Anwendung von Magnesiumhydroxid-Flammschutzmitteln in Polypropylen (PP)
Polypropylen (PP) zeichnet sich durch geringe Toxizität, niedrige Kosten, gute elektrische Isolationseigenschaften, hervorragende Verarbeitbarkeit und Beständigkeit gegen chemische Korrosion aus, wodurch es sich für Anwendungen in Bereichen wie der Automobilindustrie und dem Bauwesen eignet. PP ist jedoch leicht entflammbar; es brennt schnell ab, bildet brennende Tropfen und setzt große Mengen an giftigem Rauch frei. Daher ist die Verbesserung der Flammwidrigkeit von PP von entscheidender Bedeutung.
Unter Verwendung von Magnesiumsulfat, wässrigem Ammoniak und Aktivkohle als Ausgangsstoffe wurde ein mit Aktivkohle modifiziertes Magnesiumhydroxid-Flammschutzmittel hergestellt und anschließend in PP eingearbeitet. Die Ergebnisse zeigten, dass die Einarbeitung dieses modifizierten Flammschutzmittels den Sauerstoffindex (LOI) des PP von 19,6 % auf 28,9 % erhöhte und somit die flammhemmenden Eigenschaften signifikant verbesserte.
Zur Modifizierung der Oberfläche des Magnesiumhydroxid-Flammschutzmittels wurde Stearinsäure verwendet, wobei die optimalen Prozessbedingungen für die Modifizierung ermittelt wurden. Anschließend wurden Magnesiumhydroxid/PP-Verbundwerkstoffe hergestellt, indem das modifizierte Magnesiumhydroxid mit PP gemischt und das Gemisch durch Formpressen verarbeitet wurde; danach wurden die mechanischen Eigenschaften und die thermische Stabilität dieser Verbundwerkstoffe untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass die Zugabe von modifiziertem Magnesiumhydroxid zwar die Zugfestigkeit und die Bruchdehnung des PP verringerte, jedoch die Schlagzähigkeit um 54,55 % steigerte und die thermische Zersetzungstemperatur von 290 °C auf 380 °C anhob.
Es wurde eine Studie durchgeführt, um die Auswirkungen von unmodifiziertem und modifiziertem Magnesiumhydroxid – hergestellt mittels herkömmlicher Fällung sowie mittels Hochgravitationsfällung – auf die flammhemmenden und mechanischen Eigenschaften von PP/Magnesiumhydroxid-Verbundwerkstoffen zu vergleichen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Zugabe von Magnesiumhydroxid die Flammwidrigkeit von PP verbesserte, jedoch die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigte. Mittels Hochgravitationsfällung hergestelltes Magnesiumhydroxid führte im Vergleich zu dem nach herkömmlicher Methode hergestellten Material zu einer überlegenen Verbesserung sowohl der Flammwidrigkeit als auch der mechanischen Eigenschaften. Darüber hinaus verbesserte die Oberflächenmodifizierung die Grenzflächenhaftung zwischen dem Magnesiumhydroxid und der PP-Matrix sowie die Dispergierung, was zu signifikanten Verbesserungen der gesamten flammhemmenden und mechanischen Leistungsfähigkeit der PP-Verbundwerkstoffe führte. Magnesiumhydroxid wurde entweder mit einem einzelnen Modifikator – Dodecylphosphat (DDP) – oder mit einem kombinierten Modifikatorsystem aus DDP und einem Silan-Haftvermittler modifiziert; anschließend wurde das modifizierte Magnesiumhydroxid durch Schmelzemischen in eine Polypropylen(PP)-Matrix eingearbeitet, um Verbundwerkstoffe herzustellen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Zugabe von Magnesiumhydroxid die thermische Stabilität und die Flammwidrigkeit der Verbundwerkstoffe erheblich verbesserte, während die Einbußen bei den mechanischen Eigenschaften der PP-Matrix minimiert wurden.
Obwohl die Zugabe von Magnesiumhydroxid die Flammwidrigkeit von PP verbessert, bestehen weiterhin bestimmte Probleme:
(1) Um den für die Einstufung als flammwidriges Material erforderlichen Grenzwert des Sauerstoffindex (LOI) zu erreichen, ist ein Magnesiumhydroxid-Gehalt von 55 % erforderlich; bei diesem Füllgrad sind die mechanischen Eigenschaften des PP jedoch unzureichend.
