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Brandverhalten von Polystyrol und Flammschutzmittel

Flammschutzmittel

Halogenverbindungen

Unter den Flammschutzmitteln für Polystyrol besitzen halogenierte Verbindungen die größte Bedeutung. Es gibt sie als Zusätze, die in die Kunststoffschmelze eingemischt werden, oder als Comonomere, die in die Polymere mit eingebaut werden.

Bei höherer Temperatur setzen diese Verbindungen Halogenwasserstoff oder Halogen frei. Diese Zersetzungsprodukte

  • unterbrechen in der Flamme die Radikalkettenreaktionen der Verbrennung,
  • verdünnen den Sauerstoff im Gasraum über dem brennenden Kunststoff.

Nicht alle Halogenverbindungen sind als Flammschutzmittel gleich gut geeignet. Ein wichtiges Kriterium ist die Abspaltbarkeit des Halogens. Diese nimmt in der folgenden Reihenfolge zu.

F < Cl < Br < I

Die Kohlenstoff-Fluor-Bindung ist so fest, dass sich Fluor sogar bei den Temperaturen brennenden Kunststoffs nur in sehr begrenztem Maße abspaltet. Die Wirkung in der Flamme kann deshalb nicht groß sein. Fluorverbindungen sind folglich als Flammschutzmittel unüblich.

Die Kohlenstoff-Iod-Bindung ist dagegen derart locker, dass bereits bei mäßigem Erwärmen Zersetzung eintritt. Mit organischen Iodverbindungen ausgerüstetes Polystyrol würde nicht die nötige thermische Beständigkeit für die Verarbeitung besitzen und wäre darüber hinaus zu lichtempfindlich.

Für die Brandschutzausrüstung von Polystyrol werden hauptsächlich Brom- und Chlorverbindungen eingesetzt. Beispiele für Brandschutz-Zusätze sind Hexabromcyclododecan und Chlorparaffine. Beispiel für ein Comonomer ist Dibromstyrol. Die wirksameren Flammschutzmittel sind die Bromverbindungen. Brom wird bei niedrigeren Temperaturen abgespalten als Chlor und kann so schon in einer früheren Brandphase in den Verlauf der Verbrennung eingreifen. Die höheren Zersetzungstemperaturen der Chlorverbindungen ermöglichen andererseits höhere Verarbeitungstemperaturen. Weitere Vorteile der Chlorverbindungen sind eine bessere Lichtbeständigkeit und ein oft günstigeres Preis-Leistungs-Verhältnis.

Antimonoxide

Sb2O3 und Sb2O5 reagieren in der Hitze mit Halogenverbindungen unter Entstehung flüchtigen Antimontrihalogenids oder Antimonoxidhalogenids, die sich als schwerer Dampf über die feste Phase legen und so die Sauerstoffzufuhr vermindern. Darüber hinaus wird postuliert, dass sich Antimonhalogenide oder -oxidhalogenide in der Flamme als Radikalfänger betätigen und so die Radikalkettenreaktionen der Verbrennung unterbrechen. Ohne die gleichzeitige Anwesenheit von Halogenverbindungen haben sich Antimonoxide als wirkungslos erwiesen.

Phosphorverbindungen

Wird halogenfreier Brandschutz für Polystyrol gewünscht, können Phosphorsäureester oder anorganische Phosphate wie Ammoniumphosphat eingesetzt werden. Diese Verbindungen setzen sich in der Hitze zu Polyphosphorsäuren oder Metaphosphorsäuren um, die auf der Kunststoffmasse eine temperaturbeständige und hochviskose Schutzschicht bilden.

Intumeszierende Flammschutzmittel

Ebenfalls halogenfrei sind intumeszierende Flammschutzmittel. Unter Intumeszenz (lat. "intumescere" = anschwellen) versteht man das Aufschäumen einer Schutzschicht. Solche Flammschutzmittel bestehen üblicherweise aus drei Komponenten.

  • Polyphosphat, z.B. Ammoniumpolyphosphat
  • Kohlenstoff-Lieferanten, z.B. Dipentaerythrit
  • Treibmittel, z.B. Melamin, das in der Hitze gasförmige Zersetzungsprodukte abgibt
Dipentaerythrit
Melamin

In der Hitze bilden sich aus dem Kohlenstoff-Lieferanten und dem Polyphosphat kohlenstoffreiche Zersetzungsprodukte, die mit Hilfe der gasförmigen Zersetzungsprodukte z.B. von Melamin zu einer hochviskosen Schutzschicht aufgeschäumt werden.

Von Nachteil sind die für einen ausreichenden Brandschutz bei Polystyrol notwendigen hohen Mengen der Zusatzstoffe (bis zu 40 Gew.-%). Dadurch verschlechtern sich andere Materialeigenschaften erheblich.

Metallhydroxide

Metallhydroxide wie Aluminium- und Magnesiumhydroxid spalten in der Hitze Wasserdampf ab, der die Sauerstoffkonzentration herabsetzt. Da die Zersetzung endotherm ist, wird dem Verbrennungsprozess außerdem Wärme entzogen.

Mengenmäßig und bezogen auf alle Kunststoffe sind die Metallhydroxide die meist verwendeten Flammschutzmittel. In Polystyrol werden sie allerdings nicht eingesetzt, weil die notwendigen Zusatzmengen so hoch sind, dass sich die mechanischen Eigenschaften deutlich verschlechtern.

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