Polymere gehören neben Metallen und Keramiken zu den drei wichtigsten Werkstoffgruppen der modernen Industrie. Sie finden breite Anwendung in Alltagsgegenständen, Elektronik, elektrischen Bauteilen, Kabelherstellung, Automobilteilen, Baumaterialien und vielen weiteren Bereichen. Da die meisten Polymere jedoch auf Kohlenstoffketten basieren, zersetzen sie sich beim Erhitzen leicht und setzen brennbare Gase frei. Dadurch entzünden sie sich in der Nähe offener Flammen leicht und stellen eine erhebliche Gefahr für Mensch und Eigentum dar. Daher ist die Verwendung von … Aluminiumhydroxid Eines der am weitesten verbreiteten halogenfreien Flammschutzmittel hat sich zu einem wichtigen Ansatz zur Verbesserung der Flammschutzleistung von Polymeren und zu einem wichtigen Forschungsthema in der Materialwissenschaft entwickelt.
Verbrennungsmechanismus von Polymeren und Flammschutzstrategien
Die Verbrennung von Polymeren ist im Wesentlichen ein thermischer Zersetzungsprozess. Sobald eine bestimmte Temperatur erreicht ist, brechen die Polymerketten und erzeugen flüchtige, brennbare Verbindungen. Diese nehmen in der Flammenzone an radikalischen Kettenreaktionen teil und verstärken so die Verbrennung. Dabei wird eine große Menge Wärme freigesetzt, die dem Material wieder zugeführt wird und so einen kontinuierlichen thermischen Abbau und einen Teufelskreis in Gang setzt.
Auf diesem Mechanismus aufbauend konzentrieren sich die aktuellen Flammschutzstrategien hauptsächlich auf zwei Ansätze:
Flammschutz in der Gasphase
Unterbrechung von Radikalkettenreaktionen in der Verbrennungszone zur Reduzierung der Verbrennungseffizienz.
Flammschutz in der kondensierten Phase
Durch Blockierung des Wärmetransfers oder Bildung einer schützenden Kohleschicht wird verhindert, dass Hitze und brennbare Zersetzungsprodukte in die Flammenzone gelangen.
Um diese Effekte zu erzielen, wurden verschiedene Flammschutzmittel entwickelt. Sie wirken, indem sie Wärme absorbieren, Edelgase freisetzen, freie Radikale abfangen oder die Karbonisierung fördern. Je nach ihrer Wirkungsweise chemisch Strukturell lassen sich Flammschutzmittel grob in organische und anorganische Typen unterteilen.
Warum viele Branchen auf anorganische Flammschutzmittel umsteigen
Obwohl einige organische Flammschutzmittel – wie beispielsweise halogenierte Systeme – hochwirksam sind, können ihre thermischen Zersetzungsprodukte toxische oder umweltschädliche Eigenschaften aufweisen. Angesichts immer strengerer Umweltauflagen wenden sich Industrien daher zunehmend sichereren, umweltfreundlicheren anorganischen Flammschutzmitteln zu.
Vorteile anorganischer Flammschutzmittel:
- Ungiftig und raucharm
- Hohe thermische Stabilität und geringe chemische Reaktivität
- Relativ niedrige Kosten und hohe zulässige Belastungsniveaus
Unter allen anorganischen Flammschutzmitteln Aluminiumhydroxid (Al(OH)₃, ATH) ist das am weitesten verbreitete und gilt in der Flammschutzmittelindustrie als „Dauerbrenner“.
Warum ist Aluminiumhydroxid so beliebt?
Als mengenmäßig größter und am weitesten verbreiteter anorganischer Flammschutzmittel ist ATH in nahezu allen Polymer-Flammschutzsystemen enthalten, darunter Draht- und Kabelmischungen, Gummiprodukte, Duroplaste, Thermoplaste und Baumaterialien. Zu seinen Vorteilen zählen vor allem:
1. Starke endotherme Zersetzung (physikalische Wärmeaufnahme und Abkühlung)
ATH unterliegt bei etwa 200–300 °C einer endothermen Zersetzung:
Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3H₂O ↑
Bei dieser Reaktion wird viel Wärme aufgenommen und Wasserdampf freigesetzt, der brennbare Gase verdünnt und die Verbrennung verlangsamt.
