Feuer in Tai Po, Hongkong, entfacht erneut Fokus auf flammhemmende Kunststoffe. Wie lassen sich Flammschutzeigenschaften und Recyclingfähigkeit solcher Kunststoffe in Einklang bringen?
Am Nachmittag des 26. November brach in mehreren Wohnblöcken am Wang Fuk Court in Tai Po, New Territories, Hongkong, ein Feuer aus. Die jüngsten Zahlen der Hongkonger Feuerwehr vom 27. November deuten darauf hin, dass der Brand in Tai Po 40 Todesopfer gefordert und weitere 45 Personen verletzt hat. Die Polizei von Hongkong hat drei Führungskräfte des für die Instandhaltung von Gebäuden zuständigen Ingenieurbüros wegen des Verdachts des Totschlags festgenommen. Bei den Untersuchungen wurden Schutznetze, wasserdichte Planen und Plastikfolien an den Außenwänden des Gebäudes entdeckt, die möglicherweise nicht den Brandschutznormen entsprachen. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Schaumstoffisolierung, die die Fenster der Aufzugslobby auf jeder Etage eines nicht betroffenen Gebäudes umgab, leicht entflammbar war und möglicherweise die Ausbreitung des Feuers beschleunigte. Die Behörden haben nicht ausgeschlossen, dass diese Isolierung zum schnellen Fortschreiten des Brandes beigetragen hat.
Dies unterstreicht die entscheidende Bedeutung flammhemmender Anwendungen. Aufgrund der komplexen Materialzusammensetzung flammhemmender Kunststoffe und Einschränkungen durch vielfältige Störfaktoren und potenzielle Umweltauswirkungen werden sie jedoch häufig von Recyclingprozessen ausgeschlossen und stattdessen der energetischen Verwertung zugeführt. Sind flammhemmende Kunststoffe also wirklich unwiederbringlich?
Zwischen 2015 und 2024 gehörten Fehlfunktionen von Haushaltsgeräten zu den häufigsten Brandursachen und machten 30 % aller Brandereignisse aus. Wichtige Trends wie Elektrofahrzeuge und Digitalisierung werden den Elektrifizierungsgrad der Haushalte weiter erhöhen und damit die Brandgefahr erhöhen. Kunststoffe stellen als brennbare Materialien ein erhöhtes Sicherheitsrisiko dar; Der Einsatz von Flammschutzmitteln (FR) behebt dieses Problem, indem er die Evakuierungszeit verlängert und die Brandausbreitung verhindert. Im Jahr 2022 erreichte der weltweite Verbrauch an Flammschutzmitteln etwa 2,19 Millionen Tonnen, die hauptsächlich in den Bereichen Bau, Elektronik und Transport eingesetzt werden.
Die weltweit am häufigsten verwendeten technischen Kunststoffe (insbesondere in der Elektronik- und Elektroindustrie sowie im Haushaltsgerätesektor) sind Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS) und Polycarbonat/Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (PC/ABS-Legierung). Im Elektro- und Elektroniksektor machen diese Kunststoffe 26 % des technischen Polymerverbrauchs aus; im Haushaltsgerätebereich steigt dieser Anteil auf 40 %. Ihre Nutzung dürfte in Zukunft weiter zunehmen. Allerdings erzeugt Europa derzeit jährlich etwa 2,6 Millionen Tonnen Kunststoffabfall aus Elektro- und Elektronikaltgeräten (WEEE). Um dieses Problem anzugehen, zielen Vorschriften wie die WEEE-Richtlinie darauf ab, das Recycling von Kunststoffabfällen aus Elektro- und Elektronik-Altgeräten zu fördern und so eine nachhaltige Entwicklung voranzutreiben und Ressourcen zu schonen.
Da es sich bei flammhemmenden Kunststoffen jedoch typischerweise um komplexe Materialmischungen handelt, werden sie aufgrund verschiedener Störfaktoren und möglicher Umweltauswirkungen derzeit von Recyclingprozessen ausgeschlossen und stattdessen der energetischen Verwertung zugeführt. Angesichts der damit verbundenen Kosten von Flammschutzmitteln und der Forderung nach mehr Nachhaltigkeit ist die stoffliche Verwertung flammhemmender Kunststoffe im Elektro- und Elektronikbereich durch entsprechende Recyclingstrategien zwingend erforderlich. Dennoch machen technische, wirtschaftliche und regulatorische Hindernisse diese Aufgabe zu einer großen Herausforderung.
