • Further suitable substances are rye green crop, grains and / or bar alley, although other renewable fiber-containing raw materials available depending on the region can also be used.
  • the fibers are processed from the biomass.
  • a macerator can be used, which due to The generated friction opens the cells filled with cell fluid and lets the cell juice escape.
  • the treatment is carried out with the addition of water, which simultaneously allows to wash out impurities and undesirable substances, so that after the
  • the processed fibers consist essentially of alpha-cellulose and hemi-cellulose.
  • the ratio between these two types of cellulose depends on the time of cutting of the biomass. Both types of cellulose are also important.
  • the alpha-cellulose is important for the mechanical stability of the fibers
  • the hemi-cellulose is important for the uniformity of the absorption of the flame retardant and for the processing, in particular the flowability of the plastic material in the thermoplastic processing.
  • step 3 the fibers are provided with a flame retardant.
  • the equipment is provided with the flame retardant in the aqueous phase.
  • Flame retardant may be provided dissolved or suspended in the water. In this way, the flame retardant is taken up in the fibers or attached to these. The equipment with the flame retardant can be done in this way just as easy as a dyeing process.
  • flame retardants in particular inorganic
  • Flame retardants and / or organophosphorus flame retardants can be used.
  • inorganic flame retardants in particular those having boron or a boron-containing compound.
  • a mixture of borax and boric acid has proved advantageous. These substances attract like the dye on the
  • the flame retardant is especially halogen-free and antimony-free and therefore harmless to the environment. It is advantageous in the inventive method, when the fibers provided in the wet state digested before the first drying with the addition of water and then with the
  • the fibers are dried as intermediate step 4. This is the first drying of the fibers, which were always kept moist until then. The drying is gentle, optionally in a multi-step process. The drying can be carried out, for example, in a pad dryer at temperatures between 120 ° C and 160 ° C. The drying takes place up to a content
  • Dry substance of 88 to 92 wt.% which in other words corresponds to a residual moisture content of 8 to 12 wt.%. This gentle drying largely prevents keratinization or embrittlement of the fibers.
  • the fibers retain their suppleness, which has a positive effect on the mechanical stability of the finished product
  • a content of flame retardant, z. B. to boron or boron-containing compound in the purified fibers between 1 and 10 wt.%, In particular between 2 and 7 wt.%, With the range of 2.5 to 5 wt.% Is particularly preferred.
  • a step 5 those with the flame retardant
  • plastic base material thermoplastics or components thereof can be used. Particularly suitable are polypropylene, polyethylene and polystyrene, e.g. Styrene acrylonitrile and / or
  • Plastic base material may e.g. done by compounding. According to the invention, up to 75% by weight of the fibers, all or part of which are provided with the flame retardant, can be brought together with 25% by weight of plastic base material
  • Plastic base material reached. Even with a share of 25% by weight of the plastic base material and 75% by weight of fibers, very good results can be achieved with regard to both strength and fire protection. It has proven useful to use the fibers in a proportion of between 25% by weight and 75% by weight. With a proportion of 40% by weight to 60% by weight fibers, very good results are achieved.
  • the plastic material has a content of flame retardant which is contained in or on the fibers, between 0.5 wt.% And 5 wt.%, Based on the fiber-containing plastic material.
  • the content of flame retardant is between 1% by weight and 3.5% by weight, with 1.25% by weight to 2.5% by weight being particularly preferred.
  • the fiber-containing plastic material may be provided, for example, in pellet or granular form, and thus further processed with conventional plastic processing machines.
  • plastic material can be problematic in extrusion machines and injection molding machines are processed to a variety of plastic articles.
  • plastic articles can be made in which increased fire resistance is important.
  • the plastic material for plastic articles such as installation material for electrical purposes, flush boxes, surface-mounted boxes, switch housings, switch boxes and parts thereof, pipes, etc. It can also be made of plastic articles for any other technical areas, for example for the
  • Test temperature of 750 ° C can be achieved.
  • the same fire protection can be achieved by equipping grass fibers with only 5% by weight.
  • Test temperature of 750 ° C can be achieved. This shows that the

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines thermoplastischen Kunststoffmaterials mit erhöhter Feuerbeständigkeit unter Verwendung einer Fasern enthaltenden Biomasse sowie ein solches Kunststoffmaterial. Die Erfindung sieht vor, Fasern enthaltende Biomasse bereitzustellen, die Fasern aufzubereiten, wenigstens einen Teil der Fasern mit Flammschutzmittel auszurüsten und die Fasern in ein Kunststoffgrundmaterial einzubringen.