(2) Zwar ermöglicht der Einsatz von rotem Phosphor als Dehydratisierungsbeschleuniger eine Reduzierung des Magnesiumhydroxid-Anteils – wodurch die mechanischen Eigenschaften des PP erhalten bleiben –, doch schränkt die dunkle Farbe des roten Phosphors die Anwendung von flammwidrigem PP in verschiedenen Industriezweigen ein.
(3) Reinheit und Partikelgröße des Magnesiumhydroxids beeinflussen die thermische Stabilität des PP direkt; feinteiliges Magnesiumhydroxid neigt jedoch stark zur Agglomeration, was wirksame Verfahren zur Oberflächenbehandlung erforderlich macht.
Anwendung von Magnesiumhydroxid-Flammschutzmitteln in Polystyrol (PS)
Polystyrol (PS) zeichnet sich durch niedrige Kosten, gute Verarbeitbarkeit, Korrosionsbeständigkeit, hohe Schlagzähigkeit und Langlebigkeit aus, weshalb es in Bereichen wie Bauwesen, Dekoration, Elektrotechnik und Transportwesen weit verbreitet ist. Allerdings weist PS einen niedrigen LOI-Wert auf und ist leicht entflammbar; es brennt nach Entfernung der Zündquelle weiter, wobei große Mengen an Wärme und toxischem Rauch freigesetzt werden und es zur Bildung brennender Schmelzetropfen kommt, was seinen breiten Einsatz einschränkt.
Es wurden Untersuchungen zur flammhemmenden Wirkung der Zugabe von Magnesiumhydroxid zu PS durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass mit steigendem Magnesiumhydroxid-Gehalt die CO2-Emissionen während des thermischen Abbaus von PS abnahmen, die Rückstandsausbeute (Kohlenstoffrückstand) stark anstieg und der Anteil flüchtiger sowie schwerflüchtiger Substanzen zunahm. Diese Erkenntnisse deuten darauf hin, dass die Zugabe von Magnesiumhydroxid die Flammwidrigkeit von PS veränderte, die Verbrennungstemperatur erhöhte und den Verbrennungsmechanismus modifizierte. Magnesiumhydroxid wurde mithilfe des Tensids Natriumdodecylbenzolsulfonat modifiziert; das so behandelte Magnesiumhydroxid diente anschließend zur Herstellung von Verbundwerkstoffen mit Polystyrol (PS). Die Ergebnisse zeigen, dass das modifizierte Magnesiumhydroxid eine gute Verträglichkeit mit PS aufweist und dessen Flammwidrigkeit erheblich verbessert; bei einem Magnesiumhydroxid-Gehalt von 60 % erreicht der Verbundwerkstoff eine optimale flammhemmende Wirkung.
Durch Schmelzemischen von PS mit oberflächenmodifiziertem Nano-Magnesiumhydroxid wurden PS/Nano-Magnesiumhydroxid-Verbundwerkstoffe hergestellt und deren Verbrennungsverhalten untersucht. Die Ergebnisse belegen, dass das modifizierte Nano-Magnesiumhydroxid eine verringerte Agglomerationsneigung und eine gleichmäßigere Verteilung in der PS-Matrix zeigt, was zu einer deutlichen Verbesserung der Flammwidrigkeit des PS führt. Bei einem Gehalt von 60 Teilen Nano-Magnesiumhydroxid tropft der Verbundwerkstoff während des Verbrennungsvorgangs nicht mehr; bei einem Gehalt von 100 Teilen wirkt das Material selbstverlöschend und erreicht einen Sauerstoffindex (LOI) von 24,1 % sowie die Einstufung FH-1 im Horizontalbrenntest.
Durch Einarbeitung von mit Natriumdodecylbenzolsulfonat modifiziertem Magnesiumhydroxid wurden flammgeschützte PS-Verbundwerkstoffe hergestellt; anschließend wurden deren mechanische Eigenschaften, thermische Stabilität und Flammwidrigkeit analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das modifizierte Magnesiumhydroxid-Flammschutzmittel gut in der PS-Matrix verteilt; der resultierende Verbundwerkstoff weist einen um 44,3 % höheren LOI-Wert als reines PS sowie eine verringerte Brenngeschwindigkeit auf. Obwohl das Magnesiumhydroxid-Flammschutzmittel die Flammwidrigkeit von PS verbessert, verschlechtern sich die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs mit zunehmendem Füllgrad allmählich. Zudem führt eine längere Einwirkung feuchter Umgebungsbedingungen zu Feuchtigkeitsaufnahme und Zersetzung, was eine deutliche Verringerung der Flammwidrigkeit sowie Verformungen oder Verfärbungen zur Folge hat.
