Was der Unterschied zwischen 2 % und 8 % Zusatz wirklich bewirkt: Der tatsächliche Einfluss der Flammhemmer-Dosierung auf die Systemeigenschaften

1Zunächst brauchen „2 %“ und „8 %“ eine Bezugsgröße

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Der in Flammhemmer-Unterlagen am häufigsten vorkommende Satz lautet „empfohlene Dosierung X %“. Genau dieser Satz ist auch die häufigste Fehlerquelle – denn vor jeder Prozentangabe muss eine Bezugsgröße stehen. In den Originaltexten der Unterlagen werden mindestens vier verschiedene Bezugsgrößen parallel verwendet:

Bezogen auf die Masse des anorganischen Füllstoffs: R100 „empfohlene Dosierung: 0,5 % – 3 % der Masse des anorganischen Füllstoffs“; R200 „Zugabe von 1–3 % bezogen auf die Masse des Hydroxid-Füllstoffs, empfohlen 2 % (bei einer spezifischen Oberfläche des Füllstoffs > 20 m²/g wird eine Erhöhung auf 3 % empfohlen)“. (Quelle: Californium Curium – Functional Additives 1.09, PDF S. 48, Druckseite -44-; S. 51, Druckseite -47-)

Bezogen auf die Pulvermenge, gestaffelt nach Feinheit: Die Dosierungstabelle für R1800-S gibt die Werte für Calciumcarbonat, Talkum und Kaolin stufenweise nach Maschenweite an (die vollständige Tabelle wird in Abschnitt 3 zitiert). (Quelle: Californium Curium – Hyperdispergiermittel-Serie, PDF S. 2, Druckseite -11-)

Bezogen auf den Fertigartikel: R1800-S „0,5 %–1 % des fertigen Kunststoffprodukts“; R902 „0,5 %–5 % des fertigen Kunststoffprodukts“; R333 „Dosierung unter üblichen Betriebsbedingungen 0,5 %–1,2 %; bei mittlerer bis hoher Strahlendosis (über 50 kGy) und Langzeit-Alterungsbedingungen 1,2 %–1,8 %“. (Quelle: Californium Curium – Hyperdispergiermittel-Serie, PDF S. 4, Druckseite -13-; Californium Curium – Functional Additives 1.09, PDF S. 71, Druckseite -67-; S. 88, Druckseite -84-)

Bezogen auf die Gesamtmasse des Harzes oder auf eine einzelne Komponente: R940 „UV-Acrylatsystem (lichthärtend), empfohlene Dosierung: 15–30 % (bezogen auf die Gesamtmasse des Harzes)“; „Polyurethansystem (PU/PUA), empfohlene Dosierung: 12–25 % (bezogen auf die Polyol-Komponente)“. (Quelle: Californium Curium – Functional Additives 1.09, PDF S. 60, Druckseite -56-)

Innerhalb derselben Unterlage existieren vier verschiedene Bezugsgrößen nebeneinander. Genau das ist die erste Frage, die bei „2 % und 8 % Zusatz“ beantwortet werden muss: Auf wen beziehen sich diese 2 %? Erst wenn die Bezugsgröße geklärt ist, lassen sich die nachfolgenden realen Dosierstufen sinnvoll vergleichen.

Es gibt außerdem eine Schreibweise, die noch irreführender ist als eine fehlende Bezugsgröße: die Vermischung von Promille- und Prozentangaben. Zwei Promille-Angaben aus den Unterlagen werden im Originalwortlaut zitiert – in der Beschreibung von R1800-S heißt es: „Bei der Behandlung von Kaolin kann eine Zugabe von 2 ‰ die Isolationseigenschaften verbessern“; bei R100A steht: „Empfohlene Zugabemenge: 3 ‰ bis 10 ‰ (üblicherweise Calciumcarbonat 3 ‰–7 ‰, Talkum 8 ‰–10 ‰, Bariumsulfat 5 ‰–7 ‰, Titandioxid 3 ‰–5 ‰)“. 3 ‰ sind 0,3 % – ein Unterschied um den Faktor 10 gegenüber 3 %. (Quelle: Californium Curium – Hyperdispergiermittel-Serie, PDF S. 2, Druckseite -11-; Californium Curium – Functional Additives 1.09, PDF S. 49, Druckseite -45-)

2Drei Dosierstufen desselben Modells: M922 mit 3,5 % / 4–6 % / 8 %

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Im technischen Datenblatt des Flammhemmer-Masterbatches M922 sind in der Zeile „Dosierung“ drei Stufen angegeben. Sie sind der beste Ankerpunkt dieses Beitrags und werden im Originalwortlaut zitiert:

Dosierung: Homopolymer 3,5 %, Homopolymer-Copolymer-Mischung 4–6 %, Copolymer 8 %

Die übrigen Kennwerte derselben Seite werden ebenfalls im Originalwortlaut übernommen: Umweltstandard RoHS; Flammwidrigkeitsklasse UL94 V2; Aussehen weiße zylindrische Granalien; effektiver Flammhemmer-Gehalt 25; Dichte 1,10 g/cm³; Feuchtegehalt ≤ 0,1 %; Schmelzpunkt ≥ 160 ℃; Schmelzindex 15 g/min (200 ℃, 5 kg); Zersetzungstemperatur 230 ℃ (TGA 1 %). (Quelle: Californium Curium – Functional Masterbatch 1.05-4, PDF S. 13, Druckseite -9-)

