Die Verbrennung von Polymeren ist eine sehr intensive und komplexe thermische Oxidationsreaktion, die durch die Emission von Rauch oder einer lodernden Flamme gekennzeichnet ist. Flammschutzmittel sind Additive, die die Entzündung von Kunststoffen verhindern oder die Flammenausbreitung hemmen. Ihre flammhemmende Wirkung besteht darin, die Geschwindigkeit physikalischer und chemischer Veränderungen im Verbrennungsprozess von Polymeren zu verhindern oder zu verringern. Im Einzelnen zeigt sich die flammhemmende Wirkung hauptsächlich in folgenden Aspekten.
Flammschutzmittel im Polymerverbrennungsprozess mit flammhemmender Wirkung:
Flammhemmend Flammhemmend – Wärmeabsorptionseffekt
Die Funktion des Wärmeabsorptionseffekts besteht darin, den Temperaturanstieg des Polymermaterials zu erschweren.
Borax beispielsweise enthält 10 Moleküle kristallines Wasser. Durch die Freisetzung von kristallinem Wasser werden 141.8 kJ/mol Wärme aufgenommen und so die Wärmeabsorption verbessert, sodass der Temperaturanstieg des Materials gehemmt wird, was zu einer flammhemmenden Wirkung führt.
Flammhemmend Flammhemmend – Deckwirkung
Der Effekt besteht darin, dass sich bei höheren Temperaturen eine stabile Deckschicht bildet oder sich eine schaumartige Substanz bildet, die die Oberfläche des Polymermaterials bedeckt. Dadurch kann die durch die Verbrennung entstehende Wärme nur schwer in das Innere des Materials eindringen und die durch die thermische Zersetzung des Polymermaterials entstehenden brennbaren Gase können nur schwer entweichen. Die Wirkung ist wie eine Luftbarriere, wodurch Materialrisse verhindert und eine flammhemmende Wirkung erzielt wird.
Flammschutzmittel Flammschutzmittel – Verdünnungseffekt
Diese Stoffe können bei der Zersetzung durch Hitze große Mengen nicht brennbarer Gase erzeugen, sodass das vom Polymermaterial erzeugte brennbare Gas und der Sauerstoff in der Luft verdünnt werden und nicht den brennbaren Konzentrationsbereich erreichen.
Flammhemmend Flammhemmend – Transfereffekt
Die Wirkung besteht darin, die Art der thermischen Zersetzung des Polymermaterials zu ändern und so die Entstehung brennbarer Gase zu verhindern.
Flammhemmend Flammhemmend – Hemmwirkung
Durch das Einfangen der aktiven Zwischenprodukte von Verbrennungsreaktionen, wie etwa HO- und H-, werden freie Radikalkettenreaktionen verhindert und die Verbrennungsgeschwindigkeit verringert, bis die Flamme erlischt.
Flammhemmend Flammhemmend – Verstärkungseffekt
Manche Materialien haben keine oder nur eine geringe flammhemmende Wirkung, wenn sie allein verwendet werden. Eine Vielzahl von Materialien kann jedoch dazu verwendet werden, die flammhemmende Wirkung zu verstärken, wie beispielsweise die gemeinsame Verwendung von Antimontrioxid und Halogenverbindungen.
Flammschutzmechanismus im Polymerverbrennungsprozess:
Flammhemmender Mechanismus – Flammhemmender Mechanismus in der Gasphase
Dampfphasen-Flammschutzsysteme basieren auf der flammhemmenden Wirkung von Kettenverbrennungsreaktionen in der Gasphase. Der Flammschutz in der Dampfphase besteht hauptsächlich aus:
- Beim Erhitzen oder Verbrennen des flammhemmenden Materials entstehen Radikalfänger, die die Kettenreaktion der Verbrennung unterbrechen.
- Beim Erhitzen oder Verbrennen des flammhemmenden Materials entstehen feine Partikel, die die Bindung freier Radikale fördern und so die Kettenverbrennungsreaktion beenden.
- Die Freisetzung großer Mengen an Inertgas oder hochdichtem Dampf beim Erhitzen oder Verbrennen des flammhemmenden Materials.
Flammschutzmechanismen – kondensierte Phasen-Flammschutzmechanismen
Kondensationsphasen-Flammschutz bezeichnet die flammhemmende Wirkung, die durch die Verzögerung oder Unterbrechung der thermischen Zersetzung flammhemmender Materialien in der kondensierten Phase entsteht. Kondensationsphasen-Flammschutz besteht im Wesentlichen aus:
- Flammschutzmittel, die die thermische Zersetzung brennbarer Gase und Radikale, die während des Koaleszenzprozesses entstehen können, verzögern oder unterbrechen
- Anorganische Füllstoffe mit großer spezifischer Wärmekapazität in flammhemmenden Materialien, die durch Wärmespeicherung und Wärmeleitfähigkeit dafür sorgen, dass das Material weniger wahrscheinlich die thermische Zersetzungstemperatur erreicht.
- Durch die thermische Zersetzung des Flammschutzmittels wird Wärme absorbiert, sodass der Temperaturanstieg des flammhemmenden Materials verlangsamt oder gestoppt wird.
- Wenn das flammhemmende Material verbrennt, bildet sich auf seiner Oberfläche eine poröse Kohlenstoffschicht, die schwer zu verbrennen ist, Hitze und Sauerstoff isoliert und verhindert, dass brennbares Gas in die Gasphase gelangt.
Flammschutzmechanismus – Unterbrechung des Wärmeaustausch-Flammschutzmechanismus
Der unterbrochene Wärmeaustauschmechanismus des Flammschutzmittels führt dazu, dass ein Teil der durch die Verbrennung des Flammschutzmaterials erzeugten Wärme abgeführt wird, sodass das Material die thermische Zersetzungstemperatur nicht aufrechterhalten kann und daher die Produktion brennbarer Gase nicht aufrechterhalten werden kann, sodass die Verbrennung selbstverlöschend ist.
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