Flammhemmende Zusatzstoffe für Dispersionen in Beschichtungen

Flammhemmende (FR) Additive für Polymerdispersionen wie PVAC (Polyvinylacetat), Styrol-Butadien (SBR), Styrolacrylat (SAE), Reinacrylat und VAE (Vinylacetat-Ethylen) konzentrieren sich in der Regel auf halogenfreie, ungiftige und wasserverträgliche Systeme da diese Bindemittel hauptsächlich in Beschichtungen und Klebstoffen auf Wasserbasis verwendet werden.

Flammhemmende Additive für Polymerdispersionen

Ziel dieser Zusatzstoffe ist es, den Verbrennungszyklus zu unterbrechen, indem sie in der Regel eine schützende Holzkohlesperre bilden oder nicht brennbare Gase freisetzen. Die gebräuchlichsten Arten von Additiven für diese wässrigen Systeme sind anorganisch und intumeszierend Typen:

Klasse der Zusatzstoffe	Beispiele	Mechanismus	Kompatibilität	Geeignete Dispersionen
Anorganische Hydroxide	Aluminiumtrihydrat (ATH)Magnesiumhydroxid (Mg(OH)2 oder MH)	Endotherme Zersetzung, setzt Wasserdampf frei, der die Flamme kühlt und brennbare Gase verdünnt. Wirkt als Füllstoff und Rauchunterdrücker.	Ausgezeichnete Verträglichkeit, ungiftig, umweltfreundlich.	PVAC, VAE, Styrolacrylate, Reinacrylate, SBR. VAE ist als kompatibel mit ATH und MH vermerkt.
Intumeszierende Systeme	Ammoniumpolyphosphat (APP)Pentaerythrit, Melamin. Oft in Synergie mit anderen Mitteln verwendet wie Expandierbarer Graphit (EG).	Bildet eine geschwollene, isolierende Kohleschicht (Intumeszenz), die bei Erwärmung als physikalische Barriere für den Wärme- und Sauerstofftransport wirkt.	Erfordert eine sorgfältige Formulierung für Dispersionsstabilität und Integrität des Endfilms. APP/EG-Systeme zeigen ausgezeichnete Synergieeffekte.	Besonders wirksam für Styrol-Acrylate (SAE) um hohe FR-Einstufungen zu erreichen (z. B. UL-94 V-0). Wird für alle Typen verwendet.
Phosphor-/Stickstoffbasis	Verschiedene halogenfreie Flammschutzmittel auf Wasserbasis (z. B. bestimmte flüssige Phosphate, Synthro-Nyl Typ Zusatzstoffe).	Wirkt in der kondensierten Phase (fördert die Verkohlung) und/oder in der Gasphase (Radikalabschreckung).	Eine gute Verträglichkeit wird mit speziellen Formulierungen auf Wasserbasis erreicht.	Alle Typen, oft vermarktet als halogenfrei Lösungen.
Halogenierte FR	Z.B. bromhaltige Verbindungen.	Setzt Halogenradikale in der Gasphase frei und löscht die Flamme.	Aufgrund von Umwelt- und Toxizitätsbedenken heute weniger verbreitet.	Wird verwendet, wenn es auf hohe Leistung ankommt, aber im Allgemeinen bei modernen Wasserlacken vermieden.

Flammhemmende (FR) Additive für Polymerdispersionen wie PVAC (Polyvinylacetat), Styrol-Butadien (SBR), Styrolacrylat (SAE), Reinacrylat und VAE (Vinylacetat-Ethylen) konzentrieren sich in der Regel auf halogenfreie, ungiftige und wasserverträgliche Systeme da diese Bindemittel hauptsächlich in Beschichtungen und Klebstoffen auf Wasserbasis verwendet werden.