Die drei Stufen bedeuten: Derselbe Masterbatch wird in Homopolymer-PP, in Homopolymer-/Copolymer-PP-Mischungen und in Copolymer-PP mit 3,5 %, 4–6 % bzw. 8 % dosiert. Mit anderen Worten: „2 % und 8 % Zusatz“ sind in diesem Zusammenhang keine zwei willkürlich gewählten Zahlen, sondern zwei reale Dosierstufen desselben Produkts bei zwei unterschiedlichen Substratzuständen. Der einzige Unterschied liegt in einer Variablen: der Molekülstruktur der Matrix.

Warum Copolymer-PP mit 8 % dosiert werden muss, wird auf dieser Seite der Unterlage nicht mechanistisch erläutert (dieser Punkt ist in der Unterlage nicht ausgeführt).

In derselben Unterlage findet sich jedoch bei einem anderen halogenfreien Masterbatch eine gegenteilige Aussage, die zwingend mitgelesen werden muss: Bei M933 (halogenfreier PP-Flammhemmer-Masterbatch mit UL94 V0) heißt es unter „Referenzdosierung“: „15–25 %“, ergänzt um den Hinweis: „Je dünner das Produkt, desto besser ist die flammhemmende Wirkung und desto kleiner ist das Zusatzverhältnis; die tatsächliche Dosierung richtet sich nach den tatsächlichen Ergebnissen beim Kunden.“ Auf derselben Seite wird ein Messwert genannt: „Bei einer PP-Platte mit 0,4 mm Dicke tropft die Probe bei Zugabe von 25 Teilen dieses Produkts nicht brennend ab.“ (Quelle: Californium Curium – Functional Masterbatch 1.05-4, PDF S. 14, Druckseite -10-)

Beim halogenfreien PE-Flammhemmer R911 heißt es dagegen unter „Anwendung“: „Je nach Dicke des dünnwandigen PE-Fertigartikels und je nach Flammwidrigkeitsanforderung beträgt die empfohlene Dosierung 10 %–20 % (bei dünneren Wandstärken wird eine angemessene Erhöhung der Dosierung empfohlen); die optimale Dosierung sollte durch Kleinmusterversuche ermittelt werden.“ (Quelle: Californium Curium – Functional Additives 1.09, PDF S. 53, Druckseite -49-)

Einmal gilt: „Je dünner das Produkt, desto kleiner das Zusatzverhältnis“ (M933, PP-System), einmal: „Je dünner das Produkt, desto eher sollte die Dosierung angemessen erhöht werden“ (R911, PE-System). Die beiden Aussagen laufen in entgegengesetzte Richtungen. Ihre jeweilige Gültigkeit beruht auf unterschiedlichen Systemen und Mechanismen: M933 ist ein oberflächenbeschichteter Masterbatch auf Phosphorbasis mit Synergist, R911 gehört zur Gruppe der sterisch gehinderten Amine und ist auf dünne Folien und dünne Platten ausgelegt. Die Schlussfolgerung ist eindeutig: Dosierstufen lassen sich nicht systemübergreifend übertragen – die 8 % eines anderen sind nicht Ihre 8 %.

3Nach Flammwidrigkeitsklasse gerechnet: Der eine Prozentpunkt zwischen V-2 und V-0

Eine noch häufigere Bezugsgröße als das „Substrat“ ist die angestrebte Flammwidrigkeitsklasse. Die eindeutigste Gegenüberstellung in den Unterlagen stammt von R915 (transparenter halogenfreier Flammhemmer speziell für PET/PETG):

UL94 V-2 (1,5 mm): 1 %–2 %; UL94 V-0 (1,0–1,5 mm): 2 %–4 %; bei Bedarf kann durch die Kombination mit einer geringen Menge Phosphor-Stickstoff-Synergist die Dosierung gesenkt werden; die Transparenz bleibt über den gesamten Bereich unbeeinflusst.

(Quelle: Californium Curium – Functional Additives 1.09, PDF S. 58, Druckseite -54-)

Auf derselben Seite werden auch die prozesstechnischen Grenzwerte genannt: „Zylindertemperatur bei Extrusion/Spritzgießen: 240–275 ℃; Düsen-/Werkzeugtemperatur: 60–90 ℃; längeres Heißhalten über 290 ℃ ist untersagt, um eine leichte thermische Zersetzung des Flammhemmers mit Vergilbung zu vermeiden.“

Stellt man diese Zahlen zusammen mit weiteren Modellen in eine Tabelle, wird sofort erkennbar, wie viel zusätzliche Dosierung zwischen V-0 und V-2 erforderlich ist:

