-
[Gebiet der Erfindung]
-
Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff, insbesondere ein flammhemmendes Polymerverbundmaterial und dessen Fertigungsverfahren.
-
[Hintergrund der Erfindung]
-
In der Gegenwart ist der Gebrauch von den Flammschutzmitteln (Flame Retardant) mit zunehmendem Bewusstsein für die öffentliche Sicherheit gestiegen. Dabei beträgt der globale Gebrauch von Flammschutzmitteln schätzungsweise über 2,1 Millionen Tonnen und steht an der zweiten Stelle nur nach den Weichmachern. Im Stand der Technik muss den vielen gebräuchlichen thermoplastischen Polymeren wie PP, PE, ABS, PC im Produktionsprozess aufgrund ihrer entzündlichen Eigenschaften jeweils ein Flammschutzmittel zugegeben werden. Die Flammschutzmittel machen schätzungsweise 17 % von dem Gesamtmarkt für die Kunststoffzusatzmittel aus. Die in der Vergangenheit am häufigsten verwendeten halogenbasierten Flammschutzmittel weisen eine hervorragende Flammschutzwirkung auf, verursachen aber nach der Verbrennung viel Rauch und giftige Gase. Der ROHS-Richtlinie EU zufolge werden solche Flammschutzmittel allmählich verboten, hingegen rückt die Entwicklung halogenfreier flammhemmender Materialien weltweit in den Fokus.
-
In der Regel werden halogenfreie Flammschutzmittel je nach chemischer Zusammensetzung folgendermaßen klassifiziert:
- (1) Flammschutzmittel aus Phosphorverbindungen sind zurzeit weltweit die vielversprechendsten unter den halogenfreien Flammschutzmitteln. Mit diesen Flammschutzmitteln kann sich bei einem erhitzten Kunststoff eine flammhemmende Karbonisationsschicht auf der Oberfläche des Kunststoffs bilden, welche die Zirkulation zwischen brennbarem Gas und durch Verbrennung erzeugter Wärmestrahlung verhindert, um den Flammhemmungszweck zu erfüllen. Phosphorbasierte Flammschutzmittel sind jedoch leicht hydrolysierbar, gegenüber halogenhaltigen Flammschutzmitteln kostspieliger, zudem ist die notwendige Gebrauchsmenge um etwa 20 % höher, die Materialeigenschaften sind doch merklich herabgesetzt. Aufgrund dieser Nachteile sind phosphorbasierte Flammschutzmittel in der Anwendung eingeschränkt.
- (2) Flammschutzmittel aus Stickstoffverbindungen (beispielsweise Melaminverbindung) können nach Erhitzung einen nicht brennbaren Stickstoff erzeugen, welcher die Konzentration des brennbaren Gases in der Luft verdünnt, um die flammhemmende Wirkung eines Harzes zu erzielen.
- (3) Flammschutzmittel aus Phosphor-Stickstoff-Verbindungen haben sich die Eigenschaft (Erzeugung von Koks) des phosphorbasierten Flammschutzmittels und die Eigenschaft (Erzeugung eines nicht brennbaren Gases) des stickstoffbasierten Flammschutzmittels einbezogen und können nach Erhitzung eine expandierte Karbonisationsschicht erzeugen, welche die Flammhemmungsfähigkeit des Harzmaterials erheblich verbessern kann. Solche Flammschutzmittel sind durch geringe notwendige Gebrauchsmenge und Giftfreiheit gekennzeichnet. Das Ammoniumpolyphosphat und Melaminphosphat sind bei solchen Flammschutzmitteln üblich.
- (4) Die reaktive Flammschutzmittel-Molekülstruktur kann mit einer Funktionsgruppe eines Harzmaterials eine chemische Bindung bilden. Aufgrund der chemischen Bindungsbildung entsteht das Verträglichkeitsproblem selten. Die DOPO-Serie zählt zu den repräsentativsten unter diesen Flammschutzmitteln (reaktive Flammschutzmittel). Geringe notwendige Gebrauchsmenge ist ein weiterer Vorteil solcher Flammschutzmittel. Diese Flammschutzmittel können mit vielen Harzmaterialien jedoch nicht gebunden werden, sind zudem auch teurer, so dass sie derzeit nur in einem kleinen Bereich (beispielsweise beim Epoxidharz) verwendet werden.