Description

Patentanmeldung
Anmelder: Biowert AG, Aarau
KUNSTSTOFFMATERIAL MIT ERHÖHTER FEUERBESTÄNDIGKEIT, DESSEN
HERSTELLUNGSVERFAHREN SOWIE KUNSTSTOFFARTIKEL AUS EINEM SOLCHEN KUNSTOFFMATERIAL
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffmaterials mit erhöhter Feuerbeständigkeit, ein
Kunststoffmaterial mit erhöhter Feuerbeständigkeit sowie einen
Kunststoffartikel aus einem solchen Kunststoffmaterial.
Kunststoffmaterialien mit erhöhter Feuerbeständigkeit werden in vielen technischen Bereichen benötigt. Ein Beispiel hierfür ist der Baubereich, in dem Kunststoffteile für die Installation von elektrischen Anlagen, wie z.B. Unterputzdosen, Gehäuse von Schaltkästen etc.
bestimmte Anforderungen an die Feuerbeständigkeit erfüllen müssen, damit auch im Falle von Kurzschlüssen ein Feuer nicht entstehen oder sich nicht ausbreiten kann. Die Feuerbeständigkeit, welche das Kunststoffgrundmaterial, wie z.B. Polyethylen oder Polypropylen, hierfür bietet, ist in der Regel nicht ausreichend. Um die
Feuerbeständigkeit zu erhöhen, können dem Kunststoffgrundmaterial Flammschutzmittel zugegeben werden. Als Flammschutzmittel oder Brandhemmer werden Stoffe bezeichnet, welche die Ausbreitung von Bränden und/ oder die Entwicklung von Rauch einschränken,
verlangsamen oder verhindern.
Prinzipiell unterscheidet man vier Typen von Flammschutzmitteln:
CONF!RMAnON CO^ - Additive Flammschutzmittel: Die Brandhemmer werden in die brennbaren Stoffe als Zusatzstoffe eingearbeitet
- Reaktive Flammschutzmittel: Die Substanzen sind selbst
Bestandteil des Materials - Inhärenter Flammschutz: Das Material selbst ist flammwidrig
- Coating: Der Brandhemmer wird von außen als Beschichtung aufgebracht
Flammschutzmittel für Kunststoffe sind beispielsweise in der DIN EN ISO 1043-4 beschrieben.
Bislang werden als Flammschutzmittel zur Erhöhung der
Feuerbeständigkeit von Kunststoffen häufig Zusätze auf der Basis von Antimon oder Halogenverbindungen eingesetzt. Um den jeweiligen Anforderungen der Prüfnorm zu genügen, müssen z.B. bei der
Herstellung von Unterputzdosen bis zu 25 Gew.% dieser Zusätze vor der Verarbeitung zugegeben werden. Derartige Additive sind
vergleichsweise teuer und erhöhen die Herstellungskosten signifikant. Zudem bergen sie Risiken im Hinblick auf die Gefährdung der Umwelt. Die Verarbeitung wird aufwändiger, da die Zusätze vor der
Verarbeitung dem Kunststoffgrundmaterial in einem gesondert vorzusehenden Mischschritt zugemischt werden. Weitere bekannte Flammschutzmittel, welche dem Kunststoff zugegeben werden, sind Stickstoff basierte Flammschutzmittel, Organophosphor- Flammschutzmittel und anorganische Flammschutzmittel.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur
Herstellung eines Kunststoffmaterials mit erhöhter Feuerbeständigkeit sowie ein solches Kunststoffmaterial anzugeben, wobei die Herstellung einfach und kostengünstig durchführbar ist. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines thermoplastischen Kunststoffmaterials mit erhöhter
Feuerbeständigkeit unter Verwendung einer Fasern enthaltenden Biomasse gelöst, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- Bereitstellen der Fasern enthaltenden Biomasse;
- Aufbereiten der Fasern;
- Ausrüsten wenigstens eines Teils der Fasern mit einem
Flammschutzmittel;
- Einbringen der ausgerüsteten Fasern in ein thermoplastisches
Kunststoff grundmaterial.