Nach Flammwidr…

Modell	Flammwidrigkeitsklasse und Dosierung	Quelle (Druckseite)
R915 (PET/PETG, Phosphorgehalt 18 %)	V-2 (1,5 mm) 1 %–2 %; V-0 (1,0–1,5 mm) 2 %–4 %	-54-
R912B (PET, Phosphorsystem + geringe Menge Stickstoff-Synergist)	1,5 %–5 % → UL94 V-0, LOI auf über 38 % erhöht	-52-
R911 (PE, sterisch gehindertes Amin)	10 %–20 % → UL94 V-2 (Folientypen) / GB/T 2408-2008 FV-2	-49-
R200 (Additiv für Magnesiumhydroxid-/Aluminiumhydroxid-Systeme)	2 % Zusatz (bezogen auf Füllstoffmasse) → UL94 V-0 (0,8 mm Dicke); ohne Zusatz V-2	-46-
M918 (halogenfreier PA6-Nylon-Masterbatch)	8 %–12 % → UL94 V0, Verarbeitungstemperatur ＜ 325 ℃	Masterbatch-Band -3-
M915 (transparenter halogenfreier PETG-Masterbatch)	6 %–10 % → UL94 V0, Verarbeitungstemperatur ＜ 280 ℃	Masterbatch-Band -2-
M911 (halogenfreier PE-Masterbatch)	10 %–25 % → UL94 V1, Verarbeitungstemperatur ＜ 250 ℃	Masterbatch-Band -1-
M933 (halogenfreier PP-Masterbatch)	15–25 %; bei 0,4 mm PP-Platte mit 25 Teilen kein brennendes Abtropfen	Masterbatch-Band -10-

(Quelle: Californium Curium – Functional Additives 1.09, PDF S. 54–58 und S. 50, Druckseiten -50-/-52-/-49-/-46-; Californium Curium – Functional Masterbatch 1.05-4, PDF S. 5–7 und S. 14, Druckseiten -1-/-2-/-3-/-10-)

Beim Lesen dieser Tabelle ist eines zu beachten: Auch bei gleichem Ziel „V-0“ verwendet R915 2 %–4 %, R912B 1,5 %–5 %, R911 zielt nicht auf V-0, sondern auf V-2, und M911 auf UL94 V1. Klasse und Dosierung bilden keine glatte Kurve, sondern werden durch die drei Variablen System, Substrat und Dicke in mehrere Abschnitte zerlegt. Jede Aussage nach dem Muster „mit X % Zusatz erreicht man eine bestimmte Klasse“ muss zugleich diese drei Bedingungen benennen.

4Was im System nach 2 % Zusatz tatsächlich passiert: Die Messwerttabelle für R200

X-Achse = Dimension %; farbiger Streifen = Zielintervall, in das das Objekt fallen kann; Punkte außerhalb des Streifens = nicht erreichbare Anteile.

1832.7547.562.2577%Zielband204060Spitzenwärmefreis…20–30%effektive Ausnutz…60–70%X-Achse gleiche Dimension % ·X-Achsen-Skalierung basierend auf dem Maximum dieses Artikels (20–70 %); Längen nicht direkt über Artikel hinweg vergleichen.

• Zielband
• Spitzenwärmefreis…
• effektive Ausnutz…
• X-Achse gleiche Dimension % ·
• X-Achsen-Skalierung basierend auf dem Maximum dieses Artikels (20–70 %); Längen nicht direkt über Artikel hinweg vergleichen.

• Spitzenwärmefreise…20–30 %
• effektive Ausnutzu…60–70 %

Diagrammdaten (Quelltext wortgetreu)

Objekt	Intervall
Spitzenwärmefreisetzungsrate	20–30 %
effektive Ausnutzung des Flammhemmers	60–70 %

QuelltextSkala 18–77 %

In der Unterlage zum Flammhemmer-Hilfsmittel R200 findet sich eine vollständige Vergleichstabelle „ohne Zusatz vs. 2 % Zusatz“. Sie ist die einzige Stelle in den Unterlagen, an der „wie viel zudosiert“ und „wie viel verbessert“ Punkt für Punkt in derselben Tabelle quantifiziert werden. Die Tabelle wird Zeile für Zeile im Originalwortlaut übernommen:

(Quelle: Californium Curium – Functional Additives 1.09, PDF S. 50, Druckseite -46-; dieselbe Seite auch in Californium Curium – Hyperdispergiermittel-Serie, PDF S. 37, Druckseite -46-)

Die mechanistische Erläuterung auf derselben Seite erklärt, warum diese 2 % wirksam sind: „Organische Phosphorgruppen bilden mit der Hydroxid-Oberfläche kovalente Bindungen, dispergieren die agglomerierten Partikel (mittlere Partikelgröße sinkt von 5 μm auf unter 1 μm) zu nanoskaligen Einheiten und vergrößern die Kontaktfläche zwischen Flammhemmer und Matrix um mehr als das Dreifache; dadurch steigt die Effizienz der Wärmeaufnahme und Temperaturabsenkung während der Verbrennung deutlich.“ Zusätzlich wird ein dreistufiger Schutzmechanismus während der Verbrennung angegeben: Organophosphor zersetzt sich zu einer Phosphorsäure-Kohleschicht (200–300 ℃), die den Wärmetransfer behindert; Magnesiumhydroxid/Aluminiumhydroxid dehydratisiert endotherm (300–450 ℃) und senkt die Matrixtemperatur; Metalloxide und Kohleschicht bilden zusammen eine Sperrschicht, die die Freisetzung brennbarer Gase hemmt.