1. Enthält recyceltes Material und erfüllt dennoch den UL94 V-0-Standard
Genau dieser Frage geht ein Gemeinschaftsprojekt der MKV GmbH Kunststoffgranulate in Beselich-Obertiefenbach und dem Institut für Kunststofftechnik (IKT) der Universität Stuttgart nach. Ziel des Projekts ist es, das Alterungsverhalten flammhemmender Kunststoffe bei stofflichen Recyclingprozessen und in der Natur zu untersuchen und so deren Recyclingfähigkeit zu beurteilen.
Dieses Projekt wird auf der Grundlage von Forschungsergebnissen Aufbereitungsstrategien für ABS- und PC/ABS-Industriekunststoffabfälle (PIR) weiterentwickeln, um die Einhaltung der Flammschutznorm UL94 V-0 wiederherzustellen. Durch die Beschränkung auf industrielle Kunststoffabfälle (PIR) gewährleistet das Projekt eine klar definierte Stoffstromzusammensetzung mit minimalen störenden Verunreinigungen.
Bei den Tests werden flammhemmendes ABS und PC/ABS verwendet und mit nicht flammhemmenden Gegenstücken verglichen. Konkret handelt es sich bei dem flammhemmenden ABS um FW-620 von Kingfa Science & Technology, während es sich bei dem nicht flammhemmenden ABS um ABS 750 von Korea Kumho Petrochemicals handelt. Für PC/ABS-Tests ist das flammhemmende Material Cycoloy C2950 von SABIC und das nicht flammhemmende Material Cycoloy C1200HF, ebenfalls von SABIC.
2. Prüfung verschiedener halogenfreier Flammschutzmittel
Um das Alterungsverhalten der Materialien zu untersuchen, wurden alle körnigen Materialien fünf Zyklen der Recyclingverarbeitung über einen Standard-Einschneckenextruder unterzogen. Die Verarbeitungstemperatur lag bei ABS bei 230 °C, bei PC/ABS bei 260 °C. Nach dem ersten, dritten und fünften Zyklus wurden Proben entnommen und einer detaillierten Analyse unterzogen.
In der Zwischenzeit wurde eine weitere Charge neuer Materialien einer beschleunigten Alterungsbehandlung unterzogen, die natürliche Umweltbedingungen gemäß der deutschen Industrienorm DIN 75220 simuliert: bei einer Temperatur von 80 °C, einer relativen Luftfeuchtigkeit von 20 % und einer Bestrahlungsstärke von 1000 W/m². Nach einer Lagerzeit von 5 Tagen bzw. 10 Tagen wurden diese Proben ebenfalls einer Analyse unterzogen.
In weiteren Machbarkeitsstudien haben Forscher verschiedene halogenfreie Flammschutzadditive in ABS-Proben eingearbeitet, um deren grundlegende Wirksamkeit zu bewerten und in bestimmten Fällen die beim Materialrecycling verloren gegangene Flammschutzwirkung wiederherzustellen. Das der Alterungsbehandlung der fünften Stufe unterzogene Granulat wurde über einen Doppelschneckenextruder bei 230 °C verarbeitet. Die in den Verarbeitungstests verwendeten Flammschutzmittel wurden von Green Chemicals bezogen und bestanden im Einzelnen aus: 12,5 Gew.-% Bisphenol-A-Diphenylphosphat (BDP), 60 Gew.-% Magnesiumhydroxid (MDH) und Mischungen aus jeweils 12,5 Gew.-% Ammoniumpolyphosphat (APP) und Aluminiumhypophosphit (AHP).
3. Umfassende Merkmalsanalyse
Getrieben durch verschiedene Vorschriften wie REACH, WEEE und die RoHS-Richtlinie findet der Einsatz von halogenfreien Flammschutzmitteln immer mehr Verbreitung. Flammschutzmittel auf Phosphorbasis wie das bereits erwähnte BDP wirken, indem sie eine Kohlenstoffschicht auf der Materialoberfläche bilden und dadurch die weitere Verbrennung verzögern. Gleichzeitig geben sie freie Radikale in die Gasphase ab und neutralisieren so andere freie Radikale, die eine Schlüsselrolle bei der Ausbreitung von Flammen spielen.
Um den Alterungsprozess zu charakterisieren, führten die Forscher umfassende Analysen an Proben aus jeder Recyclingstufe durch. Die Analysen umfassten: Prüfung der Schlagfestigkeit mit 1J- und 4J-Pendeln (nach DIN EN ISO 179-1); Zugversuch an Proben des Typs 1A mit 50 mm/min (nach DIN EN ISO 527); Flammschutzprüfung nach UL 94. Dabei wurden vertikal eingespannte Prüfkörper (Abmessungen: 125 mm × 13 mm × 3,2 mm) zweimal für jeweils zehn Sekunden einer Flamme ausgesetzt. Die UL 94-Klassifizierung lautet wie folgt:
• Klasse V-2: Flammen erlöschen innerhalb von 30 Sekunden von selbst; brennendes Abtropfen erlaubt.
