DE102010007820A1 - Extrudate made from thermoplastic-polyurethane composition useful as a self-extinguisher, comprises a polyurethane, an exfoliated nanoclay, and additionally a phosphorus component comprising organic phosphates and phosphine oxides - Google Patents
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Abstract
Description
Die nachfolgende Erfindung bezieht sich auf ein selbstverlöschendes Extrudat aus einer thermoplastischen Polyurethan-Zusammensetzung und ein Verfahren zu dessen Herstellung.The following invention relates to a self-extinguishing extrudate of a thermoplastic polyurethane composition and a process for its preparation.
Thermoplastische Polyurethane (TPU) sind wegen ihrer guten Elastomereigenschaften und thermoplastischen Verarbeitbarkeit von großer technischer Bedeutung. Sie zeichnen sich ferner durch ausgezeichnete chemische Beständigkeit und durch sehr günstige mechanische Eigenschaften wie Elastizität, hohe Dehnung oder gute Abriebfestigkeit aus. Eine Übersicht über die Herstellung, Eigenschaften und Anwendungen von thermoplastischen Polyurethanen ist z. B. im Kunststoff Handbuch [
Beim Einsatz von TPU im Bereich Elektrik/Elektronik, insbesondere bei der Verwendung für Kabel, müssen hohe Anforderungen erfüllt werden, die sich insbesondere dadurch ergeben, dass das TPU eine gute Flammresistenz aufweisen sollte; insbesondere da in Kabeln vielfach leicht brennbares, nicht-flammgeschütztes Polyolefin wie etwa Polypropylen eingesetzt wird, das wünschenswerter Weise von einem selbstverlöschenden TPU mitgelöscht werden sollte. Verbunden mit der Aufgabe, zugleich gut extrudierbare TPU mit dünner Wandstärke zum Einsatz zu bringen, gestaltet sich diese Aufgabe mit den bekannten TPU-Materialien sehr schwierig.When using TPU in the field of electrics / electronics, especially when used for cables, high requirements must be met, which result in particular from the fact that the TPU should have a good flame resistance; in particular, since cables often use flammable, non-flame retardant polyolefin such as polypropylene, which should desirably be quenched by a self-extinguishing TPU. Combined with the task of using well-extruded TPUs with thin wall thickness, this task is very difficult with the known TPU materials.
So werden den bekannten TPU Flammschutzmittel zugesetzt, beispielsweise halogenhaltige Verbindungen. Der Zusatz dieser Verbindungen wirkt sich jedoch vielfach negativ auf die mechanischen Eigenschaften der erhaltenen TPU-Formmassen aus.Thus, the known TPU flame retardants are added, for example halogen-containing compounds. The addition of these compounds, however, often has a negative effect on the mechanical properties of the resulting TPU molding compositions.
Bestehende funktionierende Flammschutzsysteme für TPU bestehen aus einer Kombination von bromierten bzw. halogenierten organischen Substanzen und Antimonoxiden. Beide sind in nicht unerheblichem Maße toxisch oder es können im Falle eines Verbrennungsprozesses toxische Produkte entstehen. Darüber hinaus weisen halogenhaltige organische Verbindungen nachteilig eine korrosive Wirkung auf. Halogenfreie selbstverlöschende Formmassen sind beispielsweise in
So offenbart die
Die flammengeschützte Mischung der
Die Verwendung von Phosphor und dessen Verbindungen als Flammschutzmittel ist bekannt, wobei Phosphor wegen seiner Toxizität ungünstig zu verwenden ist. Günstiger ist es, anorganische Phosphate, organische Phosphate (OPOR3) oder Phosphinoxide (OPR3) einzusetzen, wobei die anorganischen Phosphate den Nachteil des beschriebenen Füllstoffeffektes mit sich bringen und organische Phosphate (OPOR3) oder Phosphinoxide (OPR3) hoch dosiert werden müssen, um einen wirksamen Flammschutz in TPU zu sichern. Darüber hinaus neigen sie dazu, aus der TPU-Matrix an die Oberfläche zu migrieren und dort einen unerwünschten Belag zu bilden. Zudem wirken sie sich aufgrund der notwendigen hohen Dosierung nachteilig auf die mechanischen Eigenschaften der TPU-Formmassen aus.The use of phosphorus and its compounds as flame retardants is known, with phosphorus being unfavorable to use because of its toxicity. It is more favorable to use inorganic phosphates, organic phosphates (OPOR 3 ) or phosphine oxides (OPR 3 ), the inorganic phosphates having the disadvantage of the described filler effect and organic phosphates (OPOR 3 ) or phosphine oxides (OPR 3 ) having to be metered high to ensure effective flame retardancy in TPU. In addition, they tend to migrate from the TPU matrix to the surface and form an undesirable deposit there. In addition, they have an adverse effect on the mechanical properties of the TPU molding compounds due to the necessary high dosage.
Der Einsatz von Nanoclays als Füllstoff zur Verbesserung mechanischer Eigenschaften von Kunststoffen oder allgemein von polymeren Werkstoffen ist bekannt. Dazu beschreibt die
Ferner ist aus der
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein selbstverlöschendes Extrudat aus einer thermoplastischen Polyurethan-Zusammensetzung (TPU-Zusammensetzung) bereitzustellen, dessen Flammschutzkomponente halogenfrei ist und ein Selbstverlöschen der Zusammensetzung bewirkt. Einmal entzündet, soll das Extrudat nur eine geringe Abtropfneigung aufweisen. Das Extrudat soll ferner gut zu verarbeiten sein und eine gute Fließfähigkeit bei der Verarbeitung aufweisen. Die bekannt vorteilhaften mechanischen und chemischen Eigenschaften des Polyurethans hingegen sollen trotz Flammschutzzusatz optimal erhalten bleiben.Based on this prior art, the object of the present invention is to provide a self-extinguishing extrudate of a thermoplastic polyurethane composition (TPU composition), the flame retardant component of which is halogen-free and effects self-extinction of the composition. Once ignited, the extrudate should have only a slight dripping tendency. The extrudate should also be easy to process and have good flowability during processing. The known advantageous mechanical and chemical properties of the polyurethane, however, should be optimally maintained despite Flammschutzzusatz.