In der Kennwerttabelle derselben Seite stehen außerdem zwei Zahlen, die unmittelbar mit „wie viel zudosiert“ zusammenhängen: Reduktion der Grenzflächenspannung ≥ 40 % (gegenüber PP-Matrix); Absenkung der Schmelzeviskosität um 15–20 % (bei 60 % Füllstoffsystem). Dazu wird angemerkt, dass der Effekt „einen höheren Füllstoffgehalt zulässt (maximal 60 %) und die Flammhemmer-Dosierung um 20 % erhöht werden kann“.

Der nächste Abschnitt der R200-Unterlage nennt drei Szenarien, in denen Prozentangaben in Ergebnisse an der Produktionslinie übertragen werden. Die quantitativen Teile werden hier im Originalwortlaut übernommen:

Elektro & Elektronik-Gehäuse: Bei Zugabe von 2 % dieses Produkts in einem PP-Flammhemmsystem zusammen mit 60 % Magnesiumhydroxid erreicht der Fertigartikel UL94 V-0 (1,5 mm); zugleich steigt die Wärmeformbeständigkeitstemperatur um 10 ℃.

Automobil-Innenraumteile: In einem PE-basierten Verbundwerkstoff steigt der Sauerstoffindex durch dieses Produkt von 24 % auf 30 %; damit wird der Automobil-Standard FMVSS 302 erfüllt (Verbrennungsgeschwindigkeit ≤ 100 mm/min).

Kabelisolierung

In einem PVC-System steigt die Vertikalbrennprüfung von V-1 auf V-0; die Rauchdichte sinkt um 15 % (geprüft nach GB/T 8323.2).

(Quelle: Californium Curium – Functional Additives 1.09, PDF S. 51, Druckseite -47-)

Beachten Sie, dass die beiden Zahlen in der ersten Zeile zusammengehören: 2 % Additiv + 60 % Magnesiumhydroxid. Wer sich nur „2 % Zusatz“ merkt und die 60 % Füllstoffgehalt übersieht, kann dieses Ergebnis nicht reproduzieren.

5Auf der Seite „8 % Zusatz“: Drei aus den Unterlagen ablesbare Kostenfaktoren

Vorab eine Klarstellung: Die Unterlagen enthalten keine eigene Vergleichsreihe speziell für „8 % Zusatz“. Deshalb werden in diesem Beitrag keine Leistungswerte für 8 % erfunden. Aber die drei Kennwerte auf der M922-Seite machen die drei Punkte sichtbar, die bei hohen Dosierstufen zwingend beachtet werden müssen:

1. 01Spezifisches Gewicht 1,10 g/cm³. Ein Masterbatch ist kein reines Harz: Je höher die Dosierung, desto größer ist der Anteil nicht harzartiger Bestandteile im Fertigartikel. Im selben Band betragen die Werte für M915 1,21 g/cm³, für M918 1,22 g/cm³ und für M911 0,89 g/cm³ (Quelle: Masterbatch-Band -2-/-3-/-1-). Praxishinweis: Die Dosierung wird als Massenprozent angegeben, der Fertigartikel wird jedoch nach Volumen geformt. Ein Additiv mit höherem spezifischem Gewicht beansprucht bei gleichem Massenprozent einen größeren Volumenanteil – bei der Kalkulation von Flächengewicht und Kosten darf nicht allein nach dem Massengefühl geschätzt werden. (Redaktionelle Anmerkung dieser Website)
2. 02Zersetzungstemperatur 230 ℃ (TGA 1 %). Dies ist die Kennwertzeile von M922 selbst. Zusammen mit der üblichen Verarbeitungstemperatur von PP betrachtet, erfordert die 8-%-Stufe noch stärker als die 3,5-%-Stufe eine konsequente Überwachung von Temperaturprofil und Verweilzeit. (Redaktionelle Anmerkung dieser Website)
3. 03Effektiver Flammhemmer-Gehalt 25. Der wirksame Anteil im Masterbatch ist fix; wer durch höhere Zugabemengen eine bessere Flammwidrigkeitsklasse erkauft, trägt zwangsläufig mehr nicht harzartige Bestandteile in das System ein. (Quelle: Masterbatch-Band -9-)

(Quelle: Californium Curium – Functional Masterbatch 1.05-4, PDF S. 13, Druckseite -9-; S. 5–6, Druckseiten -1-/-2-; S. 7, Druckseite -3-)

6Vier Mechanismen, warum „mehr“ schlechter sein kann (Originaltext der Unterlage)

Aus dem Text verschobenVariablen und Belege · ganze Tabelle

Prüfposition	ohne Dispergiermittel	mit 2 % R200	Effizienzsteigerung
Sauerstoffindex (LOI)	24–26 %	28–32 %	+16,7 %–+23,1 %
Spitzenwärmefreisetzungsrate	350–400 W/g	280–320 W/g	Reduktion um 20 %–30 %
UL94 Vertikalbrennprüfung	V-2	V-0 (0,8 mm Dicke)	direkte Erhöhung um 1 Klasse
effektive Ausnutzung des Flammhemmers	60–70 %	über 90 %	Steigerung um mehr als 30 %

Dies ist der wichtigste Abschnitt des vorliegenden Beitrags. In der Unterlage sind vier Stellen ausdrücklich benannt, an denen „mehr“ zu schlechteren Ergebnissen führt; jede Stelle ist mit Originaltext und Seitenzahl belegt.

