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Einleitung: Bewältigung von Verarbeitungsherausforderungen bei hochbelasteten ATH/MDH-flammhemmenden Polyolefin-Compounds

In der Kabelindustrie sind strenge Anforderungen an die Flammwidrigkeit unerlässlich, um die Sicherheit von Personal und Anlagen im Brandfall zu gewährleisten. Aluminiumhydroxid (ATH) und Magnesiumhydroxid (MDH) werden aufgrund ihrer Umweltfreundlichkeit, geringen Rauchentwicklung und der Freisetzung nicht korrosiver Gase als halogenfreie Flammschutzmittel häufig in Polyolefin-Kabelmischungen eingesetzt. Um die erforderliche Flammwidrigkeit zu erreichen, ist jedoch oft der Einsatz hoher ATH- und MDH-Konzentrationen – typischerweise 50–70 Gew.-% oder mehr – in der Polyolefinmatrix notwendig.

Ein so hoher Füllstoffgehalt verbessert zwar die Flammschutzwirkung deutlich, bringt aber auch erhebliche Verarbeitungsherausforderungen mit sich, darunter erhöhte Schmelzviskosität, verringerte Fließfähigkeit, beeinträchtigte mechanische Eigenschaften und eine schlechte Oberflächenqualität. Diese Probleme können die Produktionseffizienz und die Produktqualität stark beeinträchtigen.

Dieser Artikel zielt darauf ab, die Verarbeitungsherausforderungen im Zusammenhang mit hochbelasteten ATH/MDH-flammhemmenden Polyolefin-Compounds für Kabelanwendungen systematisch zu untersuchen. Basierend auf Marktrückmeldungen und praktischen Erfahrungen…identifiziert wirksamVerarbeitungZusatzstoffefürDie gewonnenen Erkenntnisse sollen Draht- und Kabelherstellern helfen, Rezepturen zu optimieren und Produktionsprozesse bei der Verarbeitung von hochbelasteten ATH/MDH-flammhemmenden Polyolefin-Mischungen zu verbessern.

ATH- und MDH-Flammschutzmittel verstehen

ATH und MDH sind zwei wichtige anorganische, halogenfreie Flammschutzmittel, die in Polymerwerkstoffen, insbesondere in Kabelanwendungen mit hohen Sicherheits- und Umweltstandards, weit verbreitet sind. Sie wirken durch endotherme Zersetzung und Freisetzung von Wasser, wodurch brennbare Gase verdünnt und eine schützende Oxidschicht auf der Materialoberfläche gebildet wird. Dies hemmt die Verbrennung und reduziert die Rauchentwicklung. ATH zersetzt sich bei etwa 200–220 °C, während MDH eine höhere Zersetzungstemperatur von 330–340 °C aufweist. Daher eignet sich MDH besser für Polymere, die bei höheren Temperaturen verarbeitet werden.

1. Zu den flammhemmenden Wirkungsmechanismen von ATH und MDH gehören:

1.1. Endotherme Zersetzung:

Beim Erhitzen unterliegen ATH (Al(OH)₃) und MDH (Mg(OH)₂) einer endothermen Zersetzung, wobei sie signifikante Wärme absorbieren und die Polymertemperatur senken, um den thermischen Abbau zu verzögern.

ATH: 2Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3H₂O, ΔH ≈ 1051 J/g

MDH: Mg(OH)₂ → MgO + H₂O, ΔH ≈ 1316 J/g

1.2. Freisetzung von Wasserdampf:

Der freigesetzte Wasserdampf verdünnt die brennbaren Gase um das Polymer herum und schränkt den Sauerstoffzugang ein, wodurch die Verbrennung gehemmt wird.

1.3. Bildung von Schutzschichten:

Die entstehenden Metalloxide (Al₂O₃ und MgO) verbinden sich mit der Polymerkohleschicht zu einer dichten Schutzschicht, die das Eindringen von Wärme und Sauerstoff verhindert und die Freisetzung brennbarer Gase behindert.