Diese Aufgabe wird durch ein selbstverlöschendes Extrudat aus einer thermoplastischen Polyurethan-Zusammensetzung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a self-extinguishing extrudate of a thermoplastic polyurethane composition having the features of
Ferner besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Schaffung eines zur Herstellung dieses selbstverlöschenden Extrudats aus der thermoplastischen Polyurethan-Zusammensetzung geeigneten Verfahrens. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.It is also an object of the invention to provide a process suitable for making this self-extinguishing extrudate from the thermoplastic polyurethane composition. This object is achieved by a method having the features of claim 6.
Weiterbildungen der Vorrichtung und des Verfahrens werden durch die Unteransprüche beschrieben.Further developments of the device and the method are described by the subclaims.
Ein erfindungsgemäßes selbstverlöschendes Extrudat aus einer thermoplastischen Polyurethan-Zusammensetzung enthält in der Zusammensetzung zumindest ein Polyurethan und einen exfolierten Nanoclay. Eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen selbstverlöschenden Extrudats bezieht sich darauf, dass die Zusammensetzung ferner eine Phosphorkomponente in einem Anteil von 0,1 bis 20 Gew.-%, bezogen auf ein Gesamtgewicht der Polyurethan-Zusammensetzung enthält. Diese Phosphorkomponente kann ein organisches Phosphat, ein Phosphinoxid oder eine Kombination davon umfassen. Der Anteil des Nanoclays in der Zusammensetzung liegt in einem Bereich von 0,1 bis 15 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Polyurethan-Zusammensetzung.A self-extinguishing extrudate of a thermoplastic polyurethane composition according to the invention contains at least one polyurethane and one exfoliated nanoclay in the composition. A first embodiment of the self-extinguishing extrudate according to the invention refers to the composition further containing a phosphorus component in a proportion of 0.1 to 20% by weight, based on a total weight of the polyurethane composition. This phosphorus component may comprise an organic phosphate, a phosphine oxide or a combination thereof. The proportion of the nanoclay in the composition is in a range of 0.1 to 15% by weight, based on the total weight of the polyurethane composition.
Mit dieser Zusammensetzung, die einerseits mit dem Nanoclay eine Komponente, die die Rheologie des Kunststoffes beeinflusst, und andererseits eine wirksame, jedoch geringe Menge eines organischen Phosphats oder ein Phosphinoxid als Flammschutzkomponente enthält, wird vorteilhaft ein Extrudat geschaffen, das bei einer Entzündung selbstverlöschend ist, nicht-brennend abtropft und gleichzeitig die gewünschten mechanischen und chemischen Eigenschaften eines Polyurethans ohne Zusätze aufweist. Weiterhin ermöglich die erfindungsgemäße Extrudat-Zusammensetzung eine gute Verarbeitbarkeit durch ein ausreichendes Fließverhalten, wodurch vorteilhaft auch bei der Extrusion die Ausbildung eines Düsenbartes vermieden wird, der ansonsten bei der Verwendung von organischem Phosphat oder Phosphinoxid mit hohen Anteilen als Flammschutzmittel entsteht.With this composition, which on the one hand contains a component which influences the rheology of the plastic with the nanoclay and on the other hand contains an effective but small amount of an organic phosphate or a phosphine oxide as flameproofing component, it is advantageous to provide an extrudate which is self-extinguishing in the case of ignition. dries off non-burning and at the same time has the desired mechanical and chemical properties of a polyurethane without additives. Furthermore, the extrudate composition according to the invention allows a good processability by a sufficient flow behavior, which advantageously also in the extrusion, the formation of a nozzle whisk is avoided, which otherwise arises when using organic phosphate or phosphine oxide with high levels as a flame retardant.
Es wurde dabei überraschend und in keiner Weise vorhersehbar festgestellt, dass durch die Kombination von organischen Phosphaten oder Phosphinoxiden mit einem geringen Anteil an Nanoclays, die infolge der Extrusion optimal dispergiert sind, ein selbstverlöschendes TPU-Extrudat erhalten werden kann, das zudem sehr gute mechanische und verarbeitungs- und anwendungstechnische Eigenschaften aufweist. Ein Synergie-Effekt der Verwendung von Phosphorkomponente und Nanoclay gestattet eine deutlich geringere Dosierung beider Komponenten, so dass durch die verringerte Menge des Nanoclay-Füllstoffs und des Flammschutzmittels deutlich günstigere mechanische Eigenschaften erzielt werden können als bei Zusammensetzungen, die zum Erreichen gleicher Flammbeständigkeit einen wesentlich höheren Anteil der Phosphorkomponente erfordern. Ferner wird vorteilhaft eine Migration von Flammschutzkomponenten an die Polymeroberfläche vermindert bzw. verhindert.It was surprisingly found and in no way foreseeable that a self-extinguishing TPU extrudate can be obtained by the combination of organic phosphates or phosphine oxides with a small proportion of nanoclays, which are optimally dispersed as a result of the extrusion, which also very good mechanical and has processing and application properties. A synergistic effect of the use of phosphorus component and nanoclay allows a significantly lower dosage of both components, so that by the reduced amount of nanoclay filler and the flame retardant significantly more favorable mechanical properties can be achieved than with compositions that achieve a substantially higher flame retardancy Require proportion of phosphorus component. Furthermore, a migration of flameproofing components to the polymer surface is advantageously reduced or prevented.