Mechanismus 1: Brückenflockung (klassischer Wendepunkt zwischen Dispergiermittel und Pigment). Der Oberflächenbehandlungsversuch von R1800-SH an Ruß liefert eine vollständige Kurve: „Mit zunehmender Dosierung des Hyperdispergiermittels R1800-SH steigt die optische Dichte allmählich an und erreicht ein Maximum; bei weiterer Zugabe fällt sie danach steil ab. Bei 3 % Hyperdispergiermittel erreicht die optische Dichte der Folie mit 0,487 ihr Maximum.“ Die Ursache ist in der Unterlage ebenfalls benannt: „Zu Beginn nimmt mit steigendem Gehalt an R1800-SH die Zahl der auf der Pigmentoberfläche adsorbierten Ankergruppen zu und erreicht bei 3 % die Sättigung … Bei weiterer Zugabe entsteht durch Wechselwirkungen zwischen den Hyperdispergiermitteln eine ‚Brückenflockung‘; die Pigmentteilchen flocken durch Verschlaufung der Solvatationsketten der Hyperdispergiermittel aus, sodass die optische Dichte wieder abfällt.“ Im selben Band liegt der Wendepunkt im entsprechenden Versuch von R1800-SK an Titandioxid bei 1,6 %, bei einer optischen Dichte von 0,386. (Quelle: Hyperdispergiermittel-Serie, PDF-Seite 10, Druckseite -19-; Seite 7, Druckseite -16-)

Mechanismus 2: Füllstoffüberladung (Versagen der Umhüllung im Flammhemmer-Masterbatch). Originaltext R200, „Wichtige Hinweise zur Verarbeitung“: „Bei der Masterbatch-Herstellung wird ein Füllstoffgehalt von 60–70 % empfohlen; ein zu hoher Füllstoffgehalt (>80 %) kann die Umhüllungswirkung des Dispergiermittels beeinträchtigen und zu einem Rückgang der Flammschutzeffizienz führen.“ (Quelle: Californium Curium – Funktionsadditive 1.09, PDF-Seite 51, Druckseite -47-)

Mechanismus 3: Systembedingte Verbote (je höher die Zugabe, desto deutlicher die Nebenwirkungen). Drei Punkte sind in die Rezepturprüfung aufzunehmen: R940 „darf nicht in additionsvernetzenden Silikonsystemen (Platinkatalyse) eingesetzt werden; es besteht ein Toxizitätsrisiko“; R912 „ist ein tropfender Flammhemmer; wenn kein Abtropfen zulässig ist, darf das Produkt nur als Flammschutz-Synergist in Kombination eingesetzt werden“; M911 „sollte in der Rezeptur möglichst nicht mit brennbaren bzw. brandfördernden Komponenten wie Wachsen, Estern oder Aluminiumoxid kombiniert werden; auch die Kombination mit Antidripping-Mitteln ist unzulässig; es ist nicht für glasfaserverstärkte Systeme geeignet. Ist eine Kombination unvermeidbar, ist zunächst durch Versuche zu bestätigen, dass die Produktanforderungen erfüllt werden.“ (Quelle: Californium Curium – Funktionsadditive 1.09, PDF-Seite 60, Druckseite -56-; Seite 55, Druckseite -51-; Californium Curium – Funktionsmasterbatch 1.05-4, PDF-Seite 5, Druckseite -1-)

Mechanismus 4: Das Verarbeitungsfenster wird aufgezehrt. Je höher die Dosierung, desto stärker muss Dispergierung über Temperatur erkauft werden – und jedes Produkt hat eine Temperaturobergrenze: R915 „darf nicht dauerhaft über 290 ℃ bei langer Verweilzeit gehalten werden, um leichte thermische Degradation und Vergilbung des Flammhemmers zu vermeiden“; R912B „empfohlene Verarbeitungstemperatur 230 ℃–280 ℃ (20–30 ℃ unter der üblichen PET-Verarbeitungstemperatur)“; R200 „für PP-Matrix wird eine Verarbeitungstemperatur von 180–200 ℃ empfohlen; hohe Temperaturen (>220 ℃) sind zu vermeiden, da sie zur Zersetzung der Organophosphor-Komponente führen und die synergistische Flammschutzwirkung beeinträchtigen“; R940 „sollte nicht länger als 120 ℃ erwärmt werden, um Selbstpolymerisation zu verhindern“; R333 „Verarbeitung bei extrem hohen Temperaturen (>280 ℃) ist strengstens untersagt“. (Quelle: Californium Curium – Funktionsadditive 1.09, PDF-Seite 58, Druckseite -54-; Seite 56, Druckseite -52-; Seite 51, Druckseite -47-; Seite 60, Druckseite -56-; Seite 88, Druckseite -84-)

7Die Reißverschlussbeziehung zwischen Dosierung und drei weiteren Variablen

Fasst man alle Aussagen der Unterlage zusammen, die mit der Dosierung wechselwirken, wird deutlich, warum „wie viel“ niemals isoliert entschieden werden kann:

Liest man diese Tabelle vertikal, ergibt sich ein Reißverschluss: Zieht man ein Feld nach rechts (höhere Dosierung), bewegt sich das Feld „Flammwidrigkeitsklasse“ – und mit ihm die Felder Mechanik, Oberfläche, Verarbeitungsfenster und Flächengewicht. In der Unterlage gibt es keine Stelle, an der es heißt: „nur besser werden, ohne dass sich etwas anderes verändert“.