2.Bildung einer schützenden Aluminiumoxidschicht (Schutz in der kondensierten Phase)
Das entstehende Al₂O₃ bildet eine dichte, stabile, keramikartige Schicht auf der Materialoberfläche, die den Sauerstoff abschirmt und eine weitere thermische Zersetzung des Polymers verhindert.
3. Sicher, umweltfreundlich und kostengünstig
ATH ist chemisch stabil und erzeugt keine giftigen Gase. Es entspricht globalen Umweltauflagen. Dank seiner reichlich vorhandenen Ressourcen und des geringen Preises eignet es sich ideal als Flammschutzmittel und funktioneller Füllstoff, da es die mechanischen und isolierenden Eigenschaften verbessert und gleichzeitig die Rauchentwicklung reduziert.
4. Extrem breites Anwendungsgebiet
Aufgrund seiner moderaten Zersetzungstemperatur eignet sich ATH besonders für Polymere, die bei niedrigen Verarbeitungstemperaturen verarbeitet werden, wie Polyolefine, PVC und Gummi.
Typische Anwendungsgebiete sind:
- Drähte und Kabel: raucharme, halogenfreie Kabelmischungen mit ATH-Beladung 50%–65%
- Baustoffe: Wärmedämmplatten, flammhemmende Aluminium-Verbundplatten, U-Bahn-/Tunnel-Verbundwerkstoffe
- Automobil & Transport: Materialien für Elektrofahrzeug-Akkus, Innenausstattung, Komponenten für Schienenverkehr
- Elektronik & Haushaltsgeräte: Leiterplattenlaminate, Gerätegehäuse, Stecker und Buchsen
- Gummiförderbänder: Flammhemmende, antistatische Gürtel für den Bergbau
Aluminiumhydroxid hat auch Nachteile.
Zu den Hauptnachteilen gehören:
- Hohe Belastungsgrade (typischerweise 40%–65% für UL94 V-0) können die mechanische Festigkeit und den Schmelzfluss beeinträchtigen.
- Hohe Hydrophilie und schlechte Kompatibilität mit hydrophoben Polymeren, daher ist eine Oberflächenbehandlung (Silan, Titanat, Stearinsäure usw.) erforderlich.
Durch Fortschritte bei der Ultrafeinvermahlung (D50 < 2 μm), der Oberflächenmodifizierung, der Nano-ATH und der synergistischen Anwendung mit Magnesiumhydroxid konnten diese Probleme jedoch weitgehend gemildert werden.
Herstellungs- und Mahltechnologie von Aluminiumhydroxid:
Die Leistungsfähigkeit von ATH in flammhemmenden Systemen hängt eng mit seiner PartikelgrößeDie Partikelgrößenverteilung, die spezifische Oberfläche und die Oberflächeneigenschaften sind wichtige Faktoren. Daher muss die Herstellung von hochwertigem ATH auf stabilen und präzisen Mahl- und Klassierprozessen beruhen.
1. Rohstoffbeschaffung und Vorbehandlung
Industriell hergestelltes ATH wird typischerweise im Bayer-Verfahren produziert. Die Rohpartikel weisen häufig Agglomeration und eine relativ große Partikelgröße auf. Um die Leistungsanforderungen in Polymersystemen zu erfüllen, ist ein weiteres Mahlen erforderlich.