Der erfindungsgemäß in der Zusammensetzung verwendete Nanoclay kann ein organisch interkalierter Smektit sein. Unter den Smektiten wird ein organisch interkalierter Montmorillonit bevorzugt. Dessen Anteil kann in einem Bereich von 0,1 bis 10 Gew.-% liegen, und insbesondere bevorzugt derart reduziert werden, dass er in einem Bereich von 1 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Polyurethan-Zusammensetzung, liegt. Wird als Nanoclay ein vermahlener Illit verwendet, so kann dessen Anteil von 0,1 bis 15 Gew.-% betragen, vorteilhaft kann der Illit-Nanoclay-Anteil in einem Bereich von 1 bis 6 Gew.-%, gewählt werden, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Polyurethan-Zusammensetzung.The nanoclay used in the composition according to the invention may be an organically intercalated smectite. Among the smectites, an organically intercalated montmorillonite is preferred. Its content may be in a range of 0.1 to 10% by weight, and more preferably, it may be reduced to be in a range of 1 to 5% by weight based on the total weight of the polyurethane composition. If a ground illite is used as nanoclay, its proportion may be from 0.1 to 15% by weight, Advantageously, the illite nanoclay content in a range of 1 to 6 wt .-%, to be selected, each based on the total weight of the polyurethane composition.
Der Anteil der Phosphorkomponente kann aufgrund des Synergie-Effektes mit dem Nanoclay auf einen Anteil von 1 bis 12 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Polyurethan-Zusammensetzung, verringert werden.The proportion of the phosphorus component can be reduced to a proportion of 1 to 12 wt .-%, based on the total weight of the polyurethane composition due to the synergy effect with the nanoclay.
Die geringen Füllgrade des Nanoclays bewirken, dass sich die chemische Beständigkeit und die mechanischen Eigenschaften des Extrudats nicht nachteilig verändern, wobei trotz des niedrigeren Flammschutzmittelanteils eine ausreichende Flammsicherheit erreicht werden kann.The low filling levels of the Nanoclays ensure that the chemical resistance and the mechanical properties of the extrudate do not change adversely, and despite the lower flame retardant content, sufficient flameproofing can be achieved.
Als Phosphorkomponente kann in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ein Phosphinoxid gewählt werden, das die allgemeine Formel O=P(R)3 und ein zahlenmittleres Molekulargewicht Mn von 60 bis 1000 aufweist. Insbesondere kann das Phosphinoxid ein Phosphinoxid mit der Formel (I) sein, wobei R1 für ein Wasserstoffatom, ein verzweigter oder unverzweigter Alkylrest mit 1 bis 12 C-Atomen, ein substituierter oder ein nicht-substituierter Arylrest mit 6 bis 20 C-Atomen, ein substituierter oder nicht-substituierter Aralkylreste mit 6 bis 30 C-Atomen oder ein substituierter oder nicht-substituierter Alkarylreste mit 6 bis 30 C-Atomen steht. R2 und R3 sind jeweils unabhängig voneinander ein verzweigter oder unverzweigter Alkylenrest mit 1 bis 24 C-Atomen oder ein substituierter oder nicht-substituierter Alkarylenrest mit 6 bis 30 C-Atomen.As a phosphorus component, in one embodiment of the invention, a phosphine oxide can be selected which has the general formula O = P (R) 3 and a number average molecular weight Mn of 60 to 1000. In particular, the phosphine oxide may be a phosphine oxide of the formula (I), where R 1 is a hydrogen atom, a branched or unbranched alkyl radical having 1 to 12 C atoms, a substituted or a non-substituted aryl radical having 6 to 20 C atoms, a substituted or unsubstituted aralkyl radicals having 6 to 30 C atoms or a substituted or unsubstituted alkaryl having 6 to 30 carbon atoms. R 2 and R 3 are each independently a branched or unbranched alkylene radical having 1 to 24 carbon atoms or a substituted or unsubstituted alkarylene radical having 6 to 30 carbon atoms.
Alternativ zu dem Phosphinoxid kann als Phosphorkomponente ein organisches Phosphat mit der Formel (II) oder (III) gewählt werden, wobei R1, R2, R3, R4 und R5 jeweils unabhängig voneinander ein verzweigter oder unverzweigter Alkylenrest mit 1 bis 24 C-Atomen oder ein substituierter oder nicht-substituierter Alkarylenrest mit 6 bis 30 C-Atomen sind.As an alternative to the phosphine oxide, as the phosphorus component, an organic phosphate having the formula (II) or (III) R 1 , R 2 , R 3 , R 4 and R 5 are each independently a branched or unbranched alkylene radical having 1 to 24 carbon atoms or a substituted or unsubstituted alkarylene radical having 6 to 30 carbon atoms.
Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines selbstverlöschenden Extrudats bezieht sich auf den Schritt des Coextrudierens des Polyurethans zusammen mit der Phosphorkomponente und dem Nanoclay, wobei während des Extrudierens die Nanoclays exfoliert und optimal im Extrudat dispergiert werden und wobei Polyurethan und Phosphorkomponente zwischen die Schichten des exfolierten Nanoclays eindringen.One embodiment of a process for producing a self-extinguishing extrudate according to the invention relates to the step of co-extruding the polyurethane together with the phosphorus component and the nanoclay, wherein during extrusion the nanoclays are exfoliated and dispersed optimally in the extrudate, and polyurethane and phosphorus component between the exfoliated layers Nanoclays penetrate.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bezieht sich auf die Anfertigung eines Pre-Compounds, in dem die Phosphorkomponente vorab mit dem Polyurethan compoundiert wird, bevor das Extrudat im Extrudierschritt mit dem Nanoclay erzeugt wird.Another embodiment of the method according to the invention relates to the preparation of a pre-compound in which the phosphorus component is compounded in advance with the polyurethane before the extrudate is produced in the extruding step with the nanoclay.