8Vier praktische Vorgehensweisen zur Ermittlung der Dosierung (alle mit Quellenangabe)

1. 01Zuerst Tabelle prüfen, dann ansetzen. Die Dosierung von R1800-S wird anhand von Ölabsorptionswert und Partikelgröße des Pulvers bestimmt: Calciumcarbonat 800 Maschenweite 0,2 %, 1250 Maschenweite 0,3 %, 1500 Maschenweite 0,35 %, 3000 Maschenweite 0,5 %; Talkum 800 Maschenweite 0,32 %, 1250 Maschenweite 0,38 %, 1500 Maschenweite 0,47 %, 3000 Maschenweite 1 %; Kaolin 800 Maschenweite 0,3 %, 1250 Maschenweite 0,35 %, 1500 Maschenweite 0,45 %, 3000 Maschenweite 0,8 %; bei anorganischen/organischen Pigmenten (z. B. Ruß, Titandioxid, Ultramarin, Chromgelb usw.) liegt die Dosierung bei ca. 0,3–1,2 %, anzupassen nach der tatsächlichen Rezeptur. (Quelle: Hyperdispergiermittel-Serie, PDF-Seite 2, Druckseite -11-)
2. 02Zuerst vorbehandeln, dann compoundieren. Originaltext R200, „Empfohlene Prozessführung“: „Das Produkt wird mit dem Hydroxid im Verhältnis 1:50 in einem Hochgeschwindigkeitsmischer vorbehandelt (1200 rpm, 15 Minuten); dadurch lässt sich eine Umhüllungsrate der Füllstoffoberfläche von über 95 % erreichen, und die Dispergiergleichmäßigkeit des Flammhemmers steigt um 40 %.“ Auf derselben Seite findet sich ein weiterer Punkt: Bei der Füllstoff-Vorbehandlung können zusätzlich 3 % Silan-Haftvermittler eingesetzt werden, um eine doppelte Grenzflächenmodifizierung „Organophosphor–Silan“ zu erzeugen. (Quelle: Californium Curium – Funktionsadditive 1.09, PDF-Seite 51, Druckseite -47-)
3. 03Zuerst Masterbatch herstellen, dann einmischen. R915, „Hinweise zum Mischen“: „Masterbatch-Herstellung: Es kann zunächst ein PET/PETG-Flammhemmer-Masterbatch mit 20 %–30 % Konzentration hergestellt werden; das ist einfacher in der Handhabung und ergibt eine bessere Dispergierung.“ Für R100 werden drei Zugabeverfahren genannt: Direktzugabe, Vorbehandlung und Direktvermahlung („R100 wird entsprechend dem Verhältnis als Mahlhilfe zusammen mit dem Erz direkt in die Vertikal-Strahlmühle gegeben; das Mahlgut ist ein aktiviertes Pulver, dessen Eigenschaften die einer reinen Mahlhilfe deutlich übertreffen“). (Quelle: Californium Curium – Funktionsadditive 1.09, PDF-Seite 58, Druckseite -54-; Seite 48, Druckseite -44-)
4. 04Abschließend über Kleinversuche festlegen. Die Unterlage wiederholt bei mehreren Produkten denselben Satz: R911 „Die optimale Dosierung ist konkret durch Kleinversuche zu bestimmen“; R912B „Die optimale Dosierung ist konkret durch Kleinversuche zu bestimmen“; bei R915 lautet die Anmerkung: „Bei unterschiedlichen Dicken des Fertigartikels, Anlagentechnik und Prozess sowie Synergiesystem kann die Dosierung geringfügig angepasst werden; dem Kunden wird empfohlen, das Optimum vorab durch Kleinversuche zu ermitteln“; die Lager- und Anwendungshinweise zu R218 folgen derselben Linie. (Quelle: Californium Curium – Funktionsadditive 1.09, PDF-Seite 53, Druckseite -49-; Seite 56, Druckseite -52-; Seite 58, Druckseite -54-)

Zweite Parametergruppe mit ebenfalls erheblichem Einfluss: Feuchte und Haltbarkeit

Der Prozentsatz auf dem Rezepturblatt ist die Zahl, die „eingewogen“ wird – nicht die Zahl, die „wirksam“ wird. Die Unterlage wird an dieser Stelle sehr konkret:

Substratfeuchte

R915 fordert „PET/PETG-Substrat vorab 4–6 h bei 120 ℃ trocknen, Feuchtegehalt ≤0,03 %, um hydrolytisches Weißanlaufen in der Verarbeitung zu verhindern“.

