Flammgeschützte Kunststoffe

Flammen hemmen – Leistung steigern

Halogenfreie Kunststoffe für mehr brandgeschützte Einsatzmöglichkeiten. Individuell zugeschnitten, frei einfärbbar und mit hohen mechanischen Kennwerten – Nilit stellt halogenfrei-flammgeschützte Kunststoffe zur Verfügung, die in stationären und mobilen elektrischen und elektronischen Anwendungen (E&E) sehr viel mehr Funktionen erfüllen können, als bisher angenommen.

Nichts fürchten Konstrukteure elektrischer und elektronischer Komponenten mehr als Brände – massive Schäden können auch von Kleinstbauteilen verursacht werden. Sicherer Brandschutz der eingesetzten Kunststoffe wird in stationären und mobilen Anwendungen mit weiter zunehmender Leistungsdichte noch wichtiger. (Bild: Shutterstock)

Kleiner, komplexer und leichter sind Trends der E&E-Entwicklungen im Automobilbau, aber auch in anderen industriellen Anwendungen. Die Werkstoffe definieren die design- und fertigungstechnischen Möglichkeiten und damit das Maß der möglichen Funktionsintegration. So ist die Werkstoffwahl in weiten Teilen bestimmend für die weitere Miniaturisierung – und für die Produktionskosten.

Neben Festigkeit, Oberflächenbeschaffenheit oder Gewicht der Bauteile und Komponenten spielt in nahezu allen Anwendungen rund um elektrische oder elektronische Komponenten die Brandvermeidung eine wichtige Rolle. Während beispielsweise der Bruch einer Gehäusebefestigung aufgrund mangelhafter Festigkeit typischerweise maximal zum Versagen der Baugruppe führt, kann ungenügende Flammfestigkeit zu enormen Schäden an ganzen Maschinen und großflächigen Anlagen sowie zu akuter Gefährdung von Menschenleben führen. Im Zuge der Miniaturisierung und Leistungserhöhung bei gleichzeitigen Materialeinsparungen zur Gewichts- und Kostensenkung sowie steigender Komplexität sind Temperaturerhöhungen in elektrischen Baugruppen typisch. Dementsprechend steigen die Anforderungen an den Flammschutz der eingesetzten Kunststoffe weiter. Gleichzeitig fordern die Anwender aus Umweltschutzgründen zunehmend den Verzicht auf klassische, zumeist brom- oder chlorhaltige Verbindungen („halogenierte Flammschutzmittel“) in den Materialien. Steigende gesetzliche Anforderungen, beispielsweise aus der WEEE-Richtlinie 2012/19/EU (Waste of Electrical and Electronic Equipment; deutsch: Elektro- und Elektronikgeräte-Abfall) sind außerdem zu berücksichtigen.

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Mengenmäßige Anteile von Flammschutzausrüstungen bei aktuell eingesetzten Kunststoffen. (Quelle: SRI/IHS Consulting; Clariant)

Häufig fällt dann die Wahl auf Phosphor- und Stickstoffverbindungen als Brandschutzadditive. Sie sind jedoch ebenfalls problematisch: Roter Phosphors wirkt beim Einfärben von Kunststoffen störend. Es lassen sich nur dunkle oder Rottöne realisieren. Zudem wirken seine Nebenprodukte während der Verarbeitung und im Einsatz in feucht-heißer Umgebung stark korrodierend. Die noch häufig verwendeten anorganischen Flammschutzmittel, meist basierend auf Aluminium- oder Magnesiumhydroxid-Verbindungen, müssen vergleichsweise hoch dosiert werden und schränken deshalb die Verarbeitbarkeit der Kunststoffe vor allem im Spritzguss sowie die mechanische Leistungsfähigkeit der produzierten Bauteile deutlich ein. Melamincyanurate hingegen als prominente Vertreter der Stickstoff-basierten Flammschutzadditive lassen sich ausschließlich in ungefüllten Polyamid-Compounds einsetzen.

Nicht nur bei der Substitution von Metallen durch Kunststoffe sind jedoch hohe mechanische Kennwerte, Dauerfestigkeit, Form- und Alterungsbeständigkeit unter erhöhter Temperatur gefordert. Geringerer Bauraum bedeutet zumeist auch die Verringerung des Abstands zwischen elektrisch leitenden Komponenten und Gehäusebestandteilen. Die Isolationsleistung von Kunststoffen muss steigenden Ansprüchen genügen, häufig sind auch bei geringen Wanddicken hohe Durchschlagsfestigkeiten nachzuweisen. Der Miniaturisierung und steigenden Funktionsintegration sowie der Gewichts- und Kostensenkung geschuldet, sind trotz der hohen Anforderungen filigrane Konturen und die reduzierten Wanddicken fertigungstechnisch sicher zu beherrschen. Entsprechend einstellbare Fließindexe sind zu gewährleisten.