Bei der Anfertigung eines solchen Pre-Compounds kann die Verwendung eines „einbaufähigen” Phosphinoxids als Phosphorkomponente vorteilhaft sein, das in das Polyurethan einkondensiert wird.In the preparation of such a pre-compound, the use of a "incorporable" phosphine oxide as the phosphorus component may be advantageous, which is condensed into the polyurethane.
Ferner kann ein erfindungsgemäßes Extrudat hergestellt werden, indem zunächst ein Masterbatch extrudiert wird, dessen Zusammensetzung in Bezug auf die Zusammensetzung des selbstverlöschenden Extrudats einen relativ erhöhten Anteil des Nanoclays aufweist, gegebenenfalls kann auch der Anteil der Phosphorkomponente entsprechend erhöht sein, wobei ein vollständiges Exfolieren des Nanoclays durch das Extrudieren des Masterbatches erfolgt. Furthermore, an extrudate according to the invention can be produced by first extruding a masterbatch whose composition has a relatively increased proportion of the nanoclay with respect to the composition of the self-extinguishing extrudate. If appropriate, the proportion of the phosphorus component can also be correspondingly increased, with complete exfoliation of the nanoclay by extruding the masterbatch.
Dieser Masterbatch kann dann in einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahrensschritt mit dem Polyurethan und gegebenenfalls einem Anteil der Phosphorkomponente coextrudiert werden, so dass das selbstverlöschende Extrudat in der gewünschten Polyurethan-Zusammensetzung erhalten wird.This masterbatch can then be coextruded with the polyurethane and optionally a portion of the phosphorus component in a further process step according to the invention, so that the self-extinguishing extrudate is obtained in the desired polyurethane composition.
Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient dem verbesserten Verständnis des Gegenstands und der Unterstützung der Beschreibung. Es zeigt: The reference to the figures in the description is for the improved understanding of the subject matter and the support of the description. It shows:
Grundsätzlich bezieht sich das erfindungsgemäße Extrudat auf eine Polyurethan-Zusammensetzung, die selbstverlöschend ist und im Brandfall nicht in Form von geschmolzener Formmasse brennend abtropft, und somit den Anforderungen beispielsweise der Flammschutz-Prüfung nach UL 94 VO genügt.Basically, the extrudate according to the invention refers to a polyurethane composition which is self-extinguishing and does not drip in the event of fire in the form of molten molding material burning, and thus meets the requirements, for example, the flame retardant test to UL 94 VO.
Die erfindungsgemäß geringen Anteile von sowohl Nanoclay als auch dem Flammschutzmittel organisches Phosphat und/oder Phosphinoxid gestatten die Herstellung des selbstverlöschenden Extrudats ohne Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften durch die Störung der Polymermatrix. Auch wird die Medienbeständigkeit des TPU nicht verschlechtert, während eine gute Verarbeitbarkeit wegen einer ausreichenden Fließfähigkeit erhalten bleibt, was bei den bekannten Systemen mit den hohen Konzentrationen von organischen (Melamin oder Melamin-Cyanurat) oder anorganischen (Talk, Metallhydroxide, Kreide, Tone) Füllstoffen nicht möglich ist.The inventively low levels of both nanoclay and the flame retardant organic phosphate and / or phosphine oxide allow the preparation of the self-extinguishing extrudate without deterioration of the mechanical properties by the disturbance of the polymer matrix. Also, the media resistance of the TPU is not degraded while maintaining good workability due to sufficient fluidity, which is in the known systems with the high concentrations of organic (melamine or melamine cyanurate) or inorganic (talc, metal hydroxides, chalk, clays) fillers not possible.
Bislang bestand bei der Verwendung von Phosphorverbindungen in Form anorganischer Phosphate, organischer Phosphate oder Phosphinoxiden zum einen der nachteilige Füllstoffeffekt der ersteren, zum anderen die hohe Dosierung der letzteren, um einen wirksamen Flammschutz in TPU zu sichern. Ferner bestand bislang das Problem, dass diese Phosphorverbindungen aus der Polyurethanmatrix an die Oberfläche migrieren und dort einen unerwünschten Belag bilden. Dies wird durch das erfindungsgemäße Extrudat verhindert, das eine wirksame, jedoch möglichst geringe Menge organisches Phosphat oder Phosphinoxid enthält.So far, when using phosphorus compounds in the form of inorganic phosphates, organic phosphates or phosphine oxides on the one hand, the disadvantageous filler effect of the former, on the other hand, the high dosage of the latter, to ensure effective flame retardancy in TPU. Furthermore, there has hitherto been the problem that these phosphorus compounds migrate from the polyurethane matrix to the surface where they form an undesirable deposit. This is prevented by the extrudate according to the invention which contains an effective but minimal amount of organic phosphate or phosphine oxide.