Feuchteschutz des Additivs selbst: R911 „nach dem Öffnen dicht verschlossen lagern, um Feuchtigkeitsaufnahme und damit eine Beeinträchtigung der Dispergierbarkeit zu vermeiden“; M933 Lagerbedingung „kühler, trockener Ort, vor Feuchtigkeit geschützt“.

Haltbarkeit

R911, R912, R912B und R915 jeweils 12 Monate bei dichter Lagerung und Raumtemperatur; R940 6 Monate bei dichter Lagerung, mit dem Zusatz „nach Ablauf der Haltbarkeit zunächst einen Kleinversuch durchführen und erst nach Bestätigung von Gelfreiheit und normaler Viskosität verwenden“; R218 bei Raumtemperatur im Allgemeinen 2 Jahre; R333 24 Monate, zudem „nach dem Öffnen möglichst innerhalb eines Monats verbrauchen; feucht verklumptes Material kann getrocknet und zerkleinert und danach ohne Leistungseinbuße verwendet werden“.

(Quelle: Californium Curium – Funktionsadditive 1.09, PDF-Seite 58, Druckseite -54-; Seite 53, Druckseite -49-; Seite 60, Druckseite -56-; Seite 61, Druckseite -57-; Seite 88, Druckseite -84-; Californium Curium – Funktionsmasterbatch 1.05-4, PDF-Seite 14, Druckseite -10-)

Redaktioneller Hinweis: Feuchtigkeitsbedingt verklumpte Pulver lassen sich im Hochgeschwindigkeitsmischer häufig nicht mehr ausreichend aufschließen; die im Harz tatsächlich wirksame Dosierung liegt dann unter der Zahl auf dem Rezepturblatt. Wenn in einem solchen Fall die Dosierung von 2 % auf 3 % erhöht wird, ist oft nicht das eine Prozent ausschlaggebend, sondern der Schritt Trocknung und Mischen. (Standpunkt dieser Website)

Ein Rechenbeispiel, das den „Reißverschluss“ einmal durchzieht: R915 von 1 % auf 4 %

Wendet man die Regeln der Abschnitte 1 bis 7 auf R915 an, treten bei einer Erhöhung von 1 % auf 4 % gleichzeitig vier Effekte auf – alle mit Seitenzahl belegbar:

1. 01Das Feld „Flammwidrigkeitsklasse“ bewegt sich: aus dem Bereich 1 %–2 % für V-2 (1,5 mm) in den Bereich 2 %–4 % für V-0 (1,0–1,5 mm).
2. 02Beim Feld „Transparenz“ gibt die Unterlage eine klare Aussage vor: Bei R915 ist vermerkt: „kein negativer Einfluss auf Lichtdurchlässigkeit und Trübung des Substrats“; im selben Band heißt es bei R912 „Rückgang der Substrat-Lichtdurchlässigkeit um ca. 20 %“ und bei R912B „nur ca. 20 % Transmissionsverlust“ – die drei Transparenz-Routen haben also unterschiedliche optische Kosten; bei der Dosierungswahl ist die jeweilige Produktaussage der Unterlage zugrunde zu legen.
3. 03Das Feld „Verarbeitungsfenster“ bleibt unverändert, muss aber umso genauer überwacht werden: Die Zylindertemperaturen von 240–275 ℃ und das Verbot „nicht dauerhaft über 290 ℃ bei langer Verweilzeit halten“ sind Produktgrenzen und erweitern sich nicht mit der Dosierung.
4. 04Die Felder „Kosten und Flächengewicht“ folgen der Struktur aus Abschnitt 5: Je höher die Dosierung, desto größer ist der Anteil an Nicht-Harz-Bestandteilen in der Rezeptur.

(Quelle: Californium Curium – Funktionsadditive 1.09, PDF-Seite 58, Druckseite -54-; Seite 57, Druckseite -53-; Seite 55, Druckseite -51-; Seite 56, Druckseite -52-)

9Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F1: Sollen nun 2 % oder 8 % zugegeben werden? Zunächst sind drei Fragen zu beantworten: Auf wessen Nenner bezogen, ist die Matrix Homopolymer oder Copolymer, und ist die Zielklasse V-2 oder V-0? Ohne Antworten auf diese drei Fragen bleiben 2 % und 8 % bloße Adjektive. Die direkteste Antwort in der Unterlage sind die drei Dosierungsstufen von M922: Homopolymer 3,5 %, Homopolymer-Copolymer-Mischung 4–6 %, Copolymer 8 %. (Quelle: Masterbatch-Band -9-)

F2: Ist mehr Flammhemmer immer besser? Nicht unbedingt. Die Unterlage liefert zwei Wendepunktkurven: R1800-SH auf Ruß erreicht bei 3 % die maximale optische Dichte (0,487) und fällt danach „steil ab“; R1800-SK auf Titandioxid hat den Wendepunkt bei 1,6 % (optische Dichte 0,386). (Quelle: Hyperdispergiermittel-Serie, PDF-Seite 10, Druckseite -19-; Seite 7, Druckseite -16-)

