Brandschutz durch Phosphor - Halogenfreier Flammschutz für Kunststoffe

13.02.2006 Am 13. Februar 2003 traten die beiden EU-Richtlinien 2002/96/EG (WEEE) über die Rücknahme und Entsorgung von Elektro- und Elektronik-Altgeräten, sowie 2002/95/EG (RoHS) zur Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Kraft. In Deutschland wurden diese beiden Richtlinien im ElektroG (Elektro- und Elektronikgerätegesetz) verfasst. Die RoHS-Richtlinie verbietet nach dem Juli 2006 die Verwendung unter anderem von Blei sowie bestimmten bromierten Flammschutzmitteln, wie polybromierten Biphenylen (PBBs) und Diphenyläthern (PBDEs) in elektrischen und elektronischen Geräten. Die WEEE-Richtlinie steht für eine getrennte Sammlung von Elektro- und Elektronikaltgeräten und deren Recycling bzw. separate Entsorgung im Falle von RoHS-Materialien und bromhaltigen Leiterplatten.

Aufbauend auf diesen Europäischen Verordnungen, vergleichbaren japanischen und teilweise amerikanischen Gesetzgebungen hat sich in den letzten Jahren im Kunststoffbereich verstärkt die Verwendung halogenfreier, insbesondere phosphorhaltiger Flammschutzmittel durchgesetzt. Hohe Flammschutz-Effizienz, geringe Freisetzung toxischer und korrosiver Gase in der Flamme und kein negativer Einfluss auf Mensch und Umwelt sind die nennenswerten Vorteile von phosphorhaltigen gegenüber halogenierten Flammschutzmitteln. Dabei kann die phosphorhaltige Funktion entweder ein integrativer Teil des Polymernetzwerkes sein (reaktives Flammschutzmittel) oder additiv zum Polymer hinzugemischt werden. Dies führte zu einer Renaissance der Forschung und Produktion phosphororganischer Verbindungen.

Die Effizienz der halogenfreien Flammschutzwirkung ist unter anderem von der chemischen Umgebung des Phosphors stark abhängig. Besonders das heterocyclische 9,10-Dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthren-10-oxid (DOPO) und seine Derivate, die bevorzugt über die Gas- aber auch über die Festphase die Flammschutzwirkung entfalten können, repräsentieren eine wichtige Klasse dieser Flammschutzmittel. Für FR4-Leiterplattenmaterialien stellen chemische Formulierungen des DOPOs oder dessen Benzochinonaddukts (DOPO-HQ) an Novolak-Harzen (integrativer Flammschutz) eine halogenfreie Alternative zu bromhaltigen Harzen dar, wobei hohe Glasübergangstemperaturen (Tg > 170 °C), ein Erforderniss des bleifreien Lötens von Leiterplatten nach RoHS, erreicht werden. Mittlerweile werden einige tausend Tonnen DOPO weltweit produziert, und diese Verbindungen können auch preislich mit den bromhaltigen Epoxidharzen mithalten.

Elektronische Geräte bestehen nicht nur aus flammgeschützten Leiterplatten; es kommen auch flammhemmende Kunststoffe in Gehäusen, Isolierungen, Stecker, Vergussmassen und andere Teilen zum Einsatz, worauf die oben erwähnten EU-Richtlinien ebenfalls zutreffen. Deshalb ist es von allgemeinem Interesse, auch andere Kunststoffe (Polyamide, Polyester, Polyurethane u.a.m.) mit halogenfreien Flammschutzmitteln auszurüsten. Wichtig ist hierbei der Grundsatz, mit einer geringen Menge Flammschutzmittel die maximale Wirkung zu erzeugen, damit der Preis niedrig und die geforderten Materialparameter der "engineering plastics" möglichst unverändert bleiben. Auch in diesen Kunststoffen können DOPO oder seine Derivate wegen der ausgewiesenen Flammschutzwirkung über die Gasphase eingesetzt werden. Das Flammschutzmittel soll aus technologischer Sicht additiv während des Extrusionsprozesses bei ca. 240-300 °C dem Polymer zugesetzt werden. DOPO selbst führt jedoch aufgrund seiner aciden Wirkung und geringer Temperaturbeständigkleit zum Polymerabbau von Polyamiden und -estern. Im Institut für Technische Chemie des Forschungszentrums Karlsruhe wurden neutral reagierende Verbindungen des DOPOs (DOPAL-Derivate) synthetisiert, die nunmehr einen Einsatz in den erwähnten Konstruktionspolymeren erlauben.

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Unternehmen, Behörden + Verbände: ITC-CPV, Forschungszentrum Karlsruhe

Autorenhinweis: Prof. Dr. Manfred Döring, Institut für Technische Chemie (ITC-CPV), Forschungszentrum Karlsruhe

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