Auf diese Weise kann ein thermoplastisches Kunststoffmaterial erhalten werden, welches einfach herstellbar ist und gleichzeitig eine gegenüber dem Kunststoffgrundmaterial erhöhte Feuerbeständigkeit aufweist. Die Feuerbeständigkeit kann dabei gegenüber dem
Kunststoffgrundmaterial ohne ausgerüstete Fasern erheblich erhöht werden. Das Kunststoffmaterial kann dabei ein Ausgangsprodukt für die Kunststoff verarbeitende Industrie, insbesondere ein
Ausgangsprodukt für thermoplastische Um- und Urform verfahren sein. Dabei kann das Kunststoffmaterial als Granulat oder als Pellets ausgebildet sein. Bei der Herstellung eines Kunststoffartikels wird das Kunststoffmaterial in Form eines Kunststoffgranulats oder in Form von Kunststoffpellets einer Maschine, beispielsweise einer
Spritzgussmaschine, einem Extruder oder einer vergleichbaren
Maschine zugeführt und zu einem Kunststoffartikel verarbeitet.
Die erhöhte Feuerbeständigkeit wird dadurch erreicht, dass die Fasern der Biomasse aufbereitet und mit einem Flammschutzmittel
ausgerüstet werden. Auf diese Weise kann das Flammschutzmittel besonders einfach verarbeitet werden, da die Fasern mit dem
Flammschutzmittel ausgerüstet werden und diese Fasern dann in das Kunststoff grundmaterial eingebracht werden. Es ist also nicht erforderlich, Flammschutzmittel unmittelbar in das
Kunststoffgrundmaterial einzuarbeiten. Vielmehr genügt es, die Fasern mit dem Flammschutzmittel auszurüsten, was aufgrund der chemischen Eigenschaften der Fasern aus Biomasse eine andere Verarbeitung und auch die Verwendung von Flammschutzmitteln ermöglicht, die ansonsten nicht oder nur schwer in Kunststoff eingearbeitet werden könnten. Indem das Flammschutzmittel mit den organischen Fasern aus der Biomasse zusammengebracht wird, kann aber nicht nur die Verarbeitung erleichtert werden. Hierbei kann auch die Wirksamkeit des Flammschutzmittels in überraschender Weise gesteigert werden. Bei dem beschriebenen Ausrüsten der Fasern mit dem Flammschutzmittel wird wesentlich weniger Flammschutzmittel benötigt, als wenn das Flammschutzmittel direkt in das
Kunststoffgrundmaterial eingebracht wird. Darüber hinaus tragen die Fasern zu verbesserten mechanischen Werten des Kunststoffmaterials bei, da die Fasern das Kunststoffmaterial verstärken. Zudem wird die erforderliche Menge an Kunststoffgrundmaterial und damit der
Einsatz von wertvollen Rohstoffen reduziert.
Um eine gleichmäßige hohe Qualität zu erhalten werden die Fasern der bereitgestellten Biomasse aufbereitet. Hierzu kann die Biomasse z.B. durch einen Mazerator behandelt werden, sodass die Fasern aufgeschlossen werden und enthaltener Zellsaft austritt. Zudem können die Fasern der Biomasse, welche Cellulose enthalten, auf diese Weise von unerwünschten Stoffen, wie Verunreinigungen und
Eiweißstoffen gereinigt werden. Die entsprechend aufbereiteten Fasern können dann gut mit dem Flammschutzmittel ausgerüstet und in das Kunststoffgrundmaterial eingebracht werden.
Eine weitere Verbesserung wird dadurch erreicht, dass das Ausrüsten mit dem Flammschutzmittel in einer wässrigen Phase erfolgt. Das Flammschutzmittel kann beispielsweise in der wässrigen Phase suspendiert, dispergiert oder gelöst sein. Auf diese Weise kann das Flammschutzmittel auf die Fasern problemlos und gleichmäßig aufziehen. Daher kann eine dauerhafte Verbindung zwischen den Fasern und dem Flammschutzmittel erreicht werden, was die weitere Verarbeitung erleichtert, zumal eine spätere Trennung von
Flammschutzmittel und Fasern vermieden werden kann. Insbesondere kann die Ausrüstung der Fasern in einem Ausziehverfahren erfolgen, wie es auch beim Färben Anwendung findet. Wenn das
Flammschutzmittel in gelöster Form vorliegt, ist die Verarbeitung besonders einfach. Zudem können die Fasern dann besonders einfach mit dem Flammschutzmittel ausgerüstet werden, da die Cellulose enthaltenden Fasern aufgrund ihrer hydrophilen Eigenschaften
Wasser und ein darin gelöstes Flammschutzmittel problemlos aufnehmen.