Funktionsprinzipien der flammhemmenden Compounds von Nilit Plastics: Radikaleinfang, Freisetzen nichtbrennbarer Gase, Kühlen oder Oberflächenversiegelung durch Verkohlung sind die gängigsten Mechanismen der Flammschutzadditive. Sie bewirken, dass die – meist gut brennbaren – Kunststoffcompounds erschwert oder gar nicht Feuer fangen. (Bild: Clariant)

Es geht auch ohne
Neben der Produktion „klassisch“ flammgeschützter Compounds auf Basis von Halogenen, rotem Phosphor und Melaminen oder Kombinationen daraus, hat Nilit Plastics schon sehr früh begonnen, neue Typen von mechanisch und elektrisch leistungsfähigen Compounds zu entwickeln. Sie sind komplett frei von halogenhaltigen Flammschutzsystemen und rotem Phosphor. Unter der Marke Frianyl steht heute ein breites Spektrum an verstärkten und unverstärkten Polyamidtypen (PA6 und PA6.6 und seit neuestem auch Polyphthalamiden) zur Verfügung, für die nach Unternehmensangaben umfassende Anwendungserfahrungen sowie diverse Zertifizierungen vorliegen. Bei allen Compoundentwicklungen werde darauf geachtet, dass die grundlegenden Eigenschaften, wie Verarbeitungsparameter und mechanische Kennwerte möglichst denen der Compounds ohne Flammschutz entsprechen.

Ganz oben auf der Anforderungsliste steht der definierte Brandschutz. Neben den Standard-Zertifizierungen nach UL-, IEC und VDE-Prüfnormen besteht international ein kaum überschaubares Geflecht aus nationalen und branchenspezifischen Vorgaben, beispielsweise in der Elektroindustrie, im Flugzeugbau oder Bahnverkehr. Zusätzlich haben einzelne Unternehmen weitere spezielle Anforderungen definiert. Mit dem breiten Spektrum an UL-gelisteten PA-Typen liefert Nilit Plastics Lösungen mit bis zu 45 Prozent Glasfasergehalt und nahezu beliebigen Einfärbungen aus einer Hand. Sollten einzelne Bauteile Anforderungen wie einer besonders hohen Glühdrahtfestigkeit unterliegen, die mit halogenfreien Werkstoffen derzeit nicht zu erreichen sind, kann auf passende Alternativen aus dem „klassischen“ Nilit-Produktprogramm zurückgegriffen werden. Es sind jedoch hier Entwicklungsprojekte initiiert, auch diese Lücken mit halogenfrei flammgeschützten Lösungen vollständig zu schließen.

PA6.6 Compounds mit verschiedenen Flammschutzmitteln, jeweils 25 Prozent glasfasergefüllt. (Quelle: Nilit Plastics, Kunststoff Magazin)

Halogenfreie, flammgeschützte Kunststoffe weisen je nach Rezeptierung nahezu keine Migration von Flammschutzmitteln an die Oberfläche auf. Da sie keine Additive enthalten, die schon bei niedrigen Temperaturen reagieren, sind sie in ihren Verarbeitungseigenschaften den nicht geschützten Werkstoffen recht ähnlich. Trotzdem sind bei der Bauteilekonstruktion einige Besonderheiten zu beachten, um die maximale Leistung der Kunststoffe nutzen zu können – und dabei die geforderte Brandschutzklasse sicher zu erreichen. Hier stellt Nilit Plastics weitreichende Unterstützung bei Konstruktion und Simulation sowie produktionstechnische Beratung zur Verfügung.

Sicherheit im Schaltschrank
Auf diese Beratungsleistungen hat sich auch Rittal, ein weltweit führender Systemanbieter für Schaltschranktechnik, gestützt. Vor mehr als zehn Jahren hat das Unternehmen begonnen, halogenhaltige Werkstoffe durch neue Materialien mit modernen Flammschutzhemmern abzulösen. LKH Kunststofftechnik, die einen großen Teil der von Rittal verwendeten Bauteile im Spritzgießverfahren produziert, war gefordert, für bestehende und neue Komponenten Alternativen mit halogenfreien Materialien zu entwickeln und umzusetzen. Mechanische Kennwerte und Durchschlagsfestigkeit mussten mindestens die Werte der bis dato eingesetzten, mit den alten Brandschutzadditiven ausgerüsteten Hochtemperaturmaterialien erreichen. Andererseits ist die Verarbeitung auf einem wirtschaftlichen Niveau Bedingung. Zudem werden von den einzelnen Materialien extrem unterschiedliche Mengen benötigt: In bestimmten Farben produzierte Kleinst-Bedienelemente verursachen monatliche Materialbedarfe lediglich im Kilobereich, während standardisierte, voluminöse Konstruktionselemente im Tonnenbereich angesiedelt sind. In allen Fällen muss die Versorgung sicher gewährleistet sein – und das angesichts der notwendigen Zertifizierungen über viele Jahre.

