Kunststoffe sind für viele Anwendungen und Produkte das perfekte Rohmaterial. Denn sie sind gut zu verarbeiten und lassen sich problemlos mit bestimmten Eigenschaften wie etwa Flammschutz anreichern. Ideal dafür sind sogenannte Compounds – ein Gemenge aus Polymeren, Füllstoffen und Additiven, die zusammen die gewünschten Eigenschaften bieten. Allerdings gibt es auch immer häufiger Anwendungsfälle, in denen «Batches» erforderlich sind, um den wachsenden Anforderungen gerecht zu werden.
Kaum ein Produkt kommt heute ohne Kunststoff aus. Ob Verkleidungen an und in Fahrzeugen, elektrische Sicherungen oder etliche Gegenstände des täglichen Bedarfs – sie alle bestehen zu einem grossen Teil, wenn nicht komplett aus Kunststoff. Dabei muss das Material je nach Anwendung über bestimmte Eigenschaften verfügen und nicht selten gesetzlichen Normen und Vorschriften entsprechen.
Umfassender Flammschutz, also die Fähigkeit, im Falle eines Brandes dessen Ausbreitung und das Entstehen von Rauch und giftigen Gasen zu verhindern, zählt zu den wesentlichen Eigenschaften, die heute von vielen Produkten gefordert sind.
Brandschutzanforderungen steigen
Vor allem die Forderung nach halogenfreien flammgeschützten Kunststoffbauteilen gewinnt in jüngster Zeit an Bedeutung. Denn: Einerseits berücksichtigen immer mehr Normen, etwa im Kabel- oder Eisenbahnbereich, neben der Brandfortleitung auch Aspekte wie Rauchgasdichte und Toxizität. Anderseits fordert der Nachhaltigkeitsgedanke immer mehr halogenfreie Lösungen.
Flammhemmende Materialien dürfen heute unter anderem kein Halogen enthalten, weil halogenhaltige Flammschutzmittel im Brandfall ätzende, toxische Dämpfe freisetzen. Halogenfreie Stoffe tragen in diesem Zusammenhang häufig das Kürzel HFFR (Halogen Free Flame Retardant, halogenfrei und flammhemmend).
Als Kompromiss werden derzeit für einige Anwendungen noch halogenarme Kunststoffe eingesetzt.
Die gängigsten Brandklassen, die sich auch in den Normen niederschlagen und den Einsatz von HFFR Komponenten erfordern, sind V0 und V2 nach UL94-V. UL steht für «Underwriters Laboratories». Die international tätige Organisation mit Hauptsitz in den USA hat mehr als 1.300 Sicherheitsnormen entwickelt, viele davon sind American National Standards (ANSI).
Aus den genannten Gründen gibt es immer mehr HFFR Compounds auf dem Markt. Allerdings noch mit Einschränkungen bei bestimmten Eigenschaften. So ist etwa bei der V0 für phosphorbasierte, halogenfreie Flammschutzsysteme ein mit 20 bis 35 Prozent relativ hoher Flammschutzanteil erforderlich. Das aber hat zur Folge, dass andere Eigenschaften wie die Schlagzähigkeit darunter leiden.
Die XINOMER bietet Compounds an, die der Anforderung V0 entsprechen und dennoch ausgezeichnete sonstige Materialeigenschaften aufweisen.
Batches gewinnen an Bedeutung
Nun gibt es aber zunehmend Anwendungsfälle, in denen sich der Einsatz von Masterbatches, oft auch nur «Batches» genannt, empfiehlt. Batches sind konzentrierte Stoffe in Granulatform, die dem Grundstoff oder Compound in geringer Menge, meist zwischen 1 und 10 Prozent, jedoch für gewisse Anwendungen auch deutlich darüber, beigemengt werden. Dadurch lassen sich Kunststoffen zusätzliche Eigenschaften hinzufügen.
Masterbatches sind vor allem aus Anwendungen bekannt, in denen ein Compound eine bestimmte Farbe erhalten soll. In diesem Fall wird ein Naturcompound als Grundstoff verwendet. Bei der Verarbeitung zu Kundenbauteilen etwa durch Extrusion, Spritzguss oder andere Verfahren wird dann die Farbe in Form eines «Batches» in minimaler Dosierung zugemischt. Typischerweise sind das zwischen 1 und 5 Prozent.
Kontinuierliches Wachstum
Was viele Kunststoffhersteller (noch) nicht wissen: Masterbatches kommen auch im Flammschutzbereich vermehrt zum Einsatz. Tendenz steigend. Nach der im April 2021 veröffentlichten Studie von Market Data Forecast (www.marketdataforecast.com/market-reports/europe-masterbatch-market) betrug das Volumen des europäischen Masterbatch Marktes im Jahr 2020 vier Milliarden US-Dollar. Die Experten rechnen bis 2025 mit einem jährlichen Wachstum von rund fünf Prozent.