Besonders bewährt hat sich, wenn das Flammschutzmittel ein anorganisches Flammschutzmittel und/ oder ein Organophosphor- Flammschutzmittel enthält. Als anorganische Flammschutzmittel können beispielsweise eingesetzt werden: Bor, Bor enthaltende
Verbindungen, Aluminiumhydroxid, Magnesiumhydroxid,
Ammoniumsulfat, Roter Phosphor, Antimontrioxid, Antimonpentoxid oder Mischungen hiervon. Als Organophosphor-Flammschutzmittel können aromatische und aliphatische Ester der Phosphorsäure eingesetzt werden, wie beispielsweise TCEP (Tris(chlorethyl)phosphat), TCPP (Tris(chlorpropyl)phosphat), TDCPP
(Tris(dichlorisopropyl)phosphat), TPP (Triphenylphosphat), TEHP (Tris- (2-ethylhexyl)phosphat), TKP (Trikresylphosphat), ITP („Isopropyliertes Triphenylphosphat"), Mono-, Bis- und Tris(isopropylphenyl)phosphate, RDP (Resorcinol-bis(diphenylphosphat)), BDP (Bisphenol-A- bis(diphenylphosphat)) oder Mischungen hiervon. Erfindungsgemäß besonders vorteilhaft ist, wenn das anorganische Flammschutzmittel, Bor, eine Bor enthaltende Verbindung,
insbesondere Borax und/ oder Borsäure enthält. Diese Stoffe ermöglichen einen guten Brandschutz bei einer geringen
Rauchentwicklung. Sie zeichnen sich zudem durch eine gute
Verarbeitbarkeit in dem erfindungsgemäßen Verfahren und eine geringe Umweltbelastung aus. Besonders vorteilhaft ist, wenn das Flammschutzmittel Borsäure und Borax enthält. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Gehalt an Bor oder der Bor enthaltenden Verbindung in den ausgerüsteten Fasern zwischen 1 und 10 Gew. % beträgt,
insbesondere zwischen 2 und 7 Gew. %. Besonders bevorzugt wird erfindungsgemäß ein Gehalt zwischen 2,5 und 5 Gew. %. Ein höherer Gehalt an Bor oder der Bor enthaltenden Verbindung führt zu einer höheren Wasseraufnahme, welche zu einer schlechteren Qualität bei der thermoplastischen Verarbeitung führen kann.
Weiterhin hat sich bewährt, wenn das Kunststoffgrundmaterial insbesondere Polypropylen, Polyethylen und/ oder Polystyrol enthält. Als Polystyrol kann beispielsweise Styrolacrylnitril und/ oder
Acrylnitril-Butadien-Styrol eingesetzt werden.
Eine weitere Verbesserung kann dann erreicht werden, wenn die Fasern nach dem Aufbereiten und vor dem Einbringen in das
Kunststoffgrundmaterial einer Trocknung unterzogen werden.
Hierdurch wird erreicht, dass die in das Kunststoffgrundmaterial eingebrachte Wassermenge gering gehalten wird. Gleichwohl verbleibt das Flammschutzmittel in den Fasern und kann später in dem
Kunststoffmaterial zur Verbesserung der Feuerbeständigkeit beitragen. Besonders gute Eigenschaften des Kunststoffmaterials werden dann erreicht, wenn bei der Trocknung ein Gehalt an Trockensubstanz von 95% nicht überschritten wird. Vorzugsweise werden die Fasern bis zu einem Gehalt an Trockensubstanz von 88 bis 92 % getrocknet. Hierbei kann ein Flugschichttrockner eingesetzt werden, in dem die Fasern bei einer Temperatur von etwa 140°C schonend getrocknet werden.
Weiterhin hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Fasern bis zum Ausrüsten mit dem Flammschutzmittel einen Gehalt an
Trockensubstanz von 90% nicht überschreiten, insbesondere einen Gehalt an Trockensubstanz von 60% nicht überschreiten. Hierdurch wird einer Verhornung der Fasern vorgebeugt, welche nicht nur die mechanischen Eigenschaften der Fasern nachteilig verändert, sondern auch die Ausrüstung mit dem Flammschutzmittel erschwert.