- (5) Metallhydroxide wie Aluminiumhydroxide und Magnesiumhydroxide sind hauptsächlich aufgrund des in ihrer Molekülstruktur enthaltenen Kristallwassers flammhemmungsfähig. Das Kristallwasser kann die Temperatur eines erhitzten Kunststoffs reduzieren und den Flammhemmungszweck erfüllen. Die Vorteile sind Preisgünstigkeit, Ungiftigkeit, Nichtflüchtigkeit und gute thermische Stabilität. Die Flammhemmungswirkung ist jedoch begrenzt. Um eine bessere Flammhemmungsleistung zu erzielen, ist eine große Menge der Zusatzstoffe erforderlich. Aber wenn viele Zusatzstoffe einem Kunststoff hinzugefügt sind, werden die anderen Eigenschaften des Kunststoffs beeinflusst.
- (6) Bei den Flammschutzmitteln aus Siliciumpolymerpulver oder aus Siliciumdioxid weisen die siliciumhaltigen Verbindungen selbst eine Flammhemmungseigenschaft auf. Bei Zugabe zu einem Harzmaterial wird die Flammhemmung des Harzmaterials verbessert. Der Preis für Siliciumpolymere ist jedoch relativ hoch. Dies ist der größte Nachteil solcher Flammschutzmittel. Das einem Harzmaterial hinzugefügte Siliciumdioxid besitzt selbst jedoch keine gute Flammhemmungswirkung, dient vor allem als ein Synergist zum Einklang mit den phosphorbasierten Flammschutzmitteln. Ein niedriger Preis ist der größte Vorteil des Siliciumdioxids.
-
Es sei bemerkt, dass die oben genannten halogenfreien Flammschutzmittel in den Harzmaterialien verwendet werden und daher bestimmte Flammhemmungswirkungen schaffen können, die solche Probleme wie erhöhte Harzmaterialkosten und verschlechterte Eigenschaften wie thermische Eigenschaft, elektrische Eigenschaft und mechanische Eigenschaft jedoch noch zu beseitigen sind.
-
[Beschreibung der Erfindung]
-
Ausgehend von der Mangelhaftigkeiten der herkömmlichen Ausführungsformen besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein flammhemmendes Polymerverbundmaterial und dessen Fertigungsverfahren bereitzustellen, wobei die Affinität des Polyolefinpolymers mit Kieselgur durch Zugabe einer sich durch Oberflächenwärmebehandlung und chemische Modifikation ergebenden modifizierten Kieselgur intensiviert wird, Zusatzmenge des halogenfreien Flammschutzmittels vermindert wird und die Eigenschaft des Polyolefinpolymers bewahrt wird. Dadurch werden solche Probleme wie kostbare Zugabe des halogenfreien Flammschutzmittels bzw. herabgesetzte Leistungseigenschaft gelöst und ein kostengünstiger, eine halogenfreie Flammschutzeigenschaft aufweisender Verbundwerkstoff bereitgestellt.
-
Zum Lösen der Aufgabe ist ein flammhemmendes Polymerverbundmaterial bereitgestellt, bestehend aus Polyolefinpolymer mit einem Anteil von 64 % bis 69 % Gew.-%, modifizierter Kieselgur mit einem Anteil von 6 % bis 10 % Gew. -%, wobei sich die modifizierte Kieselgur durch eine Wärmebehandlung an den Oberflächen der Kieselgur-Rohstoffe und anschließende chemische Modifikation ergibt, Polyphosphat mit einem Anteil von 6 % bis 14 % Gew.-%, expandierendem Graphit mit einem Anteil von 8 % bis 12 % Gew.-% und Holzpulver mit einem Anteil von 5 % bis 15 % Gew.-%.
-
Beim erfindungsgemäßen flammhemmenden Polymerverbundmaterial kann das Polyolefinpolymer aus hochdichtem Polyethylen (HDPE) oder entsorgtem Polyethylen gewonnen sein.
-
Beim erfindungsgemäßen flammhemmenden Polymerverbundmaterial kann der Rohstoff der modifizierten Kieselgur aus Kieselgur-Rohstoff oder entsorgter Kieselgur gewonnen sein.
