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Einleitung: Lösung von Herausforderungen bei der Verarbeitung hochbelastbarer ATH/MDH-flammhemmender Polyolefinverbindungen

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

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

Dieser Artikel untersucht systematisch die Herausforderungen bei der Verarbeitung hochbelastbarer ATH/MDH-flammhemmender Polyolefin-Compounds in Kabelanwendungen. Basierend auf Marktfeedback und Praxiserfahrungenidentifiziert wirksamVerarbeitungZusatzstoffefürDiese Herausforderungen werden angegangen. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen Draht- und Kabelherstellern dabei helfen, Rezepturen zu optimieren und Produktionsprozesse bei der Arbeit mit hochbelastbaren ATH/MDH-flammhemmenden Polyolefinverbindungen zu verbessern.

ATH- und MDH-Flammschutzmittel verstehen

ATH und MDH sind zwei wichtige anorganische, halogenfreie Flammschutzmittel, die häufig in Polymermaterialien verwendet werden, insbesondere in Kabelanwendungen, bei denen hohe Sicherheits- und Umweltstandards gelten. Sie wirken durch endotherme Zersetzung und Wasserfreisetzung, verdünnen brennbare Gase und bilden eine schützende Oxidschicht auf der Materialoberfläche, die die Verbrennung unterdrückt und die Rauchentwicklung reduziert. ATH zersetzt sich bei etwa 200–220 °C, während MDH eine höhere Zersetzungstemperatur von 330–340 °C aufweist. MDH eignet sich daher besser für Polymere, die bei höheren Temperaturen verarbeitet werden.

1. Zu den flammhemmenden Mechanismen 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 erhebliche Wärme absorbiert wird und die Polymertemperatur gesenkt wird, 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. Wasserdampfabgabe:

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

1.3. Bildung von Schutzschichten:

Die entstehenden Metalloxide (Al₂O₃ und MgO) verbinden sich mit der Polymerkohleschicht und bilden eine dichte Schutzschicht, die das Eindringen von Wärme und Sauerstoff blockiert und die Freisetzung brennbarer Gase verhindert.

1.4. Rauchunterdrückung:

Die Schutzschicht absorbiert 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 Probleme bei der nachfolgenden Verarbeitung ist.
2. Wichtige Herausforderungen bei der Verarbeitung hochbelastbarer ATH/MDH-Polyolefine in Kabelanwendungen

2.1. Verschlechterte rheologische Eigenschaften:

Hohe Füllstoffkonzentrationen erhöhen die Schmelzviskosität stark und verringern die Fließfähigkeit. Dies erschwert die Plastifizierung und das Fließen während der Extrusion und erfordert höhere Verarbeitungstemperaturen und Scherkräfte, was den Energieverbrauch erhöht und den Anlagenverschleiß beschleunigt. Ein verringerter Schmelzfluss begrenzt zudem die Extrusionsgeschwindigkeit und die Produktionseffizienz.

2.2. Reduzierte mechanische Eigenschaften:

Große Mengen anorganischer Füllstoffe verdünnen die Polymermatrix und verringern Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Schlagzähigkeit erheblich. Beispielsweise kann die Einarbeitung 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, verringerter mechanischer Leistung und Extrusionsdefekten wie Oberflächenrauheit oder Blasen führt.

2.4. Schlechte Oberflächenqualität:

Hohe Schmelzviskosität, schlechte Dispersion und eingeschränkte Füllstoff-Polymer-Kompatibilität können zu rauen oder unebenen Extrudatoberflächen führen, was zu „Haifischhaut“ oder Düsenablagerungen führen kann. Ablagerungen an der Düse (Düsenablagerungen) beeinträchtigen sowohl das Erscheinungsbild als auch die kontinuierliche Produktion.

2.5. Auswirkungen auf die elektrischen Eigenschaften:

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

2.6. Enges Verarbeitungsfenster:

Der Verarbeitungstemperaturbereich für hochbelastbare flammhemmende Polyolefine ist eng. ATH beginnt sich bei etwa 200 °C zu zersetzen, MDH bei etwa 330 °C. Eine präzise Temperaturkontrolle ist erforderlich, um eine vorzeitige Zersetzung zu verhindern und die flammhemmende Wirkung und Materialintegrität sicherzustellen.

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

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

Welche Verarbeitungshilfsmittel sind am wirksamsten, um Probleme bei der Verarbeitung und Oberflächenqualität von hochbelastbaren ATH/MDH-flammhemmenden Polyolefinverbindungen in Anwendungen der Kabelindustrie zu lösen?

Additive und Produktionshilfsmittel auf Silikonbasis:

SILIKE bietet vielseitigeVerarbeitungshilfsmittel auf Polysiloxanbasissowohl für Standardthermoplaste als auch für technische Kunststoffe. Wir tragen dazu bei, die Verarbeitung zu optimieren und die Leistung der fertigen Produkte zu verbessern. Unsere Lösungen reichen vom bewährten Silikon-Masterbatch LYSI-401 bis zum innovativen Additiv SC920 – entwickelt für mehr Effizienz und Zuverlässigkeit bei der Extrusion hochbelastbarer, halogenfreier LSZH- und HFFR-LSZH-Kabel.

Speziell,SILIKE UHMW Schmiermittelverarbeitungsadditive auf Silikonbasishaben sich für flammhemmende ATH/MDH-Polyolefinverbindungen in Kabeln als vorteilhaft erwiesen. Zu den wichtigsten Effekten gehören:

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

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

3. Verbesserte Oberflächenqualität:LYSI-401 Silikon-Masterbatchreduziert Düsenaufbau und Schmelzbruch und erzeugt glattere Extrudatoberflächen mit weniger Defekten.

4. Schnellere Leitungsgeschwindigkeit:Silikon-Verarbeitungshilfe SC920eignet sich für die Hochgeschwindigkeitsextrusion von Kabeln. Es verhindert Drahtdurchmesserinstabilitäten und Schraubenschlupf und verbessert die Produktionseffizienz. Bei gleichem Energieverbrauch erhöht sich das Extrusionsvolumen um 10 %.

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

6. Flammhemmender Synergismus und Rauchunterdrückung: Siloxanzusätze können die flammhemmende Leistung leicht verbessern (z. B. durch Erhöhung des LOI) und die Rauchentwicklung verringern.

SILIKE ist ein führender Hersteller von Additiven, Verarbeitungshilfsmitteln und thermoplastischen Silikonelastomeren auf Silikonbasis im asiatisch-pazifischen Raum.

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

Darunter sind das Silikon-Masterbatch LYSI-401 und das innovative Silikon-Verarbeitungshilfsmittel SC920 bewährte Lösungen für flammhemmende ATH/MDH-Polyolefinformulierungen, insbesondere bei der LSZH- und HFFR-Kabelextrusion. Durch die Integration der silikonbasierten Additive und Produktionshilfsmittel von SILIKE können Hersteller eine stabile Produktion und gleichbleibende Qualität erreichen.

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