Eine besonders gute Aufnahme des Flammschutzmittels ergibt sich dann, wenn die Ausrüstung der Fasern nach dem Aufbereiten der Fasern erfolgt. Eine gute Feuerbeständigkeit und eine gute Verarbeitbarkeit ergeben sich, wenn die Fasern enthaltende Biomasse Grasschnitt,
Roggengrünschnitt, Treber und/ oder Bargasse enthält.
Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus ein
Kunststoffmaterial mit erhöhter Feuerbeständigkeit, enthaltend ein
Kunststoffgrundmaterial und Fasern aus Biomasse, wobei wenigstens ein Teil der Fasern mit einem Flammschutzmittel ausgerüstet ist.
Besonders bewährt hat sich, wenn das Flammschutzmittel ein anorganisches Flammschutzmittel und/ oder ein Organophosphor- Flammschutzmittel enthält. Als anorganische Flammschutzmittel können beispielsweise eingesetzt werden: Bor, Bor enthaltende Verbindungen, Aluminiumhydroxid, Magnesiumhydroxid,
Ammoniumsulfat, Roter Phosphor, Antimontrioxid, Antimonpentoxid oder Mischungen hiervon. Als Organophosphor-Flammschutzmittel können aromatische und aliphatische Ester der Phosphor säure eingesetzt werden, wie beispielsweise TCEP (Tris(chlorethyl)phosphat), TCPP (Tris(chlorpropyl) phosphat), TDCPP
(Tris(dichlorisopropyl)phosphat), TPP (Triphenylphosphat), TEHP (Tris- (2-ethylhexyl)phosphat), TKP (Trikresylphosphat), ITP („Isopropyliertes Triphenylphosphat"), Mono-, Bis- und Tris(isopropylphenyl)phosphate, RDP (Resorcinol-bis(diphenylphosphat)), BDP (Bisphenol-A- bis(diphenylphosphat)) oder Mischungen hiervon.
Eine gute Feuerbeständigkeit bei niedrigen Herstellungskosten wird auch dann erreicht, wenn das Kunststoffgrundmaterial zusätzlich zu den mit dem Flammschutzmittel ausgerüsteten Fasern weitere Fasern aus Biomasse enthält, die nicht mit einem Flammschutzmittel ausgerüstet sind.
Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Kunststoffartikel,
hergestellt unter Verwendung des beschriebenen Kunststoffmaterials. Die Kunststoffartikel können beispielsweise Installationsmaterial für elektrische Zwecke, Unterputzdosen, Aufputzdosen, Schaltergehäuse, Schaltkästen, Rohre sein. Die Erfindung bezieht sich dabei
insbesondere auf Kunststoffartikel die mittels thermoplastischer Fertigung erzeugt sind. Die Kunststoffartikel können dabei, wie zuvor beschrieben, Endprodukte sein oder als Halbzeuge ausgebildet sein.
Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
Dabei bilden alle beschriebenen und / oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von der Zusammenfassung in einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Figur 1 illustriert schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffmaterials mit erhöhter Feuerbeständigkeit unter
Verwendung einer Fasern enthaltenden Biomasse.
In einem Schritt 1 wird eine Fasern enthaltende Biomasse
bereitgestellt. Hierbei kann es sich um Fasern enthaltende
Pflanzenteile von verschiedenen Pflanzen handeln. Besonders geeignet für das beschriebene Verfahren sind Pflanzenteile, welche nicht verholzt sind und daher nur geringe Mengen oder kein Lignin enthalten. Vorteilhaft sind weiterhin Pflanzenteile, die in nur geringem Maß oder gar nicht verhornt sind. Eine Verhornung wird bei
Pflanzenfasern in der Regel durch eine Trocknung ausgelöst. Daher wird vorgeschlagen, solche Pflanzenteile zu verwenden, die nicht getrocknet wurden. Für das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich frisches geschnittenes Gras oder siliertes Gras besonders. Auf diese Weise werden als Ausgangsmaterial Faserqualitäten bereitgestellt, deren Trocken substanzgehalte zwischen 25 und 40 Gew.% liegen. Trockensubstanzgehalt bezeichnet dabei den Gehalt an trockener Substanz, der zurückbleibt, wenn sämtliches Wasser entfernt wird. Ein Gehalt an Trockensubstanz von 25 bis 40 Gew.% entspricht daher einem Wassergehalt zwischen 75 und 60 Gew.%. Die Silierung hat den Vorteil, dass das nur zu bestimmten Jahreszeiten zur Verfügung stehende Gras über das ganze Jahr ohne Qualitätsverlust verarbeitet werden kann. Weitere geeignete Stoffe sind Roggengrünschnitt, Treber und/oder Bargasse, wobei auch je nach Region verfügbare andere nachwachsende faserhaltige Rohstoffe eingesetzt werden können.