Anwendung von Magnesiumhydroxid-Flammschutzmitteln in PVC
PVC ist ein weit verbreiteter Standard-Thermoplast, der unter anderem für Folien, Rohre, Wandpaneele und Elektroanwendungen (insbesondere Kabelisolierungen und -ummantelungen) eingesetzt wird; man unterscheidet zwischen Hart-PVC und Weich-PVC. Hart-PVC enthält weniger Weichmacher und weist eine bessere Flammwidrigkeit auf als Weich-PVC. Da PVC jedoch Chlor enthält, entstehen bei seiner Verbrennung und Zersetzung Chlorwasserstoffgas sowie große Mengen an giftigem, schädlichem Rauch; Daher müssen Bemühungen zur Verbesserung der Flammwidrigkeit von PVC auch die Problematik der erheblichen Rauchentwicklung bei der Verbrennung berücksichtigen. Flammschutzmittel auf Basis von Magnesiumhydroxid können die Flammwidrigkeit von PVC erhöhen und gleichzeitig die Emission giftiger und schädlicher Gase verringern, wodurch sie sich für den Einsatz in PVC-Verbundwerkstoffen eignen.
Magnesiumhydroxid wurde unter Verwendung verschiedener Modifikatoren oberflächenbehandelt, und die Auswirkungen des modifizierten Magnesiumhydroxids auf die mechanischen Eigenschaften sowie die Flammwidrigkeit von PVC wurden untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass Zinkstearat die besten Modifikationsergebnisse lieferte und einen Ölabsorptionswert von 33,39 % erreichte; die resultierenden Magnesiumhydroxid-Partikel waren gleichmäßig dispergiert und wiesen eine deutlich verringerte Agglomeration auf. Während die Flammwidrigkeit des PVC erheblich verbessert wurde, war die Zugfestigkeit leicht beeinträchtigt.
Ultrafeines Magnesiumhydroxid wurde durch physikalische Mahlung hergestellt und mit einem Silan-Haftvermittler modifiziert. Dieses modifizierte Magnesiumhydroxid wurde zur Herstellung von Verbundwerkstoffen in PVC eingearbeitet, und die thermischen sowie verbrennungstechnischen Eigenschaften dieser Verbundwerkstoffe wurden analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass die Zugabe von Magnesiumhydroxid den Sauerstoffindex (LOI) signifikant erhöhte und die Rauchdichte der PVC-Verbundwerkstoffe verringerte. Zudem wurden die thermische Stabilität und der Rückstand bei der Verkohlung deutlich verbessert, ohne Härte, Dichte oder Zugfestigkeit der Verbundwerkstoffe negativ zu beeinflussen.
Magnesiumhydroxid-Pulver mit Feinheitsgraden von 3000 Mesh und 6000 Mesh wurden durch physikalische Mahlung hergestellt; das 3000-Mesh-Pulver wurde modifiziert, und alle drei Varianten wurden zur Herstellung von Verbundwerkstoffen in PVC eingearbeitet. Die Ergebnisse zeigten, dass der Verbundwerkstoff mit 6000-Mesh-Magnesiumhydroxid die beste Gesamtleistung aufwies: Der LOI erreichte 47,0 %; die thermische Stabilität und der endgültige Verkohlungsrückstand verbesserten sich signifikant (mit einem maximalen Rückstand von 37,3 % bei 800 °C); die Rauchdichte sank deutlich auf 74,64 %; und auch Zugfestigkeit sowie Kerbschlagzähigkeit verbesserten sich und erreichten Werte von 28,9 MPa beziehungsweise 5,42 kJ/m².
