In modernen Industriebereichen glasfaserverstärktes Polypropylen (PP/GF) , mit seiner geringen Dichte, seiner ausgezeichneten Wärme- und Kriechbeständigkeit und seinem hohen Preis-Leistungs-Verhältnis, ist zu einem „aufgehenden Stern“ in Branchen geworden wie Elektronik, Luft- und Raumfahrt und Automobilherstellung Dieses Material wird häufig zur Herstellung von leichte und dünnwandige Bauteile als ein Ersatz für Stahl und herkömmliche technische Kunststoffe .

Polypropylen selbst ist jedoch ein brennbares Material mit einem Sauerstoffgrenzwert (LOI) von nur etwa 17,0 %. Bei der Verbrennung tropft es stark und setzt erhebliche Hitze frei. Die Zugabe von Glasfasern (GF) lindert zwar das Tropfen, der sogenannte Dochteffekt von GF verlängert jedoch die Brenndauer und erhöht die Wärmeabgabe. Daher ist eine flammhemmende Behandlung von PP/GF bei sicherheitskritischen Anwendungen unverzichtbar.

Es ist erwähnenswert, dass das einst weit verbreitete Brom-Antimon-Flammschutzsystem aufgrund des bei der Verbrennung freigesetzten giftigen Rauchs durch nationale und internationale Vorschriften eingeschränkt wurde. Beispielsweise wurden Decabromdiphenylether und andere bromierte Flammschutzmittel bereits verboten.

Als Alternative gewinnen halogenfreie Phosphor-Stickstoff-intumeszierende Flammschutzsysteme im Polyolefinbereich aufgrund ihrer Umweltfreundlichkeit und Kostenvorteile zunehmend an Bedeutung. Piperazinpyrophosphat (PAPP) beispielsweise enthält Phosphor- und Stickstoffelemente sowie zahlreiche Hydroxylgruppen und kann daher in einem intumeszierenden Flammschutzsystem gleichzeitig als Säure- und Kohlenstoffquelle fungieren. In dieser Studie wurde PAPP mit Melaminpolyphosphat (MPP) zu einem PAPP-basierten intumeszierenden Flammschutzmittel vermischt. Unter konstanter Flammschutzmittelbeladung Der Einfluss des Glasfasergehalts auf die Leistung von PP/GF-Verbundwerkstoffen wurde systematisch untersucht.

Wie beeinflusst der GF-Gehalt die Materialleistung?

1. Deutliche Verbesserung der Flammhemmung (GF < 30%)
Mit steigendem Glasfaseranteil (GF) verbessert sich die Flammschutzleistung von PP/GF-Verbundwerkstoffen. Einerseits bedeutet ein höherer GF-Gehalt einen geringeren Anteil an PP-Matrix, was die Bildung brennbarer Fragmente bei der thermischen Zersetzung reduziert. Gleichzeitig senkt GF die Schmelzflussrate, wodurch Tropfprobleme bei dünnen Proben wirksam gemildert werden und das Material vertikale Brenntests leichter besteht. Andererseits kann die durch den Mechanismus der „Festphasenverkohlung“ des Flammschutzmittels gebildete Kohlenstoffschicht die Probenoberfläche dicht bedecken, ohne durch heiße GF-Rückstände zerstört zu werden. Dadurch werden Wärme und Sauerstoff isoliert und die Freisetzung brennbarer flüchtiger Stoffe reduziert.