Flammhemmende Additive für Polymerdispersionen

Ziel dieser Zusatzstoffe ist es, den Verbrennungszyklus zu unterbrechen, indem sie in der Regel eine schützende Holzkohlesperre bilden oder nicht brennbare Gase freisetzen. Die gebräuchlichsten Arten von Additiven für diese wässrigen Systeme sind anorganisch und intumeszierend Typen:

Klasse der Zusatzstoffe	Beispiele	Mechanismus	Kompatibilität	Geeignete Dispersionen
Anorganische Hydroxide	Aluminiumtrihydrat (ATH)Magnesiumhydroxid (Mg(OH)2 oder MH)	Endotherme Zersetzung, setzt Wasserdampf frei, der die Flamme kühlt und brennbare Gase verdünnt. Wirkt als Füllstoff und Rauchunterdrücker.	Ausgezeichnete Verträglichkeit, ungiftig, umweltfreundlich.	PVAC, VAE, Styrolacrylate, Reinacrylate, SBR. VAE ist als kompatibel mit ATH und MH vermerkt.
Intumeszierende Systeme	Ammoniumpolyphosphat (APP)Pentaerythrit, Melamin. Oft in Synergie mit anderen Mitteln verwendet wie Expandierbarer Graphit (EG).	Bildet eine geschwollene, isolierende Kohleschicht (Intumeszenz), die bei Erwärmung als physikalische Barriere für den Wärme- und Sauerstofftransport wirkt.	Erfordert eine sorgfältige Formulierung für Dispersionsstabilität und Integrität des Endfilms. APP/EG-Systeme zeigen ausgezeichnete Synergieeffekte.	Besonders wirksam für Styrol-Acrylate (SAE) um hohe FR-Einstufungen zu erreichen (z. B. UL-94 V-0). Wird für alle Typen verwendet.
Phosphor-/Stickstoffbasis	Verschiedene halogenfreie Flammschutzmittel auf Wasserbasis (z. B. bestimmte flüssige Phosphate, Synthro-Nyl Typ Zusatzstoffe).	Wirkt in der kondensierten Phase (fördert die Verkohlung) und/oder in der Gasphase (Radikalabschreckung).	Eine gute Verträglichkeit wird mit speziellen Formulierungen auf Wasserbasis erreicht.	Alle Typen, oft vermarktet als halogenfrei Lösungen.
Halogenierte FR	Z.B. bromhaltige Verbindungen.	Setzt Halogenradikale in der Gasphase frei und löscht die Flamme.	Aufgrund von Umwelt- und Toxizitätsbedenken heute weniger verbreitet.	Wird verwendet, wenn es auf hohe Leistung ankommt, aber im Allgemeinen bei modernen Wasserlacken vermieden.

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Herausforderungen bei der Entwicklung von flammhemmenden Beschichtungen

Die Entwicklung wirksamer flammhemmender Beschichtungen birgt mehrere Hürden in Bezug auf Formulierung und Leistung:

1. Beibehaltung der physikalischen und mechanischen Eigenschaften: Der hohe Gehalt an FR-Additiven (insbesondere mineralische Füllstoffe wie ATH/MH oder intumeszierende Komponenten), der für eine wirksame Flammhemmung erforderlich ist, kann negativ beeinflussen die wesentlichen Eigenschaften der Beschichtung, wie z. B.:
   • Mechanische Festigkeit/Biegsamkeit: Verminderte Elastizität, erhöhte Sprödigkeit.
   • Adhäsion: Reduzierte Haftfestigkeit zum Untergrund.
   • Wasser-/Wetterbeständigkeit: Die Porosität kann zunehmen und die Haltbarkeit beeinträchtigen.
2. Kompatibilität und Stabilität in Dispersionen: Der FR-Zusatzstoff (oft ein festes Pulver) muss leicht dispergierbar und stabil bleiben in der Polymeremulsion (Dispersion), ohne dies zu verursachen:
   • Gerinnung oder Flockung der Polymerteilchen.
   • Abrechnung oder schlechte Lagerstabilität.
   • Schäumend während der Verarbeitung oder Anwendung.
3. Erforderliche hohe Belastung: Um einen ausreichenden Brandschutz zu gewährleisten, müssen FR-Zusatzstoffe häufig in einer bestimmten Menge zugesetzt werden. hohe Konzentration (hohe Belastung), was die Kosten in die Höhe treibt und die oben genannten Beeinträchtigungen noch verschärft.
4. Umwelt- und Gesundheitsprobleme: In der Branche gibt es eine starke Tendenz zu halogenfrei, toxikologisch unbedenklich und raucharm FR-Systeme. Der Ersatz wirksamer, aber problematischer halogenierter Flammschutzmittel durch umweltverträgliche Alternativen, die eine vergleichbare Leistung bieten, ist eine große Herausforderung.
5. Erreichen der Multifunktionalität: Moderne Beschichtungen erfordern oft Multifunktionalität (z. B. Flammhemmung, Korrosionsbeständigkeit, Selbstheilung, Hydrophobie). Die Einarbeitung mehrerer funktioneller Zusatzstoffe kann zu folgenden Ergebnissen führen Konflikte wo eine Eigenschaft beeinträchtigt wird, um eine andere zu erreichen.