Der Einsatz von Phyllosilikaten/Schichtsilikate zur Steuerung der Rheologie von Flüssigkeiten ist bekannt. Dabei können quellbare Dreischichtsilikate der Smektit-Gruppe, die Montmorillonit umfasst, bzw. Dreischichtsilikate ohne Quellfähigkeit der Glimmer-Illit-Gruppe verwendet werden. Durch Interkalation (im Fall von Montmorillonit) geht die ursprüngliche Montmorillonit-Struktur verloren bzw. durch geeignete Vermahlung von Illit (siehe
Um die so interkalierten Nanoclays technisch einsetzen zu können, müssen sie unter Einsatz weiterer Quellmittel exfoliert werden. Bei dieser Exfolierung geht die ursprüngliche Nahordnung in den Schichtsilikaten verloren; es werden Schichten mit mm Durchmesser ca. 1000 nm Weite und 500–100 nm Länge erhalten. Diese als Nanoclays bezeichneten Werkstoffe, die durch die Exfolierung von Montmorillonit, bzw. die Vermahlung von Illit erhalten werden, weisen vollständig andere Eigenschaften als die als Rohstoff zugrunde liegenden Tonminerale im ursprünglichen Zustand auf, wodurch auch ihr Einfluss auf die Eigenschaften der Kunststoffe, in die sie eingearbeitet werden, sich grundsätzlich vom Einfluss der ursprünglichen Mineralien unterscheidet.In order to be able to use the intercalated Nanoclays technically, they must be exfoliated using further swelling agents. In this exfoliation, the original order in the phyllosilicates is lost; layers with a diameter of about 1000 nm and a length of 500-100 nm are obtained. These materials, known as nanoclays, obtained by the exfoliation of montmorillonite or by the milling of illite, have completely different properties from the raw clay minerals in the original state, which also influences their properties in the plastics they are fundamentally different from the influence of the original minerals.
Weitere geeignete Schichtsilikate sind die zu den Glimmern gerechneten Dreischicht-Silikate des Illit-Typs. Durch geeignete Behandlung/Vermahlung von natürlichem Illit, beschrieben in
Um den sicheren Flammschutz, gute mechanische Eigenschaften und gute Beständigkeit gegenüber Chemikalien sowie die vorteilhafte Verarbeitbarkeit in Bezug auf Fließverhalten und die „Bartbildung” zu erhalten, erfolgt die vollständige Exfolierung der Schichtsilikate in der thermoplastischen Polyurthan-Zusammensetzung mit dem Flammschutzmittel während des Compoundierens im Extrusionsprozess.For safe flame retardancy, good mechanical properties and good resistance to chemicals as well as the advantageous processability in terms of flow behavior and "beard" too obtained complete exfoliation of the sheet silicates in the thermoplastic polyurethane composition with the flame retardant during compounding in the extrusion process.
Der Aufbau eines zur Bildung des Nanoclays geeigneten monoklinen Montmorillonits ist in
Zu den Dreischicht-Mineralen zählen vor allem Montmorillonit aus der Smektit-Gruppe, aber auch die Glimmer/Illit-Gruppe.Among the three-layer minerals are mainly montmorillonite from the smectite group, but also the mica / illite group.
Bei den Smektiten handelt es sich um sogenannte Schichtsilikate, die eine Dreischicht-Struktur besitzen und zu den Tonmineralien gehören. Die zwei Tetraeder-Schichten der dreischichtigen Smektite sind über die Kationen der Oktaeder-Zwischenschicht elektrostatisch vernetzt. Die Schichten sind nicht starr miteinander verbunden, sondern können durch reversible Einlagerung von Wasser und anderen Substanzen aufquellen.The smectites are so-called layer silicates, which have a three-layer structure and belong to the clay minerals. The two tetrahedral layers of the three-layered smectites are electrostatically crosslinked via the cations of the octahedral intermediate layer. The layers are not rigidly connected, but can swell by reversible storage of water and other substances.
Zwischen den beiden Dreischicht-Strukturen des monoklinen Montmorilloniten (Al2[(OH)2/Si4O10]·nH2O) besteht, in
Illit ist ein weiteres dreischichtiges Tonmineral mit einer Aluminium-Oktaeder-Schicht und zwei umgebende Silikat-Tetraederschichten. Illite entstehen vorwiegend aus Smektiten (quellfähigen Ton-Minerale) durch den Einbau von Kaliumionen zwischen den Schichten während der Diagenese von Sedimenten und haben die Summenformel K0,65Al2,0Al0,65Si3,35O10(OH).Illit is another three-layer clay mineral with an aluminum octahedron layer and two surrounding silicate tetrahedral layers. Illites are formed mainly from smectites (swelling clay minerals) by the incorporation of potassium ions between the layers during the diagenesis of sediments and have the empirical formula K 0.65 Al 2.0 Al 0.65 Si 3.35 O 10 (OH).
Organisch interkalierte Phyllosilikate stehen kommerziell zur Verfügung, etwa der Nanoclay Nanofil® SE 3000 (erhältl. bei Rockwood Clay Aditives GmbH). Diese Nanoclays werden aus Montmorilloniten gewonnen, die mit Distearoyldimethyl-ammoniumchlorid organisch interkaliert sind. Nanofil® SE3000 kommt vorzugsweise in einem Anteil von 0,1 bis 10, bevorzugt 1 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Polyurethan-Zusammensetzung, zum Einsatz.Organically intercalated phyllosilicates are commercially available, such as the nanoclay Nanofil ® SE 3000 (erhältl. Rockwood Clay Aditives GmbH). These nanoclays are derived from montmorillonites that are organically intercalated with distearoyldimethyl ammonium chloride. Nanofil ® SE3000 is preferably used in a proportion of 0.1 to 10, preferably 1 to 5 wt .-%, based on the total weight of the polyurethane composition, are used.