-
Beim erfindungsgemäßen flammhemmenden Polymerverbundmaterial wird der Rohstoff der modifizierten Kieselgur bei einer Temperatur von 200 bis 600 °C 2 bis 4 Stunden lang thermisch behandelt. Der wärmebehandelte Rohstoff wird dann chemisch modifiziert, indem ein in einem flüchtigen Lösungsmittel aufgelöstes Modifizierungsmittel aufgesprüht wird, wobei das flüchtige Lösungsmittel aus Methanol, Ethanol, Aceton oder Dichlormethan ausgewählt ist, während das Modifizierungsmittel aus Propyltrimethoxysilan, Vinyltriethoxysilan, Propylentriethoxysilan und 3-Aminopropyltriethoxysilan ausgewählt ist.
-
Beim erfindungsgemäßen flammhemmenden Polymerverbundmaterial ist das flüchtige Lösungsmittel beispielsweise eine Acetonlösung, während das Modifizierungsmittel Propyltrimethoxysilan aufweist. Der Kieselgurrohstoff wird durch Aufsprühung des in einer Acetonlösung aufgelösten Propyltrimethoxysilans chemisch modifiziert.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht auch darin, ein Fertigungsverfahren für das erfindungsgemäße Flammhemmende Polymerverbundmaterial bereitzustellen, welches Folgendes aufweist:
- Zuführung der Werkstoffe: es werden Polyolefinpolymer, modifizierte Kieselgur, Polyphosphat und Dehnungsgraphit zugeführt,
- Zubereitung von Polyolefinpolymer: es wird das Polyolefinpolymer bis zur Enthärtung aufgewärmt,
- Wärmebehandlung der Kieselgur: es wird der Kieselgur-Rohstoff in einen Ofen eingebracht und anschließend bei einer Temperatur von 200 bis 600 °C 2 bis 4 Stunden lang thermisch behandelt, Kieselgurmodifikation: es wird ein Modifizierungsmittel in einem flüchtigen Lösungsmittel aufgelöst und dann auf den Kieselgur-Rohstoff gleichmäßig versprüht, und nach der Verflüchtigung des flüchtigen Lösungsmittels ergibt sich die gewünschte modifizierte Kieselgur,
- Mischung: es ergibt sich ein flammhemmendes Polymerverbundmaterial, indem Polyolefinpolymer mit einem Anteil von 64 % bis 69 % Gew. -%, modifizierte Kieselgur mit einem Anteil von 6 % bis 10 % Gew.-%, Polyphosphat mit einem Anteil von 6 % bis 14 % Gew.-%, Dehungsgraphit mit einem Anteil von 8 % bis 12 % Gew.-% und Holzpulver mit einem Anteil von 5 % bis 15 % Gew.-% vermischt werden.
-
In dem Kieselgurmodifikationsschritt des erfindungsgemäßen Fertigungsverfahrens ist das Modifizierungsmittel vorzugsweise Propyltrimethoxysilan und ist das flüchtige Lösungsmittel vorzugsweise Acetonlösung.
-
In dem Kieselgurmodifikationsschritt ist das Volumenverhältnis des Propyltrimethoxysilans zu der Acetonlösung 1:1 und ist das Volumenverhältnis des Propyltrimethoxysilans zu dem Kieselgur-Rohstoff 1:1.
-
In dem erfindungsgemäßen Fertigungsverfahren des flammhemmenden Polymerverbundmaterials ist die Mischtemperatur von Polyolefinpolymer, modifizierter Kieselgur, Polyphosphat und expandierendem Graphit 150 bis 180 °C.
-
In dem erfindungsgemäßen Fertigungsverfahren des flammhemmenden Polymerverbundmaterials umfasst der Mischungsschritt ferner eine Rührfunktion, deren Drehzahl 50 bis 80 U/min beträgt.