In einem Schritt 2 werden die Fasern aus der Biomasse aufbereitet. Hierzu kann z.B. ein Mazerator eingesetzt werden, welcher aufgrund der erzeugten Friktion die mit Zellflüssigkeit gefüllten Zellen öffnet und den Zellsaft austreten lässt. Die Aufbereitung erfolgt dabei unter Zugabe von Wasser, welches gleichzeitig ermöglicht, Verunreinigungen und unerwünschte Stoffe auszuwaschen, so dass nach der
Aufbereitung die Fasern in aufgeschlossener und gereinigter Form vorliegen. Die aufbereiteten Fasern bestehen im Wesentlichen aus Alpha-Zellulose und Hemi-Zellulose. Das Verhältnis zwischen diesen beiden Zellulosearten ist von dem Schnittzeitpunkt der Biomasse abhängig. Beide Zellulosearten sind zudem wichtig. Die Alpha- Zellulose ist wichtig für die mechanische Stabilität der Fasern, die Hemi-Zellulose ist wichtig für die Gleichmäßigkeit der Aufnahme des Flammschutzmittels sowie für die Verarbeitung, insbesondere die Fließfähigkeit des Kunststoffmaterials bei der thermoplastischen Verarbeitung.
In Schritt 3 werden die Fasern mit einem Flammschutzmittel ausgerüstet. Bei dem bevorzugten Verfahren erfolgt die Ausrüstung mit dem Flammschutzmittel in wässriger Phase. Das
Flammschutzmittel kann in dem Wasser gelöst oder suspendiert bereitgestellt werden. Auf diese Weise wird das Flammschutzmittel in den Fasern aufgenommen oder an diesen angelagert. Die Ausrüstung mit dem Flammschutzmittel kann auf diese Weise genauso einfach erfolgen wie ein Färbeprozess. Als Flammschutzmittel können insbesondere anorganische
Flammschutzmittel und /oder Organophosphor-Flammschutzmittel eingesetzt werden. Besonders bewährt hat sich in dem vorliegenden Verfahren die Verwendung von anorganischen Flammschutzmitteln, insbesondere solche, die Bor oder eine Bor enthaltende Verbindung aufweisen. Als vorteilhaft erwiesen hat sich eine Mischung aus Borax und Borsäure. Diese Stoffe ziehen wie ein Farbstoff auf die
aufbereiteten Fasern auf und verleihen den Fasern nach dem Abtrennen der wässrigen Phase einen bleibenden Brandschutz. Das Flammschutzmittel ist insbesondere halogenfrei und antimonfrei und daher für die Umwelt unbedenklich. Vorteilhaft ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, wenn die im feuchten Zustand bereitgestellten Fasern vor dem ersten Trocknen unter Zugabe von Wasser aufgeschlossen und dann mit dem
Flammschutzmittel ausgerüstet werden. Auf diese Weise wird eine gute Aufnahme des Flammschutzmittels in die Fasern erreicht. Eine Trocknung vor der Ausrüstung würde hingegen zu einer Verhornung der Fasern führen. Hierdurch würden nicht nur die mechanischen Eigenschaften der Fasern beeinträchtigt, sondern auch die Aufnahme mit dem Flammschutzmittel erschwert. Nach der Ausrüstung der Fasern mit dem Flammschutzmittel erfolgt als Zwischenschritt 4 eine Trocknung der Fasern. Dies ist die erste Trocknung der Fasern, welche bis zu diesem Zeitpunkt stets feucht gehalten wurden. Die Trocknung erfolgt schonend, gegebenenfalls in einem mehrstufigen Verfahren. Die Trocknung kann beispielsweise in einem Flugschichtrockner bei Temperaturen zwischen 120°C und 160°C erfolgen. Die Trocknung erfolgt bis zu einem Gehalt an
Trockensubstanz von 88 bis 92 Gew.%, was anders ausgedrückt einer Restfeuchte von 8 bis 12 Gew.% entspricht. Durch diese schonende Trocknung wird eine Verhornung bzw. Versprödung der Fasern weitgehend verhindert. Die Fasern behalten ihre Geschmeidigkeit, was sich positiv auf die mechanische Stabilität des fertigen
