Hebei Messi Biology Co., Ltd. weist darauf hin, dass Epoxidharz (EP) und Ethylen-Vinylacetat (EVA) Hochleistungspolymere sind, die in verschiedenen Industriezweigen weit verbreitet sind. Die inhärente Entflammbarkeit von Polymermaterialien schränkt deren Einsatzmöglichkeiten jedoch erheblich ein. Um diesem Problem zu begegnen, müssen Flammschutzmittel zugesetzt werden, um die flammhemmenden Eigenschaften zu verbessern. Dennoch steht die Flammwidrigkeit von Polymerprodukten vor großen Herausforderungen, da Bedenken hinsichtlich der Sicherheit und Effizienz der häufig verwendeten Flammschutzmittel (FRs) bestehen.
Magnesiumhydroxid (MDH) stellt einen bedeutenden Teil des Marktes für halogenfreie Flammschutzmittel (HFFR) dar. Es wirkt durch endotherme Zersetzung, bei der nichtflüchtige Gase freigesetzt werden, welche die Sauerstoffkonzentration verdünnen, sowie durch die Bildung von Metalloxiden, die eine anorganische Schutzbarriere gegen Wärmeübertragung erzeugen. Allerdings weisen MDH-Partikel eine schlechte Verträglichkeit mit Polymeren auf, was die Wechselwirkungen an der Grenzfläche negativ beeinflusst und sowohl die flammhemmende Effizienz als auch die mechanische Festigkeit verringert. Folglich ist eine Funktionalisierung der Oberfläche von MDH-Partikeln erforderlich, um diese inhärenten Schwächen zu mildern oder zu überwinden.
In dieser Studie wurde zunächst ein funktionaler MDH-Flammschutzfüllstoff hergestellt, indem die Selbstpolymerisation von Dopaminhydrochlorid – unterstützt durch Koordinationsreaktionen mit Übergangsmetallionen (Fe, Co, Cu, Ni) in alkalischer Lösung – induziert wurde, um eine Polydopamin(PDA)-Beschichtung auf der MDH-Oberfläche zu erzeugen. Anschließend wurden MDH und der funktionalisierte MDH-Füllstoff in bestimmten Massenverhältnissen in Duroplast- (EP) und Thermoplast-Matrizen (EVA) eingearbeitet, um die Auswirkungen dieser Flammschutzmittel auf die mechanischen Eigenschaften der verschiedenen Matrixmaterialien zu untersuchen. Des Weiteren wurden die flammhemmende Wirkung sowie die Qualität der nach der Verbrennung entstehenden Verkohlungsschicht mithilfe von Verfahren wie dem Grenzsauerstoffindex (LOI), der Kegelkalorimetrie (CCT) und der Raman-Spektroskopie bewertet.
Im ersten Teil der Studie wurde eine Reihe flammhemmender Epoxidharz-Verbundwerkstoffe hergestellt, indem MDH@Fe-PDA und unmodifiziertes MDH in unterschiedlichen Massenverhältnissen in Epoxidharz eingearbeitet wurden. Dabei wurden die flammhemmenden Eigenschaften der Epoxidharz(EP)-Verbundwerkstoffe untersucht, die MDH und MDH@Fe-PDA in verschiedenen Massenverhältnissen enthielten. Die Ergebnisse zeigten, dass der Verbundwerkstoff mit einem Gehalt von 23 Gew.-% MDH und 7 Gew.-% MDH@Fe-PDA die ausgeprägteste flammhemmende Wirkung aufwies; im Vergleich zu reinem EP wurden die maximale Wärmefreisetzungsrate (pHRR), die gesamte Rauchentwicklung (TSP) und die maximale Rauchentwicklungsrate (pSPR) signifikant um 57 %, 21 % bzw. 67 % reduziert. Weiterführende Untersuchungen mittels Thermogravimetrie gekoppelt mit Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (TG-FTIR) sowie Rasterelektronenmikroskopie (REM) analysierten die Freisetzung brennbarer flüchtiger Bestandteile und die Mikrostruktur des Verkohlungsrückstands während der Verbrennung. Die Ergebnisse offenbarten eine deutliche Verringerung der Freisetzung brennbarer flüchtiger Bestandteile und toxischer Gase. Zudem wies der Verkohlungsrückstand des EP-Verbundwerkstoffs eine dichtere Struktur auf als der von reinem EP; diese hochwertige Verkohlungsschicht fungierte wirksam als Barriere gegen Wärmestrahlung und den Transport brennbarer flüchtiger Bestandteile.
