Konzept des Flammschutzmittel-Designs von phosphorhaltigen hyperverzweigten Makromolekülen für Epoxidharze
Quelle: BAM Fachbereich Technische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen
Leichtbau-Materialien wie Duroplaste sind essenziell für das Transportwesen und die Energieindustrie, jedoch benötigen diese Werkstoffe Flammschutzmittel, um einen sicheren Umgang zu gewährleisten, da sie ein hohes Brandrisiko darstellen. Halogenfreie, phosphorbasierte Flammschutzmittel sind Stand der Technik, ihre ständige Weiterentwicklung ist allerdings notwendig, um die stets sich entwickelnden Materialanforderungen zu erfüllen. Es existiert ein Trend hin zu makromolekularer Struktur und komplexer Architektur. Hyperverzweigte Polymer-Flammschutzmittel haben besondere Füllstoff-Eigenschaften, wie hohe Retention in der Matrix, niedriger Einfluss auf die Glasübergangsstufe sowie hohe Effektivität bei niedriger Füllmenge.
Dieses Paper des Monats präsentiert einen Ansatz mit innovativem Flammschutzmittel-Design, um effektive, phosphorbasierte Flammschutzmittel mit komplexen Architekturen als multifunktionale Additive für Hochleistungspolymere wie Epoxidharze darzustellen.
Das hyperverzweigte Makromolekül besteht aus einem trifunktionalen Phosphinoxide sowie bifunktionale Terephthalsäureester, die DOPO-Einheiten als Flammschutzmittel entlang des Rückgrats enthalten. Die Stereochemie spielt eine tragende Rolle, da die Terephthalsäureester nur über die eigene Achse rotieren kann (sie agiert dabei als starrer Stab), während die Phosphinoxid-Einheiten als steife Verbindung zu weiteren Stäben dienen. Mittels molekularer dynamischer Simulation wurde die thermodynamisch stabilste Form ermittelt, welche einem semi-planaren Stativ-Form ähnelt. Diese komplexen Polymere wurden chemisch synthetisiert, ihre Struktur spektroskopisch charakterisiert und ihre Flammschutzwirkung in Epoxidharzen mittels thermischer Analyse und Brandtests ermittelt. Die Additive senkten die Brandlast der Polymerkomposite um 25% und die maximale Wärmefreisetzungsrate um 30% bei nur 0.6% Phosphoranteil, zugleich sind sie homogen mischbar und verstärken die Glasübergangstemperatur. Mittels einem multimethodischen Analyseansatz wurde der Flammschutzmechanismus etablieren, welcher hauptsächlich in der kondensierten Phase via Rückstandsbildung und in der Gasphase via Flammenvergiftung erfolgte.
Das Paper „Hyperbranched Rigid Aromatic Phosphorus-Containing Flame Retardants for Epoxy Resins” dient als Proof-of-Principle für ein innovatives Flammschutz-Design und spiegelt die Interdiziplinarität unserer Arbeit zwischen makromolekularer Synthese, Simulation, Polymeranalytik und Brandingenieurwesen wider.
Hyperbranched Rigid Aromatic Phosphorus-Containing Flame Retardants for Epoxy Resins
Alexander Battig, Patrick Müller, Annabelle Bertin, Bernhard Schartel
veröffentlicht in Macromolecular Materials and Engineering, Band 306, Heft 4, Seite 731 ff, 2021
BAM Fachbereich Technische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen und Abteilung Materialchemie