-
Die erfindungsgemäße Ausführungsform hat die genannten technischen Konzepte getroffen, thermische Behandlung an dem Polyolefinpolymer sowie chemische Modifikation eingeleitet und die Zusatzmenge des Flammschutzmittels in der Kieselgur erheblich vermindert. Dies entspricht den heutigen Umweltschutztrends und der Wiederverwertungsanordnung, da das erfindungsgemäße flammhemmende Polymerverbundmaterial nur mit geringerem Zusatz des halogenfreien Flammschutzmittels eine zufrieden stellende Flammhemmungswirkung erzielen kann und die Polymereigenschaft sowie mechanische Intensität beibehalten kann. Es wird auf diese Weise ein kostengünstiger, eine halogenfreie Flammschutzeigenschaft aufweisender Verbundwerkstoff bereitgestellt. Das erfindungsgemäße flammhemmende Polymerverbundmaterial hat die internationalen Umweltschutzanforderungen erfüllt und weist Vorteile wie Umweltfreundlichkeit, flammhemmende Eigenschaft und Wiederverwertbarkeit auf. Dadurch ist das erfindungsgemäße flammhemmende Polymerverbundmaterial wettbewerbsfähiger als marktübliche Produkte und zur flammhemmenden Anwendung für die Bausanierung, Haushaltsprodukte und Holz-Kunststoff-Materialien tauglich.
-
Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung.
-
[Zeichnungsbeschreibung]
-
keine
-
[Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform]
-
In den folgenden Abschnitten werden die bevorzugten Ausführungsformen und die technischen Leistungen anhand der Zeichnungen erläutert.
-
Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen der Offenbarung vielfach variabel. In diesem Zusammenhang werden alle neuen, in der Beschreibung und/oder Zeichnung offenbarten Einzel- und Kombinationsmerkmale als erfindungswesentlich angesehen.
-
Bei dem erfindungsgemäßen flammhemmenden Polymerverbundmaterial und dessen Fertigungsverfahren weisen die Bestandteile in einem Gewichtsprozentsatz des flammhemmenden Polymerverbundmaterials 64 % bis 69 % Polyolefinpolymer, 6 % bis 10 % modifizierte Kieselgur, 6 % bis 14 % Polyphosphat, 8 % bis 12 % expandierenden Graphit und 5 % bis 15 % Holzpulver auf, wobei sich die modifizierte Kieselgur aus einer Oberflächenwärmebehandlung der Kieselgur-Rohstoffe und einer anschließenden chemischen Modifikation ergibt.
-
Anhand Tabellen 1 bis 4 sind die Zusammensetzung, das Fertigungsverfahren und die Leistungsuntersuchung des erfindungsgemäßen flammhemmenden Polymerverbundmaterials beschrieben.
-
Das Fertigungsverfahren des erfindungsgemäßen flammhemmenden Polymerverbundmaterials umfasst die Zuführung der Werkstoffe, die Zubereitung von Polyolefinpolymer, die Wärmebehandlung der Kieselgur, die Kieselgurmodifikation und die Mischung.
-
Im Schritt des Zuführens der Werkstoffe werden Polyolefinpolymer, modifizierte Kieselgur, Polyphosphat und Dehungsgraphit zugeführt.
-
Bei der Zubereitung von Polyolefinpolymer wird das Polyolefinpolymer bis zur Enthärtung aufgewärmt.
-
Bei der Wärmebehandlung der Kieselgur wird der Kieselgur-Rohstoff in einen Ofen eingebracht und anschließend bei einer Temperatur von 200 bis 600 °C 2 bis 4 Stunden lang thermisch behandelt.
-
Bei der Kieselgurmodifikation wird ein Modifizierungsmittel in einem flüchtigen Lösungsmittel aufgelöst und dann auf den Kieselgur-Rohstoff gleichmäßig versprüht. Nach der Verflüchtigung des flüchtigen Lösungsmittels ergibt sich die gewünschte modifizierte Kieselgur.
-
Bei der Mischung ergibt sich ein flammhemmendes Polymerverbundmaterial, indem Polyolefinpolymer mit einem Anteil von 64 % bis 69 % Gew. -%, modifizierte Kieselgur mit einem Anteil von 6 % bis 10 % Gew.-%, Polyphosphat mit einem Anteil von 6 % bis 14 % Gew. -%, Dehungsgraphit mit einem Anteil von 8 % bis 12 % Gew.-% und Holzpulver mit einem Anteil von 5 % bis 15 % Gew.-% vermischt werden.