Um eine V0 Brandklasse zu erreichen, muss bei der Verarbeitung deutlich mehr Flammschutzbatch zugemischt werden als bei einem Farbbatch. Abhängig von den konkreten Anforderungen sprechen wir hier von etwa 20 bis 40 Prozent Beimischung.
Nun stellt sich die Frage, ob beziehungsweise weshalb ein Hersteller von Kunststoffbauteilen einen Batch einsetzen soll, wenn es doch schon anwendungsfertige Compounds gibt. Letztlich ist dies von verschiedenen Faktoren abhängig.
- Einfache Verarbeitung. Compounds sind einfach zu verarbeiten. Für das Beimengen von Batches im Produktionsprozess braucht der Anwender spezifisches Verarbeitungs-Knowhow und das richtige Equipment. Ist letzteres nicht erfüllt, so lässt sich der hinzugefügte Batch meist nicht optimal in das Compound einmischen, ist also unter Umständen nicht gleichmässig im Grundpolymer verteilt.
- Optimal für hohen Flammschutz. Je höher die Flammschutzanforderung, desto höher muss der Flammschutzanteil sein und desto kritischer ist das Einmischen eines Batches bei der Verarbeitung (Spritzguss, Extrusion). Bei besonders hohen Flammschutzanforderungen empfiehlt sich daher eher ein Compound.
- Zertifizierter Grundstoff. In gewissen Fällen muss nicht nur das fertige Bauteil, sondern auch das Compound zertifiziert sein (zum Beispiel Yellow Card bei der UL). In solchen Fällen ist ein HFFR Compound ein absolutes Muss und ein Batch nicht zielführend.
Für den Einsatz von Batches in der modernen Produktion sprechen allerdings einige gute Gründe.
- Universell einsetzbar. Batches sind innerhalb derselben Polymerfamilie universell einsetzbar. Hat ein Verarbeiter etwa mehrere Polymere für HFFR Bauteile im Einsatz, kann er für bestimmte Eigenschaften ein und denselben Batch verwenden.
- Für bestimmte Anwendungen sind Compounds «overengineered». Den Batch-Anteil indes kann der Verarbeiter flexibel einstellen. So kann er durch Einstellung des notwendigen Flammschutzgehaltes via Batch nur so viel Flammschutz verwenden, wie notwendig beziehungsweise von der Norm vorgeschrieben. Das spart einerseits Kosten, da Flammschutz teurer ist als Grundpolymer. Und es führt anderseits zu besseren mechanischen Eigenschaften, denn je mehr Flammschutz beigemischt wird, desto schlechter sind die mechanischen Eigenschaften.
- Individuell dosierbar. Nicht selten muss ein Verarbeiter Kunststoffbauteile in unterschiedlichen Geometrien wie etwa unterschiedlichen Wandstärken fertigen, zugleich aber für alle Teile die gleiche Brandklasse erreichen, zum Beispiel V0. Hier kann er sich die Brandtests zunutze machen. Auf Basis dieser Tests kann er für jedes seiner Bauteile die genaue Batchdosierung einstellen. Das steigert seine Kosteneffizienz.
- Gewisse Batches werden auch als «Booster» eingesetzt. In diesem Fall ist bereits ein HFFR Compound vorhanden, mit dem manche Bauteile den Brandtest knapp nicht bestehen. Dies kann bei einem Portfolio verschiedener Bauteile mit unterschiedlichen Geometrien, vor allem bei dünnwandigen Teilen, durchaus vorkommen. Durch Zugabe von wenigen Prozent Booster Batch bestehen dann die fraglichen Bauteile den Test.
- Kosteneffizient. Batches stellen gegenüber Compounds oft eine kosteneffizientere Alternative dar. Zwar sind Batches aufgrund der hohen Beladung mit teurem Flammschutz in der Anschaffung kostenintensiver als Compounds. Doch da sie bei der Verarbeitung mit kosteneffizienten Standardpolymeren wie PE oder PP gemischt werden, ergibt dies in Summe einen niedrigeren Kilopreis als bei einem vergleichbaren Compound.
Fazit
Ob ein HFFR Compound oder ein HFFR Batch die bessere Lösung darstellt, ist von Fall zu Fall verschieden. Die Antwort ist unter anderem abhängig von der Anwendung, den spezifischen Flammschutzanforderungen und vom Markt.
Falls Sie Fragen dazu haben: Die XINOMER entwickelt und vertreibt sowohl HFFR Compounds als auch HFFR Batches. Unsere Experten beraten Sie gerne individuell. Nehmen Sie Kontakt auf.
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