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Unterschiede in den flammhemmenden Eigenschaften der Polymere

Die inhärente Entflammbarkeit des Basispolymers selbst wirkt sich auf die Art und Menge des benötigten FR-Additivs aus.

• VAE (Vinylacetat-Ethylen):
  • Inhärentes Eigentum: VAE hat im Allgemeinen eine niedrigerer Entflammbarkeitsindex als Styrol-Acryl und Styrol-Butadien. Dies macht es vergleichsweise einfacher und wirtschaftlicher mit FR-Zusätzen zu formulieren, um die Brandnormen zu erfüllen.
  • Der Grund: Das Vorhandensein der Vinylacetat Komponente, die in der Regel weniger stark brennt als aromatische Strukturen, trägt zu seiner geringeren Entflammbarkeit bei.
• Styrol-Butadien (SBR) und Styrol-Acrylate (SAE):
  • Inhärentes Eigentum: Diese Polymere, insbesondere SBR und SAE, enthalten die Styrol Bestandteil, ein aromatischer Kohlenwasserstoff, der leicht brennbar ist und erhebliche Rauch und Ruß wenn sie verbrannt werden. Es wird angenommen, dass sie eine sehr hohe Entflammbarkeit und einem niedrigen Grenzsauerstoffindex (LOI).
  • FR-Anforderung: Diese hohe Entflammbarkeit bedeutet, dass sie stärker und/oder höher belastet von FR-Zusatzstoffen. Intumeszierende Systeme wie APP/EG sind für SAE besonders wichtig, um hohe Brandklassifizierungen (z. B. UL-94 V-0) zu erreichen, da sie effektiv eine Verkohlung erzeugen, um das hochentzündliche Basismaterial zu isolieren.
• PVAC (Polyvinylacetat) und Reinacrylate:
  • Inhärentes Eigentum: Beide sind brennbar, aber Reinacrylat und PVAC neigen dazu, irgendwo eine inhärente Entflammbarkeit zu haben. zwischen VAE und Polymere auf Styrolbasis. Reines Acrylglas ist vollständig acrylisch und stark kohlenstoffhaltig und weist zwar eine bessere UV-Beständigkeit auf als styrolhaltige Polymere, erfordert aber dennoch eine FR-Behandlung für feuerbeständige Anwendungen. PVAC ist chemisch ähnlich wie der Vinylacetatanteil von VAE, jedoch ohne die Ethylenkomponente.
  • FR-Anforderung: Sie sprechen leicht auf die üblichen FR-Zusatzstoffe (ATH, MH, APP) an, und die spezifische Formulierung hängt stark von den Brandschutzanforderungen der Endanwendung ab.

Entflammbarkeitsindex

Die Brennbarkeitsindex ist eine numerisches Maß das die potenzielle Brandgefahr eines Materials angibt. Sie gibt an, wie leicht sich ein Material entzünden kann und wie gut es in der Lage ist, die Verbrennung aufrechtzuerhalten.

Ein höherer Wert des Entflammbarkeitsindexes entspricht in der Regel einem Material, das leichter entflammbar ist und ein größeres Brandrisiko darstellt.

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Wesentliche Merkmale

Der Entflammbarkeitsindex ist das Ergebnis standardisierter Brandversuche und kombiniert mehrere Faktoren, die das Brennverhalten eines Materials betreffen:

• Zündung: Wie schnell sich das Material entzündet, wenn es einer Flamme oder Hitze ausgesetzt wird.
• Flammenausbreitung: Wie schnell sich die Flamme auf der Oberfläche des Materials ausbreitet.
• Wärmefaktor/Freigabe: Die bei der Verbrennung erzeugte Wärmemenge.
• Verbrennungszeit: Die Dauer, für die das Material nach dem Entfernen der Zündquelle weiterbrennt.