Im zweiten Teil der Studie wurde – aufbauend auf der vorteilhaften flammhemmenden Wirkung von Fe-PDA-modifiziertem MDH – die flammhemmende Wirkung von MDH untersucht, das durch Komplexierung mit anderen Übergangsmetallionen, nämlich Cobalt (Co), Kupfer (Cu) und Nickel (Ni), modifiziert worden war. Unter Anwendung derselben Modifikationsbedingungen wie bei MDH@Fe-PDA wurden flammhemmende Füllstoffe (MDH@Co-PDA, MDH@Cu-PDA und MDH@Ni-PDA) hergestellt und in EP eingearbeitet, um Verbundwerkstoffe mit diesen verschiedenen Übergangsmetallionen zu erzeugen. Zur Analyse der Struktur und Morphologie der Füllstoffe sowie der Flammwidrigkeit, der rauchmindernden Eigenschaften und der Struktur der Verkohlungsrückstände der resultierenden EP-Verbundwerkstoffe wurden dieselben Prüfverfahren eingesetzt. Die Ergebnisse zeigten, dass von den vier Übergangsmetallionen der EP/MDH/MDH@Fe-PDA-Verbundwerkstoff den höchsten Grenzsauerstoffindex (LOI) von 29,3 % sowie die größte Masse an Verkohlungsrückstand erreichte. Darüber hinaus wurden Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften beobachtet, insbesondere hinsichtlich Zugfestigkeit, Schlagzähigkeit und Bruchdehnung. Im dritten Teil wurden – um den Einfluss verschiedener Übergangsmetallionen auf die flammhemmenden Eigenschaften unterschiedlicher Matrizen weiter zu untersuchen – jeweils 50 Gew.-% von MDH/MDH@Fe-PDA, MDH/MDH@Co-PDA, MDH/MDH@Cu-PDA und MDH/MDH@Ni-PDA als flammhemmende Füllstoffe in eine Ethylen-Vinylacetat-Copolymer-Matrix (EVA) eingearbeitet. Die Ergebnisse zeigten, dass die Zusammensetzung mit MDH/MDH@Cu-PDA – im Gegensatz zur Epoxidharz-Matrix (EP) – bei der EVA-Matrix eine überlegene flammhemmende Wirkung aufwies. Cone-Kalorimeter-Messungen ergaben, dass diese Variante im Vergleich zu den anderen Zusammensetzungen die niedrigste maximale Wärmefreisetzungsrate (pHRR), die geringste gesamte Rauchentwicklung (TSP) und die niedrigste maximale Rauchentwicklungsrate (pSPR) sowie die längste Brenndauer aufwies. Zudem deutete die Raman-Analyse der Verbrennungsrückstände darauf hin, dass der EVA/MDH/MDH@Cu-PDA-Verbundwerkstoff die stabilste Verkohlungsschicht bildete. Es wurde jedoch auch festgestellt, dass die mechanischen Eigenschaften des EVA/MDH/MDH@Cu-PDA-Verbundwerkstoffs nicht am besten waren; stattdessen zeigte der MDH/MDH@Ni-PDA-Verbundwerkstoff das beste mechanische Verhalten und erreichte die höchste Schlagzähigkeit sowie Bruchdehnung.