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Multicomponent flame retardant systems containing aluminum diethylphosphinate in thermoplastic styrene–ethylene–butylene–styrene elastomers are investigated (oxygen index, UL 94, cone calorimeter, and mechanical testing). Solid-state nuclear magnetic resonance, scanning electron microscopy, and elemental analysis illuminate the interactions in the condensed phase. Thermoplastic styrene–ethylene–butylene–styrene elastomers are a challenge for flame retardancy (peak heat release rate at 50 kW m-2 > 2000 kW m-2, oxygen index = 17.2 vol%, no UL-94 horizontal burn rating) since it burns without residue and with a very high effective heat of combustion. Adding aluminum diethylphosphinate results in efficient flame inhibition and improves the reaction to small flame, but it is less effective in the cone calorimeter. Its efficacy levels off for amounts >~25 wt%. As the most promising synergistic system, aluminum diethylphosphinate/melamine polyphosphate was identified, combining the main gas action of aluminum diethylphosphinate with condensed phase mechanisms. The protection layer was further improved with several adjuvants. Keeping the overall flame retardant content at 30 wt%, aluminum diethylphosphinate/melamine polyphosphate/titanium dioxide and aluminum diethylphosphinate/melamine polyphosphate/boehmite were the best approaches. An oxygen index of up to 27 vol% was achieved and a horizontal burn rating in UL 94 with immediate self-extinction; peak heat release rate decreased by up to 85% compared to thermoplastic styrene–ethylene–butylene–styrene elastomers, to <300 kW m-2.
Developing flame retarded thermoplastic elastomers (TPES) based on styrene−ethylene−butylene−styrene, polypropylene, and mineral oil is a challenging task because of their very high fire loads and flammability. A promising approach is the synergistic combination of expandable graphite (EG) and ammonium polyphosphate (APP). Cone calorimetry, oxygen index, and UL 94 classification were applied. The optimal EG:APP ratio is 3:1, due to the most effective fire residue morphology. Exchanging APP with melamine-coated APPm yielded crucial improvement in fire properties, whereas replacing EG/APP with melamine polyphosphate did not. Adjuvants, such as aluminum diethyl phosphinate (AlPi), zinc borate, melamine cyanurate, titanium dioxide, dipentaerylthritol, diphenyl-2-ethyl phosphate, boehmite, SiO2, chalk, and talcum, were tested. All flame retardants reinforced the TPE-S. The combination with AlPi is proposed, because with 30 wt % flame retardants a maximum averaged rate of heat emission below 200 kW m−2 and a V-0 rating was achieved. Multicomponent EG/APP/adjuvants systems are proposed as a suitable route to achieve efficient halogen-free flame retarded TPE-S.
Das Ziel des Forschungsvorhabens war die Untersuchung der Wirkungsweise von halogenfreien Flammschutzmitteln in WPC.
Eine große Anzahl verschiedener Flammschutzmittel wurde hinsichtlich ihrer Wirkmechanismen umfassend untersucht, um ein Verständnis für die ablaufenden Prozesse zu entwickeln. Hierbei wurden verschiedene Brandtests eingesetzt, um die Materialien bezüglich verschiedener Applikationen (E&E, Transportwesen, Bauwesen) zu beleuchten.
Die verschiedenen Untersuchungen liefern aber auch ein umfassendes Bild vom Brandverhalten in den verschiedenen Eigenschaften, wie Entflammbarkeit und Brandausbreitung.
Die prinzipiellen Ansätze wurden anhand von verschiedenen Flammschutzmitteln beleuchtet, ihre Pyrolyse und ihre Performance in verschiedenen Brandtests gegenübergestellt. Bei der angestrebten geringen Zusatzmenge ist durch den Zusatz eines einzigen Flammschutzmittels keine zufriedenstellende Reduktion der Brandeigenschaften zu erwarten. Multikomponentensysteme zur Steigerung der Effizienz sind angezeigt. Einige prinzipielle Kombinationsmöglichkeiten wurden für alle Hauptflammschutzmittel durchgespielt. Die teilweise deutlichen Verbesserungen zeigen Wege zur erfolgreichen Produktentwicklung auf. So konnten bei den Spritzgießcompounds Eigenschaften erzielt werden, die eine UL 94 V0 Klassifizierung ermöglichen.
Ein Einsatz der im Forschungsvorhaben hergestellten Compounds als Baustoff ist aufgrund des Brandverhaltens in den baustoffspezifischen Prüfungen nicht möglich. Hier sind weitere Flammschutz-Konzepte zu erproben.
Gleitmittel nehmen bei den untersuchten Extrusionscompounds keinen Einfluss auf das Brandverhalten. Haftvermittler nehmen ebenfalls keinen signifikanten Einfluss auf das untersuchte Brandverhalten, können aber zu einer veränderten Verteilung der Füllstoffe
und damit zur Ausbildung einer effektiveren Schutzschicht führen.
Feinere Holzpartikel schneiden bei den Brandprüfungen besser ab als grobe Holzpartikel.
Bei Einsatz von grobem Holz wird eine schlechtere Rückstandsstruktur ausgebildet, was das Brandverhalten negativ beeinflusst. Der Einsatz von vorbehandeltem Holz
brachte nicht die erwartete Verbesserung.
Die neu konzipierte Aufbereitungsanlage auf Basis des Planetwalzenextruders konnte erfolgreich in Betrieb genommen werden. Vergleichende Versuche mit dem Doppelschneckenextruder zeigten, dass der PWE-Aufbau eine gute Alternative zur etablierten DSE-Aufbereitung darstellt.
Zusätzlich wurden an Compounds vielversprechender Flammschutzansätze weitere Materialprüfungen (Biegeversuch, Schlagversuch, Wasseraufnahme) durchgeführt, um den Einfluss der FSM auf die spezifischen Eigenschaften der WPC zu beleuchten.