Als weiterer Nanoclay-Rohstoff kann ein desagglomerierter Illit mit einer Feinheit von < 2 μm dienen. Dabei kann beispielsweise Arginotec® NX (erhältl. bei B + M Nottenkämper Ges. f. Bergbau und Mineralstoffe mbH u. Co. KG) verwendet werden. Arginotec® NX kommt vorzugsweise in einem Anteil von 0,1 bis 15%, bevorzugt 1 bis 6 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Polyurethan-Zusammensetzung, zum Einsatz.As a further nanoclay raw material can serve a deagglomerierter illite with a fineness of <2 microns. In this case (f. Mining and minerals mbH Co. KG erhältl. B + M Nottenkämper Ges. U.), For example Arginotec NX ® be used. Arginotec ® NX is preferably used in a proportion of 0.1 to 15%, preferably 1 to 6 wt .-%, based on the total weight of the polyurethane composition, are used.
Für das erfindungsgemäße selbstverlöschende Extrudat eignen sich prinzipiell alle bekannten thermoplastischen Polyurethane, die nach dem Fachmann bekannten Verfahren hergestellt werden können.In principle, all known thermoplastic polyurethanes which can be prepared by processes known to the person skilled in the art are suitable for the self-extinguishing extrudate according to the invention.
Das als Flammschutzkomponente dienende, einbaufähige Phosphinoxid der allgemeinen Formel O=P(R)3, und spezieller der Formel (I) (gemäß
Als nicht einbaufähige organische Phosphate kommen Verbindungen der allgemeinen Formeln (II) und (III) in Frage wobei R1, R2, R3, R4, R5 ein verzweigter oder unverzweigter Alkylenrest mit 1 bis 24 C-Atomen oder ein substituierter oder nicht-substituierter Alkarylenrest mit 6 bis 30 C-Atomen sein können. R1, R2, R3 und R4 können dabei gleich oder verschieden sein. Die organischen Phosphate kommen vorzugsweise mit einem Anteil von 0,1 bis 20, bevorzugt von 1 bis 12, Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Polyurethan-Zusammensetzung, zum Einsatz.Unincorporatable organic phosphates are compounds of the general formulas (II) and (III) where R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 can be a branched or unbranched alkylene radical having 1 to 24 carbon atoms or a substituted or unsubstituted alkarylene radical having 6 to 30 carbon atoms. R 1 , R 2 , R 3 and R 4 may be the same or different. The organic phosphates are preferably used in an amount of from 0.1 to 20, preferably from 1 to 12,% by weight, based on the total weight of the polyurethane composition.
Durch die Kombination der Nanoclays in geringen Anteilen und organischen Phosphaten oder einbaufähigen Phosphinoxiden, die durch gemeinsame Extrusion in dem Polyurethan optimal dispergierten werden, werden die selbstverlöschenden TPU-Formmassen als Extrudat erhalten.By combining the nanoclays in small amounts and organic phosphates or incorporable phosphine oxides, which are optimally dispersed by co-extrusion in the polyurethane, the self-extinguishing TPU molding compounds are obtained as an extrudate.
Dabei werden die Nanoclays zur Kontrolle des Fließverhaltens mittels Extrusion in einem Doppelschneckenextruder gemeinsam mit dem Flammschutzmittel Phosphinoxid (I) oder Organophosphat (II), (III) in der Polymermatrix in einer anwendungsfertigen Rezeptur exfoliert. Alternativ können die Nanoclays in einem Exfolierungsschritt gemeinsam mit einem Teil der Phosphorverbindungen (I), (II) oder (III) in der Polymermatrix zu einem Masterbatch verarbeitet werden. Bei diesem Exfolierungsschritt durch die Extrusion ist es entscheidend, dass die bereits durch die organische Interkalation aufgeweiteten Silikatschichten vollständig exfoliert werden, dass also das Polyurethan und das gewählte Flammschutzmittel (I), (II) oder (III) zwischen die Dreischichtstrukturen gebracht werden. Auf diese Weise entsteht eine dreidimensionale Struktur, die bei langsamen Fließgeschwindigkeiten ein Fließen der Zusammensetzung erschwert, jedoch bei höheren Schergeschwindigkeiten schneller fließt.Here, the Nanoclays are exfoliated in the polymer matrix in a ready-to-use formulation for controlling the flow behavior by means of extrusion in a twin-screw extruder together with the flame retardant phosphine oxide (I) or organophosphate (II), (III). Alternatively, the nanoclays can be processed in an exfoliation step together with part of the phosphorus compounds (I), (II) or (III) in the polymer matrix to form a masterbatch. In this exfoliation step by the extrusion, it is crucial that the silicate layers already expanded by the organic intercalation are completely exfoliated, ie that the polyurethane and the selected flame retardant (I), (II) or (III) are interposed between the three-layer structures. This creates a three-dimensional structure that makes flow of composition difficult at slow flow rates, but flows faster at higher shear rates.
Die Exfolierung der Nanoclays muss nicht zwingend in der für die anwendungsfertigen Rezeptur benötigten Konzentration erfolgen, für die Herstellung des Masterbatches kann eine deutlich höhere Konzentration als Quelle für die Nanoclays zur Ausbildung der dreidimensionalen Struktur verwendet werden. Entscheidend ist dabei, dass auch im Masterbatch die Schichten der Phyllosilikate nahezu vollständig voneinander getrennt werden.The exfoliation of the nanoclays does not necessarily have to take place in the concentration required for the ready-to-use formulation; for the preparation of the masterbatch, a significantly higher concentration can be used as a source for the nanoclays to form the three-dimensional structure. It is crucial that even in the masterbatch, the layers of phyllosilicates are almost completely separated from each other.