1.4. Rauchbekämpfung:

Die Schutzschicht adsorbiert außerdem Rauchpartikel und reduziert so die Gesamtrauchdichte.

Trotz ihrer hervorragenden Flammschutzleistung und Umweltvorteile erfordert das Erreichen hoher Flammschutzwerte typischerweise 50–70 Gew.-% oder mehr ATH/MDH, was die Hauptursache für nachfolgende Verarbeitungsprobleme ist.
2. Wichtigste Verarbeitungsherausforderungen von hochbelasteten ATH/MDH-Polyolefinen in Kabelanwendungen

2.1. Verschlechterte rheologische Eigenschaften:

Hohe Füllstoffanteile erhöhen die Schmelzviskosität deutlich und verringern die Fließfähigkeit. Dies erschwert die Plastifizierung und das Fließen während der Extrusion, erfordert höhere Verarbeitungstemperaturen und Scherkräfte, was den Energieverbrauch erhöht und den Verschleiß der Anlagen beschleunigt. Die reduzierte Schmelzefließfähigkeit begrenzt zudem die Extrusionsgeschwindigkeit und die Produktionseffizienz.

2.2. Verminderte mechanische Eigenschaften:

Große Mengen anorganischer Füllstoffe verdünnen die Polymermatrix und verringern dadurch Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Schlagzähigkeit erheblich. Beispielsweise kann die Zugabe von 50 % oder mehr ATH/MDH die Zugfestigkeit um etwa 40 % oder mehr reduzieren, was eine Herausforderung für flexible und langlebige Kabelmaterialien darstellt.

2.3. Dispersionsprobleme:

ATH- und MDH-Partikel aggregieren häufig in der Polymermatrix, was zu Spannungskonzentrationspunkten, einer verminderten mechanischen Leistungsfähigkeit und Extrusionsfehlern wie Oberflächenrauheit oder Blasen führt.

2.4. Mangelhafte Oberflächenqualität:

Hohe Schmelzviskosität, mangelhafte Dispergierung und begrenzte Kompatibilität zwischen Füllstoff und Polymer können zu rauen oder unebenen Extrudatoberflächen führen, was wiederum „Haifischhaut“ oder Ablagerungen an der Düse zur Folge hat. Diese Ablagerungen beeinträchtigen sowohl das Erscheinungsbild als auch die kontinuierliche Produktion.

2.5. Auswirkungen auf die elektrische Infrastruktur:

Ein hoher Füllstoffgehalt und eine ungleichmäßige Verteilung können die dielektrischen Eigenschaften, wie beispielsweise den spezifischen Volumenwiderstand, beeinflussen. Darüber hinaus weist ATH/MDH eine relativ hohe Feuchtigkeitsaufnahme auf, was die elektrische Leistungsfähigkeit und die Langzeitstabilität in feuchten Umgebungen potenziell beeinträchtigen kann.

2.6. Enges Verarbeitungsfenster:

Der Verarbeitungstemperaturbereich für hochbelastete, flammhemmende Polyolefine ist eng. ATH beginnt sich bei etwa 200 °C zu zersetzen, MDH bei etwa 330 °C. Eine präzise Temperaturregelung ist erforderlich, um eine vorzeitige Zersetzung zu verhindern und die Flammschutzwirkung sowie die Materialintegrität zu gewährleisten.

Diese Herausforderungen machen die Verarbeitung von hochbelasteten ATH/MDH-Polyolefinen komplex und unterstreichen die Notwendigkeit effektiver Verarbeitungshilfsmittel.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, wurden verschiedene Verarbeitungshilfsmittel entwickelt und in der Kabelindustrie eingesetzt. Diese Hilfsmittel verbessern die Grenzflächenkompatibilität zwischen Polymer und Füllstoff, reduzieren die Schmelzviskosität und erhöhen die Füllstoffdispersion, wodurch sowohl die Verarbeitungsleistung als auch die mechanischen Eigenschaften optimiert werden.