Kunststoffprodukts auswirkt. Nach dem Trocknen ergibt sich ein Gehalt an Flammschutzmittel, z. B. an Bor oder der Bor enthaltenden Verbindung in den gereinigten Fasern zwischen 1 und 10 Gew.%, insbesondere zwischen 2 und 7 Gew.%, wobei der Bereich von 2,5 bis 5 Gew.% besonders bevorzugt wird. In einem Schritt 5 werden die mit dem Flammschutzmittel
ausgerüsteten Fasern in ein Kunststoffgrundmaterial eingebracht. Als Kunststoffgrundmaterial können Thermoplaste bzw. Komponenten hiervon verwendet werden. Insbesondere geeignet sind Polypropylen, Polyethylen und Polystyrol, wie z.B. Styrolacrylnitril und /oder
Acrylnitril-Butadien-Styrol. Das Einbringen der Fasern in das
Kunststoffgrundmaterial kann z.B. durch Compoundieren erfolgen. Erfindungsgemäß können bis zu 75 Gew.% der Fasern, die sämtlich oder teilweise mit dem Flammschutzmittel ausgerüstet sind, mit 25 Gew.% Kunststoffgrundmaterial zusammengebracht werden
(Prozentangaben bezogen auf das faserhaltige Kunststoffmaterial). Auf diese Weise wird eine erhebliche Einsparung an dem
Kunststoffgrundmaterial erreicht. Bereits mit einem Anteil von 25 Gew.% des Kunststoffgrundmaterials und 75 Gew.% Fasern lassen sich sehr gute Ergebnisse sowohl im Hinblick auf die Festigkeit als auch auf den Brandschutz erreichen. Bewährt hat sich, die Fasern mit einem Anteil zwischen 25 Gew.% und 75 Gew.% einzusetzen. Bei einem Anteil von 40 Gew.% bis 60 Gew.% Fasern werden sehr gute Ergebnisse erreicht.
Das Kunststoffmaterial hat einen Gehalt an Flammschutzmittel, welches in bzw. an den Fasern enthalten ist, zwischen 0,5 Gew.% und 5 Gew.%, bezogen auf das faserhaltige Kunststoffmaterial.
Vorteilhafterweise liegt der Gehalt an Flammschutzmittel zwischen 1 Gew.% und 3,5 Gew.%, wobei 1 ,25 Gew.% bis 2,5 Gew.% besonders bevorzugt werden.
Das faserhaltige Kunststoffmaterial kann beispielsweise in Pellet- oder Granulatform bereitgestellt und auf diese Weise mit herkömmlichen Kunststoffverarbeitungsmaschinen weiterverarbeitet werden.
Änderungen an diesen Einrichtungen sind nicht erforderlich. Das Kunststoffmaterial kann unproblematisch in Extrusionsmaschinen und Spritzgussmaschinen zu den verschiedensten Kunststoffartikeln weiterverarbeitet werden. Insbesondere können Kunststoffartikel hergestellt werden, bei denen erhöhte Feuerbeständigkeit wichtig ist. Insbesondere eignet sich das Kunststoffmaterial für Kunststoffartikel, wie Installationsmaterial für elektrische Zwecke, Unterputzdosen, Aufputzdosen, Schaltergehäuse, Schaltkästen und Teile hiervon, Rohre etc. Es können aber auch Kunststoffartikel für beliebige andere technische Bereiche hergestellt werden, beispielsweise für den
Fahrzeugbau.
Wie effizient eine Ausrüstung der Fasern in der vorbeschriebenen Weise ist, zeigen folgende Vergleichsversuche. Um bei Unterputzdosen aus Polypropylen eine normgerechte Feuerbeständigkeit zu erreichen, ist ein Gehalt an Additiven von etwa 25 Gew.% erforderlich. Hierbei werden üblicherweise antimon- und halogenhaltige Additive
eingesetzt. Nur durch diese umfangreichen Maßnahmen, welche zudem für die Umwelt bedenklich sind, kann bei einer
Glühdrahtprüfung nach DIN EN 60695-2- 11 die geforderte
Prüftemperatur von 750°C erreicht werden.