Generell kann ein Pre-Compond aus Polyurethan mit einer Phosphorkomponente, auch zur Bereitstellung eines Masterbatches, zur Herstellung des erfindungsgemäßen Extrudats verwendet werden. Für dieses Pre-Compound wird das Polyurethan vorab mit der Phosphorkomponente, etwa einem Phosphinoxid, durch vorheriges Compoundieren ausgerüstet. Dies kann entweder schon bei der Herstellung des Polyurethans durch die Verwendung von speziellen Phosphinoxiden geschehen oder alternativ durch einen separaten Compoundierschritt erfolgen, bei dem das Phosphinoxid dem Polyurethan zugegeben wird. Diesem Pre-Compound wird bei der Verarbeitung die notwendige Menge des interkalierten und exfolierten Nanoclays zugegeben.In general, a pre-compound of polyurethane with a phosphorus component, also for providing a masterbatch, can be used to produce the extrudate according to the invention. For this Pre-compounding, the polyurethane is pre-equipped with the phosphorus component, such as a phosphine oxide, by prior compounding. This can either be done in the production of the polyurethane by the use of special phosphine oxides or alternatively by a separate compounding step in which the phosphine oxide is added to the polyurethane. During processing, this pre-compound is added with the necessary amount of intercalated and exfoliated nanoclays.
Die gemeinsame Extrusion des Polyurethans mit den exfolierten Phyllosilikaten (oder gemahlenen Illite) in Kombination mit Organophosphat/Phosphinoxid ergänzt deren Wirkungen hinsichtlich der Flammsicherung, der guten Verarbeitbarkeit und den guten Materialeigenschaften synergistisch und liefert das Extrudat der thermoplastischen Polyurethan-Zusammensetzung.The coextrusion of the polyurethane with the exfoliated phyllosilicates (or ground illites) in combination with organophosphate / phosphine oxide synergistically complements their flame retardancy, good processability and good material properties, and provides the extrudate of the thermoplastic polyurethane composition.
Das erfindungsgemäße Extrudat lässt sich grundsätzlich auf drei verschiedenen Wegen herstellen: Unter Verwendung eines Masterbatches mit in Polyurethan exfoliertem Nanoclay, eines Compounds mit einkondensiertem Phosphinoxid und in Polyurethan exfoliertem Nanoclay oder eines Compounds mit organischem Phosphat und in Polyurethan exfoliertem Nanoclay.The extrudate according to the invention can basically be produced in three different ways: using a masterbatch with polyurethane exfoliated nanoclay, a compound with condensed phosphine oxide and polyurethane exfoliated nanoclay or a compound with organic phosphate and polyurethane exfoliated nanoclay.
Unter Compound wird ein Gemisch aus sortenreinen Grundstoffen bezeichnet, denen zusätzliche Füllstoffe, Verstärkungsstoffe oder andere Additive beigemischt worden sind.A compound is a mixture of unmixed raw materials to which additional fillers, reinforcing agents or other additives have been added.
Unter dem Begriff Masterbatch wird vorliegend ein Polyurethan verstanden, dessen Gehalt an Additiven, wenigstens der Gehalt an Nanoclays, höher ist als in der Endanwendung. Dabei wird der Gehalt des Additivs respektive Nanoclays soweit wie möglich erhöht und so wenig Polymer wie möglich verwendet. Durch die Verwendung eines Masterbatches kann die Prozesssicherheit erhöht werden, zudem sind Masterbatches sehr gut zu verarbeiten.The term masterbatch is understood here to mean a polyurethane whose content of additives, at least the content of nanoclays, is higher than in the end use. The content of the additive or nanoclays is increased as much as possible and as little polymer as possible is used. By using a masterbatch, process reliability can be increased, and masterbatches are very easy to process.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen veranschaulicht. Die Beispiele schränken dabei den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung nicht ein.The invention will now be illustrated by way of examples. The examples do not limit the scope of the claimed invention.
Die Herstellung von Compounds und Masterbatch erfolgt grundsätzlich mittels eines corotierenden Zweischneckenextruders. Ein Doppelschneckenextruder
Ein geeigneter Extruders kann ferner über Anschlüsse zu mehreren Seitendosierern mit rückwärtiger Entgasung sowie eine Vakuumentgasung und die Möglichkeit zur gravimetrischen Dosierung verfügen. Ferner kann eine Einrichtung zur Flüssigdosierung mit einem Einspritzdruck von über 120 bar vorgesehen sein. Am Extruderausgang können Vorrichtungen zur Stranggranulierung oder für einen Kopfabschlag angeordnet sein, woraufhin eine Trocknungseinrichtung folgen kann.A suitable extruder may also have connections to multiple backside degasifiers and vacuum degassing and the possibility of gravimetric dosing. Furthermore, a device for liquid metering can be provided with an injection pressure of more than 120 bar. At the extruder outlet devices may be arranged for strand granulation or for a head tee, after which a drying device can follow.
Die Anordnung und Auswahl der Scheckenelemente wird wie bei einer dem Fachmann bekannten Anwendung mit hohen Füllstoffgehalten und hoher Dispergierleistung gewählt. Günstigerweise werden abwechselnd Knetelemente und Förderelemente verwendet.The arrangement and selection of the Scheckenelemente is selected as in a well-known in the art application with high filler contents and high dispersing performance. Conveniently, kneading elements and conveying elements are alternately used.
Die Gesamtmenge des thermoplastischen Polyurethans wird jeweils in das getriebeseitig erste Gehäuse
Sämtliche verwendeten Rohstoffe werden vor der Verwendung sorgfältig getrocknet.All raw materials used are carefully dried before use.