2. Änderungen der thermischen Stabilität
Durch die Einarbeitung von GF in Polymerwerkstoffe lassen sich mehrere physikalische Eigenschaften effektiv optimieren. GF verbessert die Dimensionsstabilität des Verbundwerkstoffs deutlich und verringert so die Verformungsanfälligkeit unter wechselnden Umgebungsbedingungen. GF erhöht zudem die Wärmeformbeständigkeit des Materials deutlich, was seine Hochtemperaturbeständigkeit deutlich verbessert. GF verändert die thermische Stabilität des Materials. Obwohl es die anfängliche thermische Zersetzungstemperatur flammhemmender PP/GF-Verbundwerkstoffe senkt, erhöht es deren Stabilität bei hohen Temperaturen deutlich. Experimentelle Daten zeigen, dass Probe Nr. 4 bei einem GF-Gehalt von 25 % einen Verkohlungsrückstand von 39,4 % bei 700 °C erreicht. Dies deutet darauf hin, dass bei erhöhten Temperaturen die Freisetzung brennbarer Gase stark reduziert wird, während mehr nicht brennbare feste Carbide gebildet werden. In Luftatmosphäre ist die anfängliche Zersetzungstemperatur aufgrund thermooxidativer Zersetzung niedriger als in Stickstoffatmosphäre. Bei hohen Temperaturen bleibt der Verkohlungsrückstand von Proben mit unterschiedlichem GF-Gehalt jedoch höher als bei GF-freien Proben. Dies kann auf die inhärente Hochtemperaturstabilität von GF zurückgeführt werden, da es weniger zur Zersetzung neigt.

3. Doppelte Wirkung auf die Verbrennungsleistung
Unter externer Wärmeeinstrahlung bildet das Flammschutzmittel FR-1420 durch intumeszierende Verkohlung eine isolierende Kohleschicht auf der Probenoberfläche. Versuchsergebnisse zeigen, dass sich die Kohleschicht bei Probe Nr. 1 ohne GF auf eine Dicke von etwa 2,5 cm ausdehnte, während die Kohleschichtdicke bei Probe Nr. 2 mit 15 % GF auf etwa 6,2 cm anstieg. Bei weiterer Erhöhung des GF-Gehalts verringerte sich die Kohleschichtdicke jedoch auf etwa 5,0 cm (Probe Nr. 4). Dieses Phänomen lässt sich durch die hohe thermische Stabilität von GF erklären: Es kann als „Kohleskelett“ dienen, das die Kohleausdehnung unterstützt, doch übermäßige GF-Rückstände bei hohen Temperaturen behindern weiteres Kohlewachstum.

Bemerkenswert ist, dass die Zugabe von GF die wichtigsten Verbrennungsparameter des Materials, wie beispielsweise die maximale Wärmefreisetzungsrate (PHRR), nicht beeinflusste, was darauf hindeutet, dass die Brandschutzleistung insgesamt zufriedenstellend blieb. Aufgrund der inerten Natur von GF und des reduzierten PP-Matrixanteils wurde zudem die Freisetzung brennbarer flüchtiger Stoffe während der Verbrennung verringert, während bei erhöhten Temperaturen mehr nicht brennbare feste Rückstände zurückblieben. Wie die Masse-Zeit-Kurve zeigt, wiesen Proben mit GF bei hohen Temperaturen eine höhere Restmasse bei geringerer Wärmefreisetzung und Rauchentwicklung auf. Brandschutzindizes wie der Fire Growth Rate Index (FIGRA) und die Maximum Average Heat Release Rate (MAHRE) zeigten keine signifikanten Veränderungen.

Schlussfolgerungen

Das halogenfreie Flammschutzmittel FR-1420 zeigt eine bemerkenswerte flammhemmende Wirkung in PP/GF-Verbundwerkstoffen. Bei gleicher Flammschutzmittelbeladung führt ein höherer GF-Gehalt zu einer besseren Flammhemmung.

Während GF die anfängliche thermische Zersetzungstemperatur senkt, verbessert es die thermische Stabilität bei hohen Temperaturen.

Bei Kegelkalorimetrietests fungiert GF als „Kohleskelett“, das die Ausdehnungsdicke der Kohle erhöht und gleichzeitig die Gesamtwärmefreisetzung (THR) und die Gesamtrauchentwicklung (TSP) reduziert, wodurch die Brandschutzleistung von PP/GF-Verbundwerkstoffen deutlich verbessert wird.