2. Schleifgeräte Selektion: Der Schlüssel zur Partikelgrößenkontrolle
Unterschiedliche Anwendungen erfordern unterschiedliche Partikelgrößen:
- Kabelmischungen: D50 = 1–10 μm
- Beschichtungen / Klebstoffe: feinere Abstufungen
- Hochwertige Masterbatches: D97 < 10 μm mit enger Größenverteilung
Gängige Schleiflösungen sind:
Kugelmühle + Windsichtersystem
- Ideal für die großtechnische, stabile Produktion von D50 1–8 μm ATH
- Präzise Partikelgrößenkontrolle, Erreichen eines D97-Wertes von 10–15 μm
- Weit verbreitet in PVC-, PP- und Kabelmischungen
- Verbesserte Partikelform und Dispergierbarkeit
Strahlmühle (Luftstrahlmühle)
- Nutzt Hochgeschwindigkeits-Luftstrom für ultrafeines Schlagschleifen
- Produziert D97 3–5 μm oder feineres Supermikronpulver
- Geeignet für technische Kunststoffe, transparente Materialien, optische Formulierungen
- Keine Medienverunreinigung, wodurch höchste Reinheit gewährleistet wird.
Vertikalwalzenmühle StiftmühlePrallmühle
- Geeignet für mittlere Feinheitsgrade (D50 5–30 μm)
- Wird in Baumaterialien und Gummiprodukten verwendet
- Höhere Leistung, niedrigere Betriebskosten
3. Klassifizierungstechnologie: Gewährleistung einer engen PSD und hoher Stabilität
Hochpräzise Turbinen- oder Mehrradklassierer trennen feine und grobe Partikel und liefern ATH:
- Enge Partikelgrößenverteilung
- Niedrigere Systemviskosität in Polymerschmelzen
- Gleichmäßige Verteilung
- Stabilere und effizientere Flammschutzleistung
Insbesondere bei hochbeladenen Kabelmischungen beeinflusst die Partikelgrößenstabilität direkt die mechanischen Eigenschaften und die Extrusionsleistung.
4. OberflächenmodifizierungVerbesserung der Kompatibilität mit Polymermatrices
Unpolare Polymere wie PP und PE weisen eine schlechte Kompatibilität mit anorganischen Füllstoffen auf, weshalb eine Oberflächenbehandlung unerlässlich ist.
Gängige Haftvermittler
- Titanen
- Silane
- Aluminate
Änderungsprozess
Kontinuierlicher Modifikator + Hochschermischung
Vorteile
- Niedrigere Schmelzviskosität
- Bessere Dispersion
- Höhere zulässige Füllstoffbeladung
- Verbesserte mechanische Eigenschaften
In Draht- und Kabelmischungen muss hochwertiges ATH einer Oberflächenbehandlung unterzogen werden. Beschichtung um eine ausgezeichnete Verarbeitungsstabilität und elektrische Isolationsleistung zu erzielen.
Abschluss
Die Verbesserung der Flammschutzwirkung von Polymeren ist eine langfristige und entscheidende Aufgabe. Unter den zahlreichen Flammschutzmitteln zeichnet sich Aluminiumhydroxid durch seine Wärmeabsorption, Wasserabgabe, Schutzschichtbildung, Sicherheit und Umweltfreundlichkeit aus. Es verbessert die Flammschutzwirkung und erfüllt gleichzeitig immer strengere Vorschriften, wodurch es in Kabeln, im Bauwesen, in der Automobilindustrie und in der Elektronik breite Anwendung findet.
Mit der Weiterentwicklung der Flammschutztechnologie wird ATH weiterhin eine Schlüsselrolle spielen – insbesondere bei hocheffizienten Formulierungen, synergistischen Systemen und Präzisionsanwendungen.
EPIC-Pulver bietet Komplettlösungen für die Verarbeitung von ATH-Produkten, einschließlich:
- Kugelmühle + mehrstufig Windsichter Systeme
- Produktionslinien für ultrafeines Pulver mittels Strahlmühlen
- Kontinuierliche Pulveroberflächenmodifizierungssysteme
Durch präzise Partikelgrößenkontrolle, kontaminationsarmes Mahlen und effiziente Modifizierung ermöglicht EPIC Powder eine stabile, leistungsstarke ATH für Kabelmischungen, Gummi, Baumaterialien und technische Kunststoffe.
Vielen Dank fürs Lesen. Ich hoffe, mein Artikel war hilfreich. Hinterlassen Sie gerne einen Kommentar. Bei weiteren Fragen können Sie sich auch an den Online-Kundendienst von Zelda wenden.
— Gepostet von Emily Chen