Beispiel 1: Herstellungverfahren mittels MasterbatchExample 1: Production process by means of masterbatch
Die TPU-Formmasse wird aus einem Masterbatch hergestellt, in dem die Nanoclay-Partikel gebrauchsfertig aufbereitet, das heißt vollständig exfoliert vorliegen. Der Masterbatch wird direkt mit einem pre-compundierten Ether-TPU, das organische Phosphate bereits enthält, verarbeitet.The TPU molding compound is produced from a masterbatch, in which the nanoclay particles are prepared ready for use, that is, completely exfoliated. The masterbatch is processed directly with a pre-compounded ether TPU that already contains organic phosphates.
In einem Schnellmischer werden 15 kg Nanofil® 3000 mit 1 kg (2-methylphenyl)diphenylphosphat (Disflamoll® DPK Fa. Lanxess) gemischt, bis die Temperatur auf 60°C angestiegen ist, und anschließend abgekühlt. Eine Verbindung der so erhaltenen Mischung
Desmopan® 9385 wird in einer von Menge 120 kg/h in das getriebeseitig erste Gehäuse
Tabelle 1 gibt die Temperaturen in den aufeinanderfolgenden Heizzonen des Extruders zusammen mit dem jeweiligen Knet(K)- oder Förder(F)vorgang an:
An Heizzone 10 schließt sich an die Förderung die Ausgangsdüse des Extrudes an.At
Die heiße Schmelze wird von der Düsenplatte aus als Stränge abgezogen, diese im Wasserbad gekühlt, anschließend mit einem Strang-Granulator zu Granulat aufgearbeitet und mittels Gebläsetrockner auf einen Feuchtigkeitsgehalt von unter 0,02% nachgetrocknet.The hot melt is withdrawn from the nozzle plate as strands, this cooled in a water bath, then worked up with granules to a granulator and dried by means of a blow dryer to a moisture content of less than 0.02%.
Der so erhaltene Masterbatch wird zusammen mit einem Pre-Compound aus 7% Organophosphat gem. (II) und Desmopan® 9385 zur Herstellung von Prüfkörpern verarbeitet. Zur Herstellung dieses Pre-Compounds werden Desmopan® 9385 mit einer von Menge 16 kg/h in das getriebeseitig erste Gehäuse
Das Gehäuse
Die heiße Schmelze wird aus einer Zweilochdüse als Strang abgezogen, im Wasserbad gekühlt und anschließend mit einem Strang-Granulator zu Granulat aufgearbeitet. Das Extrudat wird mit einer Förderleistung von ca. 18 kg/h bei einer Drehzahl von 220 U/min extrudiert.The hot melt is withdrawn from a two-hole nozzle as a strand, cooled in a water bath and then worked up to granules with a strand granulator. The extrudate is extruded at a rate of about 18 kg / h at a speed of 220 rpm.
Beispiel 2: Herstellungsverfahren mittels CompoundExample 2: Production process by means of compound
Zunächst erfolgt die Compoundierung der einzelnen Komponenten, die einer handelsüblichen Ether-TPU-Formmasse, wie z. B. Desmopan® 9385 zugegeben werden, wobei im Compoundierschritt die vollständige Exfolierung der Nanoclays erfolgt.First, the compounding of the individual components of a commercial ether TPU molding compound such. B. Desmopan ® 9385 are added, wherein in the compounding the complete exfoliation of the nanoclays takes place.
Desmopan® 9385 wird in einer von Menge 16 kg/h in das getriebeseitig erste Gehäuse
Die Eigenschaften des aus dem Extrudat gebildeten Granulats wurden überprüft. Es erfolgte eine Messung der MVR-Werte (MVR = Melt volume rate) der Granulate gemäß
Das hergestellte TPU-Granulat ließ sich mittels Bandextrusion verarbeiten. Es wurde in einem Einwellen-Extruder 30/25D (Plasticorder PL 2000-6, Fa. Grabender) in einer Dosierung von 3 kg/h bei einer Temperatur von 230 bis 195°C aufgeschmolzen und durch eine Schlitzdüse zu einem Band extrudiert. Eine mechanische Prüfung bei Raumtemperatur umfasste Reißfestigkeit (σ) und Reißdehnung (ε), die an den Spritzgießkörpern nach
Die Flammschutzeigenschaften wurden gemäß UL94 V bei einer Dicke des Prüfkörpers von 3 mm ermittelt (nach:
In diesem Test bedeutet eine Bewertung mit V-0 ein nicht brennendes Abtropfen. Ein Produkt mit dieser Bewertung wird deshalb als flammwidrig bezeichnet. Eine V-2-Bewertung bedeutet ein brennendes Abtropfen, d. h. fehlende Flammwidrigkeit.
Der Vergleich mit der TPU-Formmasse Desmopan® 9385 ohne die erfindungsgemäß zugesetzte Kombination aus Nanoclays und Organophosphat/Phosphinoxid zeigt eindeutig, dass unabhängig vom Herstellungsweg gemäß Beispiel 1 oder 2 erfindungsgemäß extrudierte flammsichere TPU-Formmassen mit guten mechanischen Eigenschaften und guter Verarbeitbarkeit erhalten werden, wenn die erfindungsgemäße Kombination von thermoplastischem Polyurethan mit exfolierten Nanoclays und organischen Phosphorderivaten als Flammschutz-Komponente eingesetzt werden.The comparison with the TPU molding composition Desmopan ® 9385 without the invention added combination of nanoclays and organophosphate / phosphine clearly shows that according to the invention extruded flameproof TPU molding compositions are obtained having good mechanical properties and good processability, independently on the preparation according to Example 1 or 2 when the combination according to the invention of thermoplastic polyurethane with exfoliated nanoclays and organic phosphorus derivatives can be used as the flameproofing component.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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