Flammschutz und Recycling

V-O-Klassifizierung über mehrere Recyclingzyklen erhalten

Das Fraunhofer LBF Institut in Darmstadt hat zusammen mit dem Industrieverband PINFA (Phosphorus, Inorganic and Nitrogen Flame Retardants Association) im Rahmen eines mehrjährigen Projekts systematische Untersuchungen zum werkstofflichen Recycling flammwidriger Kunststoffe durchgeführt.

Einfluss der Mehrfachextrusion auf die Bruchdehnung. © Clariant

Nach der Anwendung werden flammgeschützte Kunststoffbauteile derzeit überwiegend energetisch verwertet. Werkstoffliches Recycling bietet jedoch aus ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten Vorteile, vorausgesetzt es liegt ein sortenreiner und sauberer Materialstrom vor. Ohne Einsatz neuer Rohstoffe lassen sich Thermoplaste bei vergleichsweise geringem Energieaufwand wiederverwerten. So werden kostengünstige Alternativen für Neumaterialien geschaffen und zugleich Ressourcen geschont. Recycling-Kunststoffe können sich allerdings deutlich von neuem Polymer unterscheiden. Während der Verarbeitung und Anwendung kann es zu irreversiblen Veränderungen des Kunststoffs kommen. Flammgeschützten Kunststoffen weisen zudem die Herausforderung auf, dass die flammhemmenden Additive ebenfalls geschädigt werden können und gegebenenfalls einen sicheren Flammschutz in der Langzeitanwendung nicht mehr gewährleisten. Dieses Risiko wird umso größer, je anspruchsvoller die Verarbeitung ist und je öfter rezykliert wird.

Als mögliche Sekundärrohstoffquellen kommen Abfälle nach der Kunststoffverarbeitung (Post-Industrie) und nach der Anwendung (Post-Consumer) in Betracht. Post-Consumer- Abfälle müssen über geeignete Verfahren sortiert und speziell aufbereitet werden. Ob der Aufwand für eine Sortierung und Aufreinigung dieser Materialien lohnenswert ist, konnte bisher nicht eindeutig beantwortet werden.

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Einfluss der Alterung auf die Bruchdehnung. © Clariant

Ob eine Wiederverwertung sinnvoll ist, hängt von zahlreichen Faktoren ab. Die Analyse verlangt eine Betrachtung der Rezyklierbarkeit und Entsorgung und der ökologischen sowie toxikologischen Eigenschaften der Flammschutzmittel. Ausschlagend ist jedoch vor allem, welche Leistungswerte nach mehreren Lebenszyklen erreicht werden. Die Auseinandersetzung mit dieser Frage setzt jedoch ein gewisses Verständnis der Funktionsweise von Flammschutzmitteln voraus.

Eigenschaften von Flammschutzmitteln
Seit vielen Jahren werden Additive als Flammschutzmittel verwendet, die nach verschiedenen Funktionsprinzipien wirken und die verhindern sollen, dass Bauteile bei elektrischen Kurzschlüssen, bei Annäherung externer Zündquellen oder Überhitzung entflammen. Phosphor basierte Flammschutzmittel wie die von Clariant unter dem Namen Exolit OP erhältlichen, lassen im Brandfall das Material aufschäumen und bilden so schnell eine verkohlte, nicht weiterbrennbare Schutzschicht. Typisch für diese halogenfreien Systeme sind eine deutlich schwächere Rauchentwicklung und geringe Schadstoffanteile im Rauch, im Vergleich zu bromierten Produkten.

In der Studie des Frauenhofer-Instituts wurden unter anderem glasfaserverstärkte Polyamide untersucht, die in der Elektrotechnik und Elektronik (EuE) sowie zunehmend in der Automobilindustrie Anwendung finden. Als Flammschutzmittel wurde Exolit OP 1400 eingesetzt, eine Mischung aus einem Metallphosphinat mit einem phosphorhaltigen Synergisten. Das Produkt zeichnet sich durch besonders hohe Thermostabilität und gute Hydrolysebeständigkeit aus.

Exolit Flammschutzmittel bieten Brandschutz in verschiedenen Anwendungen wie Hochspannungssteckverbinder für Elektrofahrzeuge, ohne die elektrische Leistung von Materialien zu beeinträchtigen. © Shutterstock, Aasharkyu

Die Untersuchung des werkstofflichen Recyclings der flammgeschützten, glasfaserverstärkten Polyamide umfasste fünf Extrusionszyklen mit Granulierung und Zwischentrocknung des jeweiligen Materials sowie dem Spritzgießen von Prüfkörpern. Um den Einfluss thermisch-oxidativer Degradationsprozesse während des Gebrauchs zu betrachten, wurden beschleunigte Alterungsversuche unter Luftatmosphäre bei 120 Grad Celsius für maximal 1000 Stunden an Granulaten und an Probekörpern durchgeführt. Die mechanischen Eigenschaften wurden entscheidend durch die zunehmende Zahl an Verarbeitungszyklen bestimmt. Nach dem fünften Verarbeitungszyklus nahmen E-Modul und Zugfestigkeit ab, während die Bruchdehnung nahezu gleichblieb. E-Modul und Zugfestigkeit korrelieren mit der Abnahme der mittleren Glasfaserlänge, die zu 233 Mikrometer ohne Flammschutz und 210 Mikrometer mit Flammschutz nach der ersten Compoundierung und zu 139 bzw. 136 Mikrometer nach der fünften bestimmt wurde. Das Flammschutzmittel hatte keinen negativen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften bei der Mehrfachverarbeitung. Die kürzeren Glasfasern haben auch keinen negativen Einfluss auf das Brandverhalten. Die flammgeschützten Polyamide erreichten ungeachtet der Zahl an Verarbeitungszyklen eine V-O-Klassifizierung nach UL 94. Auch die Nachbrennzeiten sind nicht signifikant erhöht. Die mechanischen Kennwerte der Zug-Dehnungs-Prüfungen nach Ofenalterung belegen, dass die Lagerungsdauer keine signifikanten Einflüsse auf E-Modul und Zugfestigkeit haben. Dieser positive Trend setzte sich beim Brandverhalten fort. Über die gesamte Lagerungsdauer betrachtet wurden die flammhemmenden Eigenschaften beibehalten. Hervorzuheben ist, dass auch die Prüfkörper, die aus gealterten Granulaten spritzgegossen wurden, eine V-O-Klassifizierung erreichten.

Zusammenfassung
Die Untersuchungsergebnisse belegen, dass mit Exolit OP halogenfrei flammgeschützte, Glasfaser-verstärkte Polyamide ein hohes Potenzial für werkstoffliches Recycling bieten. Die Rezyklate können bei entsprechender Verarbeitung eine echte Alternative zu Neumaterial sein. Mit den Resultaten der Studie wurde gezeigt, dass durch Alterung sowie durch Mehrfachextrusion die Flammwidrigkeit der Polyamide nicht verschlechtert wird.

Der Beitrag basiert auf einem Manuskript von Sebastian Hoerold, Technical Service Manager Thermoplastics bei Clariant.

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