Neue phosphorhaltige Polyester für halogenfreien Flammschutz von kompaktem, glasfaserverstärktem und geschäumtem Polybutylenterephthalat

Abstract

Phosphorhaltige Alternativen haben halogenhaltige Flammschutzmittel für PBT zunehmend verdrängt. Die meisten der verwendeten Flammschutzmittel verschlechtern jedoch die me-chanischen Eigenschaften des PBT oder neigen zum Ausblühen. Trotz ihrer gängigen Ver-wendung fehlt ein grundlegendes Verständnis für den Einfluss der chemischen Struktur der Flammschutzmittel auf das Brandverhalten und die Eigenschaften des Werkstoffs. Ebenso lückenhaft ist das Wissen über den Einfluss der Makrostruktur des Werkstoffs auf dessen Brandverhalten und die Flammschutzanforderungen. Als Alternative zu den gängigen niedermolekularen Flammschutzadditiven werden in dieser Arbeit phosphorhaltige Polyester als Flammschutzmittel für kompaktes, glasfaserverstärktes und geschäumtes PBT vorgestellt und ihr Pyrolyse- und Brandverhalten analysiert. Nicht nur die Makrostruktur des PBT, sondern auch die chemische Struktur der phosphorhaltigen Polyester wurde gezielt variiert, um entsprechende Struktur-Eigenschaftsbeziehungen ableiten zu können. Das glasfaserverstärkte PBT zeigt eine höhere Entflammbarkeit, der PBT Integralschaum ein höheres Risiko durch Flammenausbreitung als kompaktes PBT. Das Vorhandensein von Verbrückungen und P-O-Carom.-Bindungen im Phosphorsubstituenten der phosphorhaltigen Polyester erhöht deren Rückstandsbildung bzw. Aktivität in der kondensierten Phasen. Die Art der aktiven Flammschutzmechanismen entscheidet darüber, welche Brandrisiken reduziert werden. Als einer der phosphorhaltigen Polyester bildet PET-P-DOPO einen nicht mischbaren Blend mit PBT. Es hat eine gute Flammschutzwirkung und verschlechtert die mechanischen Eigenschaften nicht so stark wie gängige Flammschutzmittel. PET-P-DOPO birgt dabei das Potential, die mechanischen Eigenschaften und die Flammschutzwirkung durch eine Verbesserung der Mischbarkeit und eine Erhöhung des Phosphorgehaltes noch weiter zu optimieren. Für PBT Integralschaum ist PET-P-DOPO weniger geeignet. In glasfa- serverstärktem PBT übertrifft PET-P-DOPO die gängigen Flammschutzmittel, selbst wenn diese mit höherem Phosphorgehalt eingesetzt werden. Die Ergebnisse tragen wesentlich zum Verständnis der grundlegenden Struktur- Eigenschaftsbeziehungen im Flammschutz von Polymeren bei. Sie ermöglichen die Vorher-sage spezieller Anforderungen an die Flammschutzmittel aus der Makrostruktur des Werk-stoffs. Weiterhin erlauben sie eine gezieltere Auswahl und Optimierung bestehender Flamm-schutzmittel durch die Anpassung ihrer chemischen Struktur sowie das gezielte Design neuer Flammschutzmittel für bestimmte Anwendungen bzw. Schutzziele. Mit PET-P-DOPO wurde außerdem eine vielversprechende Alternative zu gängigen Additiven im Flammschutz von PBT gefunden.

Phosphorus-containing alternatives have increasingly substituted halogen- containing flame retardants in the flame retardancy of PBT. Unfortunately, most of the flame retardants dete-riorate the mechanical properties of PBT or tend to bloom. Despite their common usage, a detailed understanding of how burning behaviour and material properties are influenced by the chemical structure of the flame retardants is still missing. The knowledge about the influence of the material's macrostructure on burning behaviour and flame retardancy demands is incomplete, too. In this study, phosphorus polyesters are presented as an alternative to commonly used low-molecular additives for the flame retardancy of compact, glass fibre reinforced and foamed PBT. The pyrolysis and burning behaviour of these polyesters is discussed. The macrostructure of PBT as well as the chemical structure of the phosphorus polyesters was systematically varied to deduce the corresponding structure- property relationships. Glass fibre reinforced PBT has a higher flammability than compact PBT, while PBT integral foam has a higher risk of flame spread. The presence of bridging groups and P-O-Carom.-bonds in the phosphorus substituent of the phosphorus polyesters increases their char-forming ability and their condensed-phase activity, respectively. The nature of the active flame-retardancy mechanisms determines the fire risks, which are reduced. One of the phosphorus polyesters, PET-P-DOPO, forms an immiscible blend with PBT. PET-P-DOPO has a good flame-retardancy performance and deteriorates the mechanical properties less than common flame retardants. Additionally, it still has the potential for further optimisation. An improved miscibility and a higher phosphorus content would improve the mechanical properties and the flame-retardancy performance, respectively. PET-P-DOPO is less suited to flame retard PBT integral foam. In glass fibre reinforced PBT, however, PET-P-DOPO outperforms common flame-retardant additives even if they are used with a higher phospho-rus content than PET-P-DOPO. The results essentially contribute to the understanding of fundamental structure-property relationships in flame retardancy of polymers. They permit to predict specific flame-retardancy demands from the material's macrostructure. Furthermore, the results allow a more specific selection and optimisation of existing flame retardants through the modification of their chemical structure and a targeted design of new flame retardants for specific applica-tions or protection goals, respectively. A promising alternative to common additives for the flame retardancy of PBT was found with PET-P-DOPO.