Es ist wichtig zu wissen, dass sich der Begriff "Entflammbarkeitsindex" je nach Land oder Anwendung (z. B. Bauvorschriften, Transportwesen usw.) auf verschiedene spezifische Normen und Skalen beziehen kann.

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Wie der Entflammbarkeitsindex bestimmt wird

Der Entflammbarkeitsindex für ein Material wird bestimmt durch standardisierte Brandversuche Protokolle. Eine gängige Methode, wie sie beispielsweise in der australischen Norm AS 1530.2verwendet eine Vertikaler Verbrennungstest und ist in der Regel für dünne, biegsame Materialien wie Textilien oder Sarking (dünne Platten, die im Bauwesen verwendet werden) ausgelegt.

Die Prüfmethode AS 1530.2

1. Vorbereitung: Eine Probe des Materials wird vertikal auf einem Rahmen befestigt.
2. Zündung: Eine Flamme, oft aus reinem Alkohol, wird für eine bestimmte Zeit auf die Basis des Materials gerichtet.
3. Messung: Es werden mehrere Kriterien beobachtet und gemessen:
   • Höhe der Flamme: Die maximale Höhe, die die Flamme erreicht.
   • Zeit der Flamme: Die Dauer der Flamme auf dem Material.
   • Wärmefaktor: Ein Maß, das sich auf die erzeugte Wärme bezieht.
4. Kalkulation: Die Indexnummer ist eine berechnetes Ergebnis die Kombination dieser Kriterien, die oft zu einer Punktzahl führt, die zwischen 0 bis 100Allerdings kann es sein, dass bestimmte Vorschriften eine viel niedrigere Punktzahl verlangen, damit ein Material als konform gilt (z. B. eine Punktzahl von 5 oder 6).

Dieser Index wird verwendet, um die potenzielle Brandgefahr eines Materials während der frühe Entstehung eines Brandesund bietet damit eine quantitative Vergleichsmöglichkeit für die Entflammbarkeit verschiedener Materialien.

Typische VAE-Anwendungen

Vinylacetat-Ethylen (VAE)-Copolymerdispersionen eignen sich hervorragend als Bindemittel für eine Vielzahl von Beschichtungen und Anwendungen, insbesondere wenn Flexibilität, starke Haftung auf polaren Substraten und Umweltfreundlichkeit (niedriger VOC-Gehalt) sind wichtige Voraussetzungen.

Ihre Vielseitigkeit ergibt sich aus der Beimischung von Ethylen, das die Glasübergangstemperatur des Polymers senkt (Tg), was zu einer weichen, flexiblen Folie führt, ohne dass externe Weichmacher erforderlich sind.

Hier eine Übersicht über die Beschichtungen und Anwendungen, bei denen VAE am nützlichsten ist:

1. Architektonische Beschichtungen (Anstriche)

VAE ist aufgrund seiner ausgezeichneten Kombination aus Leistung und Umweltprofil eine führende Wahl für Farben auf Wasserbasis, insbesondere für Innenanwendungen.

Anwendung/Produkt	Wichtigster VAE-Vorteil
Innenwandfarben (flach und seidenmatt)	Geruchsarm & VOC-arm: VAE ist eine wichtige Komponente in umweltfreundlichen und emissionsfreien Farben.
Leistungsstarke Innenfarben	Ausgezeichnete Scheuerbeständigkeit: Bietet einen haltbaren Film, der Reinigung und Waschen standhält.
Filmbildung bei niedrigen Temperaturen	VAE kann bei Temperaturen nahe 0∘C einen kontinuierlichen, dauerhaften Film bilden, ohne dass zusätzliche Koaleszenzlösungsmittel erforderlich sind.
Gutes Deckvermögen (Opazität)	Trägt dazu bei, dass die Farbe die darunter liegende Oberfläche wirksam abdecken kann, was häufig eine Verringerung des Titandioxidgehalts ermöglicht.
Texturierte Beschichtungen	Bietet Haltbarkeit und Flexibilität für dickere, strukturierte Oberflächen.
Wandbeschichtungen für den Außenbereich	Angebote gut Wasserbeständigkeit und Adhäsion, obwohl einige hochwertige Außenanwendungen andere Polymere für eine bessere UV-Beständigkeit bevorzugen können.