-
In der vorliegenden erfindungsgemäßen Ausführungsform ist das Polyolefinpolymer aus hochdichtem Polyethylen (HDPE) oder entsorgtem Polyethylen gewonnen. Beim hochdichten Polyethylen handelt es sich um ein handelsübliches reines Polyethylen hoher Dichte, das entsorgte Polyethylen kann aus Milchflaschen oder Plastikeimern gewonnen werden. Die erfindungsgemäßen Ausführungsformen werden jedoch nicht darauf beschränkt.
-
In der vorliegenden Ausführungsform ist der Rohstoff der modifizierten Kieselgur aus Kieselgur-Rohstoff oder entsorgter Kieselgur gewonnen. Der Kieselgur-Rohstoff der erfindungsgemäßen modifizierten Kieselgur kann aus handelsüblichem Kieselgur-Rohstoff oder im Fertigungsprozess entsorgter Kieselgur gewonnen werden. Die entsorgte Kieselgur wird vorzugsweise aus Filtration im Brauprozess entnommen. Die erfindungsgemäßen Ausführungsformen werden jedoch nicht darauf beschränkt.
-
In der erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der Kieselgur-Rohstoff bei 200 bis 600 °C 2 bis 4 Stunden lang behandelt, vorzugsweise bei 200 °C 3 Stunden lang. Der wärmebehandelte Kieselgur-Rohstoff wird dann chemisch modifiziert, indem ein in einem flüchtigen Lösungsmittel aufgelöstes Modifizierungsmittel aufgesprüht wird, wobei das flüchtige Lösungsmittel aus Methanol, Ethanol, Aceton oder Dichlormethan ausgewählt ist, während das Modifizierungsmittel aus Propyltrimethoxysilan, Vinyltriethoxysilan, Propylentriethoxysilan und 3-Aminopropyltriethoxysilan ausgewählt ist. Dabei ist das flüchtige Lösungsmittel vorzugsweise eine Acetonlösung, während das Modifizierungsmittel vorzugsweise Propyltrimethoxysilan aufweist, wobei das Volumenverhältnis des Propyltrimethoxysilans zu der Acetonlösung 1:1 ist und das Volumenverhältnis des Propyltrimethoxysilans zu der Kieselgur auch 1:1 ist.
-
In der erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst der Mischungsschritt ferner eine Rührfunktion, deren Drehzahl 50 bis 80 U/min beträgt. In der erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Mischtemperatur von Polyolefinpolymer, modifizierter Kieselgur, Polyphosphat und expandierendem Graphit 150 bis 180 °C, wobei die Rührung vorzugsweise 8 bis 10 Minuten dauert. Der Mischschritt wird vorzugsweise bei einer Umgebungstemperatur von 160 °C 10 Minuten lang ausgeführt.
-
Wie aus Tabellen 1 bis 4 ersichtlich, sind die erfindungsgemäßen Muster in der Ausführungsform 1 bis Ausführungsform 6 dargestellt. In Ausführungsform 1 (abgekürzte Musterbezeichnung: HDPE) ist das hochdichte Polyethylen (HDPE) nicht mit Kieselgur, Polyphosphat, expandierendem Graphit und Holzpulver zugesetzt. In Ausführungsform 2 (abgekürzte Musterbezeichnung: A12E12) ist das Polyolefinpolymer nicht mit Kieselgur, sondern mit 12 Gew.-% Polyphosphat (A), 12 Gew.-% expandierendem Graphit (E) und 10 Gew.-% Holzpulver zugesetzt. In Ausführungsform 3 (abgekürzte Musterbezeichnung: A14E12) ist das Polyolefinpolymer nicht mit Kieselgur, sondern mit 14 Gew.-% Polyphosphat (A), 12 Gew.-% expandierendem Graphit (E) und 10 Gew.-% Holzpulver zugesetzt. In Ausführungsform 4 (abgekürzte Musterbezeichnung: A7E12D) ist das Polyolefinpolymer mit 7 Gew.-% Kieselgur, 7 Gew.-% Polyphosphat (A) , 12 Gew.-% expandierendem Graphit (E) und 10 Gew.-% Holzpulver zugesetzt. In Ausführungsform 5 (abgekürzte Musterbezeichnung: A6E08D) ist das Polyolefinpolymer mit 7 Gew.-% Kieselgur, 6 Gew.-% Polyphosphat (A) , 8 Gew.-% expandierendem Graphit (E) und 10 Gew.-% Holzpulver zugesetzt. In Ausführungsform 6 (abgekürzte Musterbezeichnung: SA6E08D) ist das Polyolefinpolymer mit 7 Gew.-% mit Propyltrimethoxysilan (S) vorbearbeiteter Kieselgur (D), 6 Gew.-% Polyphosphat (A) , 8 Gew.-% expandierendem Graphit (E) und 10 Gew.-% Holzpulver zugesetzt.