• Klasse V-1: Flammen erlöschen spontan innerhalb von 30 Sekunden, ohne brennende Tropfen und ein Nachglühen von bis zu 60 Sekunden ist zulässig.
• V-0-Klasse: Flammen erlöschen spontan innerhalb von 10 Sekunden, ohne brennende Tropfen und ein Nachglühen von bis zu 30 Sekunden ist zulässig.
4. Ergebnisse des Alterungstests
Die Ergebnisse der Alterungstests sind in Tabelle 1 dargestellt. In dieser Tabelle werden die mechanischen Eigenschaften des Materials nach fünf mechanischen Recyclingprozessen (Stufe V) und 10 Tagen Lagerung mit denen des Neumaterials verglichen. Trotz fünf Recyclingzyklen und simulierter Umweltalterung behielten alle Proben die strengste V-0-Bewertung gemäß UL 94-Standards. Allerdings erhöhte sich die Gesamtbrenndauer der Proben.
Simulierte Umweltalterungstests führen typischerweise zu einer Verschlechterung der Schlagzähigkeit und Bruchdehnung eines Materials. Nach mehreren Verarbeitungszyklen bis zur fünften Alterungsstufe zeigen diese Leistungskennzahlen jedoch tatsächlich einen leichten Anstieg. Bei ABS-Materialien werden Schlagzähigkeit und Bruchdehnung maßgeblich vom Polybutadiengehalt beeinflusst. In diesem Fall treten bei der thermomechanischen Alterung sowohl Kettenspaltungs- als auch Vernetzungsreaktionen gleichzeitig auf. Der beobachtete Anstieg der Schlagzähigkeit nach der Verarbeitung erscheint auf den ersten Blick kontraintuitiv; Dieses Phänomen ist wahrscheinlich auf Veränderungen in der morphologischen Struktur und Phasengrenzenverteilung des Materials zurückzuführen. Pulverförmige Flammschutzmittel, wenn sie als Füllstoffe verwendet werden, verringern typischerweise die Duktilität und Zähigkeit des Materials.
5. Auch nach der Alterung erfüllt es noch den V-0-Standard.
Da während der Flammschutztests gealterte Proben immer noch den V-0-Klassifizierungsstandard erreichten, fügten die Forscher nach der fünften Alterung nur den nicht flammhemmenden ABS 750-Proben Flammschutzmittel hinzu und testeten deren Wirksamkeit. Die Ergebnisse zeigten, dass alle Flammschutzmittel außer BDP es den Proben ermöglichten, den V-0-Klassifizierungsstandard zu erreichen.
Da BDP jedoch eine hochviskose Flüssigkeit ist, bereitet seine Verarbeitung Schwierigkeiten bei der Förderung, was zu einer ungleichmäßigen Verteilung des Flammschutzmittels führt. Dies erklärt auch, warum seine Leistung bei der Flammschutzprüfung im Widerspruch zu anderen Forschungsergebnissen steht. Für das gemischte Flammschutzmittel (APP/AHP) deuten Studien darauf hin, dass es während der Verarbeitung zu Zersetzungsreaktionen kommt, die hauptsächlich auf die thermische Instabilität von APP zurückzuführen sind. Dennoch erreichten Proben, die dieses zusammengesetzte Flammschutzmittel verwendeten, immer noch die V-0-Bewertungsnorm.
6. Schlussfolgerungen und Ausblick
Testergebnisse zeigen, dass die ausgewählten Materialien nach fünf Verarbeitungszyklen nahezu unveränderte Flammschutzeigenschaften aufweisen. Dies bedeutet, dass diese Materialien wieder in den Produktionskreislauf zur Herstellung hochwertiger Produkte eingeführt werden können. Während die Flammhemmung davon unberührt bleibt, ist zu beachten, dass andere Materialeigenschaften wie Schlagzähigkeit und Bruchdehnung über längere Zeiträume durch Umwelteinflüsse beeinträchtigt werden können. In der Praxis fallen Kunststoffabfälle selten als reiner Stoffstrom an. Folglich kann die Mischung verschiedener Materialien – insbesondere mit nicht flammhemmenden Materialien – zu einer Verschlechterung der flammhemmenden Eigenschaften führen. Zukünftige Arbeiten im Rahmen dieses Projekts werden sich auf die Untersuchung dieser Möglichkeit konzentrieren. Darüber hinaus wird die Machbarkeit der Compoundierung verschiedener Flammschutzmittel untersucht und die Wirtschaftlichkeit durch Optimierung der Flammschutzmitteldosierung analysiert.