2. Konstruktion und Baumaterialien

VAE wird in seiner flüssigen Emulsionsform und auch als Redispergierbares Polymer-Pulver (RDP)der mit Trockenmörtel gemischt wird.

Anwendung/Produkt	Wichtigster VAE-Vorteil
Zementgebundene Membranen	Flexibilität und Rissbeständigkeit: Verbessert die Elastizität von Produkten auf Zementbasis, so dass sie Bewegungen besser aufnehmen und Risse verhindern können.
Fliesenkleber und Fugenmörtel	Hervorragende Haftung: Verbessert die Haftung auf verschiedenen Substraten und verbessert die Festigkeit und Verarbeitbarkeit.
Reparaturmörtel und Spachtelmassen	Biegefestigkeit und Verarbeitbarkeit: Verbessert die mechanische Festigkeit und erleichtert das Auftragen des Materials.
Betonversiegler und Dichtstoffe	Bietet robuste, flexible und wasserbeständige Folien.

3. Klebstoffe

Die natürliche Polarität von VAE macht es zu einem außergewöhnlichen Bindemittel für Materialien wie Holz und Papier.

Anwendung/Produkt	Wichtigster VAE-Vorteil
Klebstoffe für die Holzbearbeitung	Starke Adhäsion auf polaren Substraten: Hervorragende Haftung auf Holz, Papier und Textilien.
Verpackungs- und Papierklebstoffe	Schnelle Einstellgeschwindigkeit und gute Nassklebrigkeit.
Bodenbelagsklebstoffe	Bietet Flexibilität und Feuchtigkeitsbeständigkeit.

4. Textilien und Vliesstoffe

VAE-Dispersionen werden als Bindemittel und Ausrüstungen für Gewebe verwendet.

Anwendung/Produkt	Wichtigster VAE-Vorteil
Vliesstoffverarbeitung (Medizin, Hygiene)	Funktioniert als Bindemittel zur Konsolidierung loser Fasern und verbessert mechanische Festigkeit und Flexibilität.
Textildruck	Wirkt als Pigmentbindemittel für Farbechtheit und Waschbeständigkeit.
Teppichrücken	Wird verwendet, um die Teppichfasern zu binden und für Haltbarkeit zu sorgen.

Die wichtigsten Leistungsvorteile von VAE-Dispersionen

Zu den Eigenschaften der VAE, die sie in diesen Bereichen so nützlich machen, gehören:

• Flexibilität und Zähigkeit: Aufgrund der internen weichmachenden Wirkung des Ethylenmonomers sind die Folien sehr flexibel und zäh, ohne dass externe Weichmacher migrieren.
• Adhäsion: Hervorragende Haftung auf einer Vielzahl von Substraten, insbesondere auf polaren Materialien wie Holz, Papier und Beton.
• Umweltprofil: Es ist wasserbasiert, geruchsarm und hilft Formulierern, die Standards für flüchtige organische Verbindungen (VOC) zu erfüllen, so dass häufig keine Koaleszenzmittel erforderlich sind.
• Wasserbeständigkeit: Bildet einen Film mit guter Wasser- und Alkalibeständigkeit.

ATH-Gehalt durch VAE-Dispersionen reduzieren oder ersetzen

Aluminiumtrihydrat (ATH) ist ein weit verbreitetes, nicht halogeniertes Flammschutzmittel, aber es gibt mehrere Alternativen, insbesondere wenn höhere Verarbeitungstemperaturen erforderlich sind oder wenn andere Flammschutzmechanismen gesucht werden.

Die primären Alternativen lassen sich in andere Metallhydroxide, andere anorganische Mineralien und nicht halogenierte organische Verbindungen unterteilen.

I. Metallhydroxide (Gleicher Mechanismus, andere Temperatur)

Diese Verbindungen funktionieren ähnlich wie ATH - sie zersetzen sich endotherm, absorbieren Wärme und setzen Wasserdampf frei, der das Material abkühlt und brennbare Gase verdünnt.