Es wurde der Einfluss der Feinheit des Magnesiumhydroxids auf die Flammwidrigkeit von PVC untersucht. Die Ergebnisse zeigten: Je kleiner die Partikelgröße des Magnesiumhydroxids, desto höher war der LOI des resultierenden Verbundwerkstoffs und desto ausgeprägter war die Verringerung der maximalen Rauchentwicklung sowie des Rauchfreisetzungswerts. 3 Anwendung von Magnesiumhydroxid als Flammschutzmittel in PE
Polyethylen (PE) findet aufgrund seiner hervorragenden Verarbeitbarkeit, elektrischen Isolationseigenschaften, mechanischen Kennwerte sowie seiner Beständigkeit gegenüber hohen und niedrigen Temperaturen breite Anwendung in Branchen wie dem Bauwesen, der Elektrotechnik und der Medizin. Allerdings liegt sein Sauerstoffindex (LOI) bei nur etwa 17,4 %, was das Material leicht entflammbar macht und seinen Einsatzbereich einschränkt. Die Verbesserung der Flammwidrigkeit von PE ist ein zentrales Forschungsgebiet; zu den gängigen Flammschutzmitteln gehören halogenbasierte, phosphor-stickstoffbasierte sowie anorganische Typen auf Aluminium- oder Magnesiumbasis, wobei Magnesiumhydroxid aufgrund seiner Kosteneffizienz und Umweltfreundlichkeit bevorzugt wird.
Für die Herstellung von PE-Verbundwerkstoffen wurde Magnesiumhydroxid in drei verschiedenen Partikelgrößen als Flammschutzmittel eingesetzt; anschließend wurden die mechanischen und elektrischen Eigenschaften, die thermische Stabilität sowie die Flammwidrigkeit dieser Verbundwerkstoffe untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass Magnesiumhydroxid die Flammwidrigkeit und thermische Stabilität von PE signifikant verbesserte. Die optimale Gesamtleistung des Verbundwerkstoffs wurde bei einer Magnesiumhydroxid-Partikelgröße von 3,1 μm erzielt: Dabei wurden eine Zugfestigkeit von 16,1 MPa, eine Bruchdehnung von 400 %, ein LOI von 22,3 %, eine maximale Wärmefreisetzungsrate (PHRR) von 270 kW/m² sowie ein spezifischer Durchgangswiderstand von 5,2 × 10¹³ Ω·m erreicht.
Magnesiumhydroxid wurde mit Melamin-Formaldehyd-Harz modifiziert und durch Schmelzemischen in PE eingearbeitet, um Verbundwerkstoffe für die Untersuchung herzustellen. Im Vergleich zu Verbundwerkstoffen mit unmodifiziertem Magnesiumhydroxid zeigten die Varianten mit modifiziertem Magnesiumhydroxid einen um 11 % höheren LOI und eine stärkere Rauchunterdrückung; zudem verbesserten sich die Zugfestigkeit auf 12,71 MPa und die Bruchdehnung auf 45,07 %.
Magnesiumhydroxid wurde mittels eines Kombinationsmodifikators behandelt und in Polyethylen hoher Dichte (HDPE) eingearbeitet. Die Ergebnisse zeigten eine deutliche Verbesserung der Flammwidrigkeit der resultierenden Verbundwerkstoffe, ohne dass es zu einer signifikanten Verschlechterung der Zugeigenschaften im Vergleich zu reinem HDPE kam.
Es wurden Verbundwerkstoffe hergestellt, bei denen eine Kombination aus Magnesiumhydroxid und Graphen als kombiniertes Flammschutzmittel für PE diente. Die Ergebnisse zeigen, dass das kombinierte Flammschutzmittel bei PE eine bessere flammhemmende Wirkung aufweist als Magnesiumhydroxid allein, wobei der Sauerstoffindex (LOI) um 6,4 % steigt. Obwohl Magnesiumhydroxid ein umweltfreundliches und kostengünstiges Flammschutzmittel mit hervorragender Leistung ist – was seinen breiten Einsatz in der Kunststoffindustrie ermöglicht –, handelt es sich um ein additives Flammschutzmittel, das hohe Dosierungen erfordert, um strenge Brandschutznormen zu erfüllen. Zudem ist Magnesiumhydroxid stark polar und hydrophil; es lässt sich nur schwer in Polymermatrizes dispergieren und neigt zur Agglomeration. Dies führt zu einer schlechten Verträglichkeit mit dem Kunststoff, was eine verringerte Festigkeit sowie beeinträchtigte Verarbeitungs- und Fließeigenschaften zur Folge hat und somit den großtechnischen Einsatz in der Kunststoffindustrie einschränkt.