Sehr hohe mechanische Dauerfestigkeiten unter schwankenden Temperaturen und extreme Durchschlagfestigkeiten erreichen die halogenfrei flammgeschützten Kunststoffkomponenten in Schaltschränken. Mit Compounds der Frianyl-Produktreihe wurden diese Anforderungen sicher erfüllt. (Bild: Rittal

In Zusammenarbeit mit Werkstofflieferant Nilit Plastics entwickelte LKH für bereits vorhandene Zulieferteile und neue Artikel Lösungen auf Basis verschiedener Polyamid-Compounds der Frianyl-Produktreihe. Umfangreiche Simulationen und Versuche sowie konstruktive Anpassungen von Artikeln und Spritzgießformen und der Einsatz unterschiedlicher Werkstoffe sind die Stellschrauben der Techniker. Auf Basis eigener Erfahrungen aus einer Vielzahl von Projekten und dem Werkstoff-Know-how von Nilit Plastics hinsichtlich flammgeschützter Polyamide entstanden in enger Kooperation mit Rittal neue und verbesserte Lösungen, die jeweils nach den gängigen Sicherheitsstandards gemäß UL-Listungen, VDE und IEC60335 sowie der Norm 61439 zertifiziert wurden.

„Im Spannungsfeld zwischen teils extremen elektrischen Anforderungen, hohen mechanischen Leistungen, mitunter sehr geringen Toleranzen auch bei komplexen Geometrien ist einige Flexibilität gefragt“, erklärt Rüdiger Braun, Leiter Engineering und Vertrieb bei LKH. Bauteil- und Formenkonstruktion bei LKH profitieren häufig von den gemeinsam mit Nilit Plastics durchgeführten Moldflow-Analysen und – im Bedarfsfall – von angepassten Werkstoffrezepturen. Kunde Rittal sieht vor allem seine zwingend erforderlichen Zertifizierungen für alle Kunststoffbauteile und deren Liefersicherheit im Mittelpunkt.

Wie eine ganze Reihe von Beispielen aus dem Haus Rittal zeigt, erfüllen halogenfrei flammgeschützte Kunststoffe die Anforderungen hinsichtlich Sicherheit, Festigkeit und Design oft besser als früher eingesetzte Hochtemperatur- oder flammgeschützte Werkstoffe. Der Ersatz durch einfacher zu verarbeitende und kostengünstigere Standardpolyamide mit verschiedenen Glasfasergehalten bietet gleich mehrere Kostensenkungspotenziale.

Steckverbinder auf Leiterplatten müssen in verschiedenen Lötverfahren, beispielsweise dem SMD-Verfahren, Temperaturen von 260 °C und höher ohne Verzug, Blasenbildung und thermischen Abbau standhalten. Die neue Produktreihe Frianyl XT – halogenfrei-flammgeschützte PPACompounds – sollen diese Anforderungen bei hoher Designfreiheit und frei wählbarer Einfärbbarkeit erfüllen. (Bild: Nilit Plastics)

Weitere Leistungssteigerungen sind möglich
Noch höhere Anforderungen hinsichtlich mechanischer Leistungsfähigkeit, Temperaturbeständigkeit und Unempfindlichkeit gegen chemische Einflüsse, bei denen PA6.6-Compounds an ihre Grenzen stoßen, können die ebenfalls halogenfreie flammgeschützten PPA-Compounds der Frianyl XT-Reihe Lösungen bieten.

Anwendungsfelder sind hier in der Elektronikindustrie zu finden, wo hohe Dimensionsstabilität, hohe Komplexität der Bauteile bei hohen Verarbeitungstemperaturen (z.B. SMD-Bauteile) und Gebrauchstemperaturen (z.B. Leistungselektronik) gefordert sind. Zum anderen wird der Markt für e-Mobility künftig Lösungen verstärkt einsetzen, die sichere Bauteile bei hohen Einsatztemperaturen und mechanischen Belastungen über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs verlangen. Nilit Plastics liefert Werkstoffalternativen für Bauteile, die häufig weitgehend unsichtbar für den Benutzer über lange Zeit Dienst tun müssen deren Versagen aber für Mensch und Anlagen dramatische Folgen haben können. Sie lassen sich trotz hohem Flammschutz häufig wirtschaftlicher, kleiner und – bei Sichtteilen relevant – zudem mit optisch anspruchsvolleren Farbgebungen produzieren.


Brandschutznormen
Neben den DIN Normen spielen international die Prüfungen entsprechend den Vorgaben der Underwriters Laboratories Inc. (UL), einer US-Organisation zur Zertifizierung elektrotechnischer Produkte, die maßgebliche Rolle. Sie hat Prüfungen von Kunststoffen anhand von Musterstücken verschiedener Dicken definiert. V-0 entspricht der höchsten Brandschutzklasse, V-1 und V-2 stellen geringere Anforderungen.
IEC 60335 definiert als europäische Norm die Anforderungen an Niederspannungs-Schaltanlagen. Die entsprechenden Dokumentationen müssen detaillierte Angaben beispielsweise zu Durchschlagsfestigkeit und mechanischen Funktionen der Geräte nachweisen. Anforderungen diverser VDE-Normen an die Sicherheit elektrischer Anlagen finden sich teilweise ebenfalls in verschiedenen deutschen und europäischen Normen.
Ein Beispiel für branchenspezifische Brandschutznormen bietet der Schienenfahrzeugbau: Seit August 2013 gilt die europäische Norm EN 45545-2 mit spezifischen Vorgaben.

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