Welche Verarbeitungshilfsmittel eignen sich am besten zur Lösung von Verarbeitungs- und Oberflächenqualitätsproblemen bei hochbelasteten ATH/MDH-flammhemmenden Polyolefin-Compounds in Anwendungen der Kabelindustrie?

Additive und Produktionshilfsmittel auf Silikonbasis:

SILIKE bietet vielseitigeVerarbeitungshilfsmittel auf PolysiloxanbasisUnsere Lösungen eignen sich sowohl für Standardthermoplaste als auch für technische Kunststoffe und tragen zur Optimierung der Verarbeitung und Verbesserung der Eigenschaften von Endprodukten bei. Das Spektrum reicht vom bewährten Silikon-Masterbatch LYSI-401 bis zum innovativen Additiv SC920 – entwickelt für höhere Effizienz und Zuverlässigkeit bei der Extrusion von hochbelasteten, halogenfreien LSZH- und HFFR-LSZH-Kabeln.

Speziell,SILIKE UHMW-Silikon-basierte Schmierstoffverarbeitungsadditivehaben sich als vorteilhaft für flammhemmende Polyolefin-Mischungen der Typen ATH/MDH in Kabeln erwiesen. Zu den wichtigsten Effekten gehören:

1. Verringerte Schmelzviskosität: Polysiloxane wandern während der Verarbeitung an die Schmelzoberfläche und bilden einen Schmierfilm, der die Reibung mit den Anlagen verringert und die Fließfähigkeit verbessert.

2. Verbesserte Dispersion: Additive auf Siliziumbasis fördern eine gleichmäßige Verteilung von ATH/MDH in der Polymermatrix und minimieren so die Partikelaggregation.

3. Verbesserte Oberflächenqualität:LYSI-401 Silikon-Masterbatchreduziert Ansammlungen an der Düse und Schmelzbruch, wodurch glattere Extrudatoberflächen mit weniger Defekten entstehen.

4. Höhere Liniengeschwindigkeit:Silikonverarbeitungshilfsmittel SC920Es eignet sich für die Hochgeschwindigkeitsextrusion von Kabeln. Es verhindert Instabilitäten des Drahtdurchmessers und ein Durchrutschen der Spindel und verbessert die Produktionseffizienz. Bei gleichem Energieverbrauch erhöhte sich das Extrusionsvolumen um 10 %.

5. Verbesserte mechanische Eigenschaften: Durch die Verbesserung der Füllstoffdispersion und der Grenzflächenhaftung verbessert das Silikon-Masterbatch die Verschleißfestigkeit und die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs, wie z. B. die Schlagzähigkeit und die Bruchdehnung.

6. Synergismus der Flammschutzmittel und Rauchunterdrückung: Siloxanadditive können die Flammschutzleistung leicht verbessern (z. B. durch Erhöhung des LOI-Wertes) und die Rauchemission verringern.

SILIKE ist ein führender Hersteller von Additiven auf Silikonbasis, Verarbeitungshilfsmitteln und thermoplastischen Silikonelastomeren in der Asien-Pazifik-Region.

UnserSilikonverarbeitungshilfsmittelwerden in der Thermoplasten- und Kabelindustrie häufig eingesetzt, um die Verarbeitung zu optimieren, die Füllstoffdispersion zu verbessern, die Schmelzviskosität zu reduzieren und glattere Oberflächen mit höherer Effizienz zu erzielen.

Das Silikon-Masterbatch LYSI-401 und das innovative Silikon-Verarbeitungshilfsmittel SC920 sind bewährte Lösungen für flammhemmende Polyolefin-Formulierungen vom Typ ATH/MDH, insbesondere für die Kabelextrusion von LSZH- und HFFR-Kabeln. Durch die Integration der silikonbasierten Additive und Produktionshilfsmittel von SILIKE erzielen Hersteller eine stabile Produktion und gleichbleibende Qualität.

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