| Tabelle 1 Zusammensetzungsverhältnis jedes Musters |
| Muster | Kiesel gur (Gew.-%) % | Polyphosp hat (Gew. -%) | Dehungsgra phit (Gew.-%) | Holzpulver (Gew.-%) | Polyolefin Polymer (Gew.-% ) |
| Erste Aus führungsform | HDPE | 0 | 0 | 0 | 0 | 100 |
| Zweite Aus führungsform | A12E12 | 0 | 12 | 12 | 10 | 66 |
| Dritte Aus führungsform | A14E12 | 0 | 14 | 12 | 10 | 64 |
| Vierte Aus führungsform | A7E12D | 7 | 7 | 12 | 10 | 64 |
| Fünfte Aus führungsform | A6E08D | 7 | 6 | 8 | 10 | 69 |
| Sechste Aus führungsform | SA6E08D | 7 | 6 | 8 | 10 | 69 |
| ※ Abkürzungen: HDPE (High Density Polyethylene); A (ammonium polyphosphate, APP); E (Expanded Graphite, EG); D Kieselgur (Diatomaceous earth); S (mit Propyltrimethoxysilan vorbereitete Kieselgur). |
| Tabelle 2 Schlagfestigkeitsdaten der Werkstoffe |
| Muster | Schlagfestigkeit (J/m) |
| Erste Aus führungsform | HDPE | 28,5 ± 1,3 |
| Zweite Aus führungsform | A12E12 | 25,6 ± 0,8 |
| Dritte Aus führungsform | A14E12 | 25,0 ± 0,6 |
| Vierte Aus führungsform | A7E12D | 26,0 ± 1,4 |
| Fünfte Aus führungsform | A6E08D | 27,3 ± 1,5 |
| Sechste Aus führungsform | SA6E08D | 33,9 ± 2,0 |
| Tabelle 3 Zugfestigkeit der Werkstoffe |
| Muster | Zugfestigkeit (MPa) |
| Erste Aus führungsform | HDPE | 30,9 ± 0,1 |
| Zweite Aus führungsform | A12E12 | 23,8 ± 1,3 |
| Dritte Aus führungsform | A14E12 | 23,2 ± 1,5 |
| Vierte Aus führungsform | A7E12D | 20,5 ± 1,0 |
| Fünfte Aus führungsform | A6E08D | 25,4 ± 1,7 |
| Sechste Aus führungsform | SA6E08D | 27,9 ± 0,4 |
| Tabelle 4 Flammwidrigkeit der Werkstoffe |
| Muster | Kiesel gur (Gew.-%) | Polyphosphat (Gew. -%) | Ausdehnu ng Graphit (Gew. -%) | Polyphosphat + Dehungsgra phit (Gew. -%) | UL94 Horizontale Flammausbreitung Prüfung |
| Erste Aus führungsform | HDPE | 0 | 0 | 0 | 0 | X |
| Zweite Aus führungsform | A12E12 | 0 | 12 | 12 | 24 | X |
| Dritte Aus führungsform | A14E12 | 0 | 14 | 12 | 26 | O |
| Vierte Aus führungsform | A7E12D | 7 | 7 | 12 | 19 | O |
| Fünfte Ausführungsform | A6E08D | 7 | 6 | 8 | 14 | X |
| Sechste Aus führungsform | SA6E08D | 7 | 6 | 8 | 14 | O |
-
In den letzten Jahrzehnten haben aufgrund der Toxizitäts- und Umweltprobleme der herkömmlichen halogenbasierten Verbindungen die Ersatzmaterialien viel Aufmerksamkeit erhalten. Die Ersatzmaterialien müssen flammhemmende und selbstlöschende Eigenschaften besitzen. Dafür wird der expandierende Graphit (EG) aufgrund seiner hohen flammhemmenden Wirksamkeit und geringen Kosten immer mehr in Fokus gebracht. Der expandierende Graphit ist eine Graphitverbindung, bei der Schwefelsäure und Kaliumpermanganat zwischen den Kohlenstoffschichten zugesetzt sind. Wenn einem expandierenden Graphit Wärme zugeführt wird, treibt das Gas die Kohlenstoffschicht zur Ausdehnung, wodurch die Abstände der Kristallflächen in dem expandierenden Graphit von 0,335 nm auf etwa 0,789 nm zunehmen, und es entsteht eine große Anzahl von Isolierschichten, welche die Flammhemmungsfähigkeit des Verbundstoffs verbessern. Der Zusatz von Polyphosphat in einem ausdehnenden Flammschutzmittel wirkt synergistisch zur Erhöhung des Sauerstoffbegrenzungsindex (LOI) und der Tropfwidrigkeit.