Alternative	Chemische Formel	Zersetzungstemperatur	Hauptvorteil gegenüber ATH	Primäre Anwendungen
Magnesiumhydroxid (MDH)	Mg(OH)2	≈300-330∘C	Höhere thermische Stabilität: Kann für Polymere verwendet werden, die höhere Verarbeitungstemperaturen erfordern, wie z. B. Polypropylen und Polyamide.	Polypropylen, Polyamide, Draht und Kabel, technische Thermoplaste.
Aluminiumoxidhydrat (Böhmit)	AlOOH	≈320∘C	Höhere thermische Stabilität: Geeignet für technische Thermoplaste und wirkt als Synergist mit Metallphosphinaten.	Technische Thermoplaste, gedruckte Leiterplatten.

Exportieren in Tabellenkalkulationen

Anmerkung zu Metallhydroxiden: Sowohl ATH als auch MDH sind zwar hochwirksam, erfordern aber oft eine hohe Beladung des Polymers, um einen ausreichenden Flammschutz zu erreichen, was sich manchmal negativ auf die mechanischen Eigenschaften des Materials auswirken kann.

II. Andere anorganische und mineralische Flammschutzmittel

Diese Optionen wirken oft als Rauchunterdrücker, Verkohlungsbildner oder Synergisten.

• Zinkborat (ZnB)
  • Mechanismus: Multifunktional, wirkt sowohl in der festen als auch in der Gasphase. Es fördert die Bildung eines stabile, glasartige Verkohlungsschicht und wirkt als Rauchunterdrücker und Nachglimmschutzmittel. Es kann auch sein eigenes Hydratationswasser über 290∘C freisetzen.
  • Verwendung: Wird häufig in Kombination mit anderen Flammschutzmitteln (einschließlich ATH und MDH) verwendet, um eine synergistische Wirkung zu erzielen, oder als Ersatz für Antimontrioxid (ein halogenierter Synergist).
• Expandierbarer Graphit (EG)
  • Mechanismus: Es ist ein intumeszierend Material. Wenn es Hitze ausgesetzt wird, dehnt es sich stark aus und bildet eine isolierende Schicht aus Holzkohle, die das darunter liegende Polymer vor Hitze und Sauerstoff abschirmt.
  • Verwendung: Wirksam bei der Verringerung der Brandgefahr, wird oft synergetisch mit anderen nicht halogenierten Flammschutzmitteln wie ATH oder rotem Phosphor verwendet.

III. Nicht-halogenierte organische und chemische Flammschutzmittel

Diese Systeme wirken oft durch die Bildung einer isolierenden Kohleschicht (Intumeszenz) oder durch Eingriffe in die Verbrennungschemie.

• Phosphorhaltige Verbindungen
  • Beispiele: Roter Phosphor (RP), Ammoniumpolyphosphat (APP) und verschiedene Organophosphate.
  • Mechanismus: Sie sind vor allem in der festen Phase aktiv, indem sie die Bildung eines Kohleschicht auf der Polymeroberfläche, die als Barriere gegen Hitze und Sauerstoff wirkt. Einige Formen können auch flüchtige Phosphorverbindungen freisetzen, um freie Radikale in der Flamme (Gasphase) abzufangen.
• Stickstoffhaltige Verbindungen
  • Beispiele: Melamin, Melamincyanurat (MCA), Dicyandiamid (DICY).
  • Mechanismus: Sie setzen beim Erhitzen häufig inerte Stickstoffgase frei, die die Sauerstoffkonzentration in der Flamme verdünnen. Sie können auch in Verbindung mit Phosphorverbindungen in intumeszierende Systeme zur Bildung eines Saiblings beitragen.
• Intumeszierende Systeme
  • Mechanismus: Es handelt sich um komplexe Formulierungen, die in der Regel eine Säurequelle (z. B. APP), eine Kohlenstoffquelle und ein Treibmittel enthalten. Beim Erhitzen quellen sie auf und bilden eine dicke, schützende Schaumkohleschicht.

Welche Alternative die beste ist, hängt ganz von der jeweiligen Anwendung, dem verwendeten Polymer, der erforderlichen Verarbeitungstemperatur, dem gewünschten Brandverhalten und den Kosten ab.