Festkörper-NMR-Untersuchungen an thermischen Abbauprodukten von flammgeschützten Polycarbonat/Siliconacrylat-Kautschuk-Systemen

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurden Strukturuntersuchungen mit Festkörper-NMR- Spektroskopie an flammgeschützten Polycarbonat/Siliconacrylat-Kautschuk- Systemen (PC/SiR) nach thermischer Belastung und Brandtests durchgeführt. Am ersten System wurde der Einfluss des Flammschutzmittels Bisphenol-A-bis(dipenylphosphat) (BDP) auf den thermischen Abbau von PC/SiR untersucht. Die 13C-MAS-NMR-Spektren zeigen, dass die organischen Bestandteile des BDP und das PC unter thermischer Belastung und während eines Brandes einen festen Rückstand, den sogenannten Char bilden, der aus kondensierten Aromaten besteht. In den 31P-MAS-NMR-Spektren der Rückstände nach thermischer Belastung konnten die Phosphatester Ar2RPO4 und ArR2PO4 (Ar = Aromat, R = Alkylrest) und anorganische und amorphe Orthophosphate als Abbauprodukte von BDP identifiziert werden. Zudem deuten die 31P-MAS-NMR-Spektren auf die Bildung von Phosphonaten. Erstmals konnte dabei mit1H-13C{31P}-CP-REDOR- und 31P{1H }-REDOR-MAS-NMR-Experimenten gezeigt werden, dass die amorphen Phosphonate und Orthophosphate direkt in den Char eingebaut werden, was die verbesserte Charbildung bei Zusatz von BDP verursacht. Die Bildung einer effektiven Schutzschicht in Form eines Phosphatnetzwerkes konnte mittels 31P-DQ-MAS-NMR- Experimenten aus-geschlossen werden. Im zweiten System führt die Kombination von BDP und Zinkborat (ZnB) als Flammschutzmittel für PC/SiR unter thermischer Belastung ebenfalls zur Bildung der zuvor beschriebenen Abbauprodukte. In den 31P-MAS-NMR-Spektren von PC/SiR/BDP/ZnB wurde zusätzlich α-Zinkphosphat als Abbauprodukt identifiziert. Zudem konnte mittels 11B{31P}-REDOR-MAS-NMR- Spektroskopie für hohe Temperaturen die Bildung von B-O-P-Strukturen nachgewiesen werden. Im Vergleich zu PC/Acrylnitril/Butadien/Styrol Copolymerisat-Systemen ist der Anteil von B-O-P und α-Zinkphosphat im Rückstand deutlich geringer. Sie können somit keine effektive anorganische Schutzschicht auf dem Char ausbilden, sodass die Zugabe von ZnB nicht zu einer verbesserten Charbildung beiträgt. Der Abbau des SiR, d.h. der Hauptkomponente Polydimethylsiloxan (PDMS), verläuft in PC/SiR/BDP und PC/SiR/BDP/ZnB anders als bei reinem PDMS. Dabei ist es erstmals gelungen, die Strukturen dieser Abbauprodukte mit 29Si-MAS-NMR-Experimenten zu charakterisieren. Der thermische Abbau beginnt, in Übereinstimmung mit dem des reinen PDMS, mit der Freisetzung cyclischer Abbauprodukte, ist jedoch begleitet von der Bildung zusätzlicher D-Strukturen im festen Rückstand. Mit Vergleichsmessungen an thermischen Abbauprodukten von PC/SiR und BDP/SiR konnten einige dieser Strukturen als Reaktionsprodukte zwischen PC und PDMS bzw. BDP und PDMS identifiziert werden. Thermische Belastung bei höheren Temperaturen führt über die Bildung von T-Gruppen zur Entstehung von Q-Gruppen, bis der gesamte Siliciumbestand in der festen Phase als amorphes Silicatnetzwerk vorliegt. 11B{29Si}-REDOR-MAS-NMR-Experimente zeigen, dass Borat- und Silicatnetzwerk separate Phasen bilden.

In this study, the decomposition products of flame-retarded polycarbonate/ silicone acrylate rubber (PC/SiR) blends have been investigated by solid-state NMR spectroscopy. The influence of the flame-retardant bisphenol-A bis(diphenyl phosphate) (BDP) on the decomposition behaviour of PC/SiR was investigated. 13C-MAS-NMR spectra monitor the decomposition of PC and the organic parts of BDP. Upon thermal treatment and during a fire, both form condensed aromatic structures which correspond to the so called "carbonaceous char". 31P-MAS-NMR spectra of solid residues after thermal treatment revealed the decomposition products of BDP: phosphate esters Ar2RPO4 and ArR2PO4 (Ar = aromatic and R = alkyl) as well as inorganic and amorphous orthophosphates were identified. In addition, the 31P-MAS-NMR spectra hint towards the formation of amorphous phosphonates at elevated temperatures. For the first time, it was verified by 1H-13C{31P}-CP-REDOR- and 31P{1H}-REDOR-MAS-NMR experiments that the amorphous phosphonates and orthophosphates are incorporated into and therefore interact with the carbonaceous char. Thus, the enhanced char formation due to BDP is provided by this incorporation. The formation of a phosphate network acting as a protective layer on top of the char was excluded by 31P-DQ-MAS-NMR experiments. The combined usage of BDP and zinc borate (ZnB) as flame-retardant for PC/SiR leads to the formation of the same decomposition products. In addition, the decomposition product α-zinc phosphate was identified for PC/SiR/BDP/ZnB by 31P-MAS-NMR spectra. 11B{31P }-REDOR-MAS-NMR experiments verified the formation of B-O-P-structures in the solid residues. The amount of both decomposition products is significantly smaller than in PC/ABS systems. This gives an explanation for the missing enhancement of char formation upon addition of ZnB. In the PC/SiR system, their amount is apparently too small for the formation of an effective, inorganic protective layer onto the char. In both flame-retarded systems, the decomposition behaviour of SiR, i.e. its main component PDMS, is different when compared to pure PDMS. For the first time, structural characterization of those decomposition products in the solid phase was performed by 29Si-MAS-NMR spectroscopy. In agreement to the decomposition pathway of pure PDMS, the decomposition starts with release of cyclic decomposition products but is accompanied by the formation of additional D group structures in the solid phase. Comparative studies on binary systems PC/SiR and BDP/SiR show that these D-groups are formed by the reaction of PC with PDMS and BDP with PDMS, respectively. The increase of temperature upon thermal treatment leads to the formation of T-groups. These groups are converted to Q-groups until the total silicon content preserved in the solid phase forms an amorphous silicate network. 11B{29Si}-REDOR-MAS-NMR experiments reveal that borate and silicate networks are preserved in distinct phases.