-
Für die Anwendung eines alleinstehenden Dehnungsflammschutzmittels ist jedoch in der Regel eine höhere Zusatzmenge notwendig. Ausgehend von den Prüfergebnissen gemäß Tabellen 1 bis 4 soll das Polyethylenpolymer die Flammbeständigkeitsklasse UL94 erreichen, so dass der Zusatz von Polyphosphat + expandierendem Graphit mindestens größer als 26 Gew.-% (Tabelle 4: A14E12) sein muss. Aufgrund der größeren Zusatzmenge ist die chemische Eigenschaft erheblich herabgesetzt, die Schlagfestigkeit (25 J/m) um 12,28 % (Tabelle 2) niedriger als das Reinmaterial (28,5 J/m), die Zugfestigkeit (23, 2 MPa) um 24, 92 % (Tabelle 3) niedriger als das Reinmaterial (30,9MPa) . Nach Zugabe der Kieselgur ist der Minimumzusatz von Polyphosphat + expandierendem Graphit bis zu 19 Gew.-% (Tabelle 4: A7E12D) herabgesetzt, die Schlagfestigkeit (26 J/m) um 8,77 % (Tabelle 2) niedriger als das Reinmaterial, die Zugfestigkeit (20,5 MPa) um 33,66 % (Tabelle 3) niedriger als das Reinmaterial. Durch die Anwendung der wärmebehandelten und durch Propyltrimethoxysilan chemisch modifizierten Kieselgur kann die Affinität des Polyolefinpolymers mit Kieselgur intensiviert werden. Darüber hinaus kann der Zusatz von Polyphosphat + expandierendem Graphit bis zu 14 % (Tabelle 4: SA6E08D) gesenkt werden, wird die Schlagfestigkeit (33,9 J/m) um 18,95 % als das Reinmaterial verstärkt, die Zugfestigkeit (27,9 MPa) nur um 9,71 % als das Reinmaterial herabgesetzt. Der Rückgang der Zugfestigkeit ist erheblich verringert, hingegen besitzt die Schlagfestigkeit ein Erhöhungspotential. In diesem Zusammenhang kann das erfindungsgemäße flammhemmende Polymerverbundmaterial mit günstigen Fertigungskosten die gewünschte Flammbeständigkeit erreichen und die mechanische Intensität beibehalten, was der Umweltfreundlichkeit entspricht.
-
Wie oben erwähnt, kann durch die Anwendung der oberflächenwärmebehandelten und chemisch modifizierten Kieselgur bei der erfindungsgemäßen Ausführung nicht nur der Gebrauch des Flammschutzmittels herabgesetzt werden, sondern auch die Makromoleküleigenschaft beibehalten werden. Dadurch werden solche Ziele wie Kostengünstigkeit, Umweltfreundlichkeit, flammhemmende Eigenschaft und Wiederverwertbarkeit verwirklicht. Das erfindungsgemäße Fertigungsverfahren ist durch niedrige Mischungstemperatur, kurze Betriebszeit, kostengünstiges Betriebsmittel (normale Makromolekülfertigungsanlage möglich), umweltfreundlichen Fertigungsprozess und Tauglichkeit für die Bereiche wie Gebäudesanierung, Haushaltsgegenstände, Holz-Kunststoff-Materialien gekennzeichnet.