Mit der vorliegenden Erfindung kann man denselben Brandschutz durch Ausrüstung von Grasfasern mit nur 5 Gew.%
Flammschutzmittel bestehend aus Borax und Borsäure erreichen. Stellt man daraus Compounds mit 50 Gew.% Fasern und 50 Gew.% reinem Polypropylen her, so beträgt der Borax/ Borsäure-Gehalt bezogen auf das fertige Kunststoffmaterial nur 2,5 Gew.%. Dennoch kann die Glühdrahtprüfung nach DIN EN 60695-2- 1 1 bei einer
Prüftemperatur von 750°C erreicht werden. Dies zeigt, dass der
Einsatz von Flammschutzmittel von 25 Gew.% auf 2,5 Gew.%
reduziert werden konnte. Zudem können Flammschutzmittel
eingesetzt werden, welche für die Umwelt viel weniger bedenklich sind. Die erfindungsgemäße überraschend gute Feuerbeständigkeit zeigt sich auch daran, dass Unterputzdosen, denen handelsübliche
Brandschutzadditive auf der Basis von Bor in Pulverform zugesetzt werden, selbst bei Zugaben von 25 Gew.% dieser Zusatzstoffe den geforderten Brandschutz nicht erreichen. Dies belegt, wie effizient die Ausrüstung von Zellulosefasern nach dem oben beschriebenen
Verfahren insbesondere mit Borsalzen ist. Auf diese Weise kann der Einsatz von umweltschädigenden Flammschutzmitteln erheblich gesenkt werden, genauso wie die Kosten, die für deren Einsatz anfallen. Gleichzeitig können durch den Einsatz von Zellulosefasern, beispielsweise aus Gras, der Anteil von erdölbasierenden Kunststoffen um 25 bis 75 Prozent reduziert werden, wodurch weitere Ressourcen und Kosten eingespart werden.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Herstellung eines thermoplastischen
Kunststoffmaterials mit erhöhter Feuerbeständigkeit unter Verwendung einer Fasern enthaltenden Biomasse, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- Bereitstellen der Fasern enthaltenden Biomasse;
- Aufbereiten der Fasern;
- Ausrüsten wenigstens eines Teils der Fasern mit einem
Flammschutzmittel;
- Einbringen der ausgerüsteten Fasern in ein
thermoplastisches Kunststoffgrundmaterial.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Ausrüsten mit dem Flammschutzmittel in einer wässrigen Phase erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Flammschutzmittel ein anorganisches
Flammschutzmittel und/ oder ein Organophosphor- Flammschutzmittel enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das anorganische Flammschutzmittel, Bor, eine Bor enthaltende Verbindung, insb. Borax und/ oder Borsäure enthält.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Bor oder der Bor enthaltenden Verbindung in den ausgerüsteten Fasern zwischen 1 Gew. % und 10 Gew. % beträgt, insbesondere zwischen 2 Gew. % und 7 Gew. %.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass das Kunststoffgrundmaterial insbesondere Polypropylen, Polyethylen und/ oder Polystyrol enthält. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die Fasern nach dem Aufbereiten und vor dem Einbringen in das Kunststoffgrundmaterial einer Trocknung unterzogen werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Trocknung ein Gehalt an Trockensubstanz von 95% nicht überschritten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, dass die Fasern bis zum Ausrüsten mit dem Flammschutzmittel einen Gehalt an Trockensubstanz von 90% nicht überschreiten, insbesondere einen Gehalt an
Trockensubstanz von 60% nicht überschreiten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, dass die Ausrüstung der Fasern nach dem
Aufschließen der Fasern erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dass die Fasern enthaltende Biomasse
Grasschnitt, Roggengrünschnitt, Treber und/ oder Bargasse enthält. Kunststoffmaterial mit erhöhter Feuerbeständigkeit, enthaltend ein Kunststoffgrundmaterial und Fasern aus Biomasse, wobei wenigstens ein Teil der Fasern mit einem Flammschutzmittel ausgerüstet ist.
Kunststoffmaterial nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Flammschutzmittel ein anorganisches
Flammschutzmittel und/ oder ein Organophosphor- Flammschutzmittel enthält.
14. Kunststoffmaterial nach Anspruch 12 oder 13, dadurch
gekennzeichnet, dass das Kunststoffgrundmaterial zusätzlich zu den mit dem Flammschutzmittel ausgerüsteten Fasern weitere Fasern aus Biomasse enthält, die nicht mit einem
Flammschutzmittel ausgerüstet sind.
Kunststoffartikel, hergestellt unter Verwendung eines
Kunststoffmaterials nach einem der Ansprüche 12 bis 14.
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