F3: Warum gibt es einen Wendepunkt? Die Unterlage erklärt dies mit „Brückenflockung“: Bis zum Sättigungspunkt werden zunehmend Ankergruppen auf der Pigmentoberfläche adsorbiert; jenseits des Sättigungspunkts kommt es durch Wechselwirkungen zwischen den Hyperdispergiermitteln zur Brückenflockung, und die Teilchen flocken durch Verschlaufung der Solvatationsketten aus, sodass die Eigenschaften wieder abfallen. (Quelle: ebenda)

F4: Gehen bei höherer Flammhemmer-Dosierung die mechanischen Eigenschaften zurück? Die Unterlage spricht bei diesen Produkten von „geringfügigem Einfluss“, nicht von „keinem Einfluss“: R912B „beeinflusst die mechanischen Eigenschaften von PET (z. B. Zugfestigkeit, Schlagzähigkeit) nur geringfügig“; R915 „verringert Schlag-, Zug- und Biegeeigenschaften von PET/PETG nicht merklich“. Keines der Modelle nennt eine quantifizierte Retentionsrate (diese Angabe ist in der Unterlage nicht enthalten; ein separater Prüfbericht kann ergänzt werden).

F5: Wie sind die Kosten zu kalkulieren? Die Unterlage enthält keinerlei Daten zu Dosierung und Kosten; der vorliegende Beitrag behandelt ebenfalls keine Preisinformationen. Festhalten lässt sich nur die Struktur: Die Dosierung bestimmt den Anteil an Nicht-Harz-Bestandteilen in der Rezeptur, und dieser Anteil beeinflusst zugleich die Kosten je Gewichtseinheit und das Flächengewicht des Fertigartikels (siehe Zeile „spezifisches Gewicht“ in Abschnitt 5). (Standpunkt dieser Website + diese Angabe ist in der Unterlage nicht enthalten)

F6: Lassen sich Masterbatch-Dosierung und Dosierung pulverförmiger Additive umrechnen? Nein, eine direkte Umrechnung ist nicht möglich. Ein Masterbatch ist ein Zwischenprodukt, bei dem der Wirkstoff zuerst in ein Trägerharz eindispergiert wird: Der „effektive Flammhemmer-Gehalt 25“ bei M922 und die Rezepturstrukturen von M915/M918 zeigen, dass das Masterbatch einen eigenen Träger enthält; R200 und R100 hingegen werden als Pulver- bzw. Flüssigadditive auf die Füllstoffmasse bezogen. Die Nenner sind verschieden, und der Wirkstoffgehalt der Masterbatches unterscheidet sich je nach Produkt. (Quelle: Masterbatch-Band -9-; Californium Curium – Funktionsadditive 1.09, Seite 48, Druckseite -44-)

F7: Warum kann die Dosierungsrichtung bei ein und demselben Produkt für dünne und dicke Fertigartikel gegensätzlich sein? In der Unterlage kommen tatsächlich beide Richtungen vor: M933 „je dünner das Fertigartikel, desto besser die Flammschutzwirkung und desto geringer die Zugabemenge“ (PP-System, Phosphorbasis + Synergist, Masterbatch-Form); R911 „je dünner das Fertigartikel, desto eher wird eine Erhöhung der Dosierung empfohlen“ (PE-System, sterisch gehindertes Amin, Pulverform). Die jeweiligen Wirkmechanismen sind nicht auf derselben Seite beschrieben; der vorliegende Beitrag stellt beide Aussagen entsprechend dem Original nebeneinander, ohne eine vereinheitlichende Erklärung zu geben (die Wirkmechanismen der beiden Dicken-Dosierungs-Kurven sind in der Unterlage nicht enthalten).

F8: Welcher Parameter wird beim Einstellen der Dosierung zuerst verändert? Die Unterlage nennt an erster Stelle Vorbehandlung und Mischen (R200: 1:50/1200 rpm/15 Minuten; R915: Trocknung bei 120 ℃/4–6 h und Vormischen 5–8 min), weil diese unmittelbar darüber entscheiden, ob ausreichend aufgeschlossen wird. Eine nicht ausreichend dispergierte Dosierung ist auch in großer Menge Verschwendung – genau das besagt die Zeile „effektive Ausnutzung des Flammhemmers“ bei R200, die von 60–70 % auf über 90 % steigt. (Quelle: Californium Curium – Funktionsadditive 1.09, PDF-Seite 51, Druckseite -47-; Seite 50, Druckseite -46-; Seite 58, Druckseite -54-)

F9: Wie sind die beiden Zahlen „effektiver Flammhemmer-Gehalt“ und „Zugabeverhältnis“ beim Masterbatch gemeinsam anzuwenden? Es handelt sich um zwei verschiedene Zahlenzeilen: Der effektive Flammhemmer-Gehalt beschreibt die Konzentration im Masterbatch selbst (bei M922 mit 25 angegeben), das Zugabeverhältnis beschreibt den Anteil des Masterbatches im Harz (3,5 % / 4–6 % / 8 %). Die Praxisregel lautet: Masterbatch-Konzentration konstant halten, die Klasse über die Zugabemenge wechseln; eine Umrechnungsformel zwischen beiden nennt die Unterlage nicht (diese Angabe ist in der Unterlage nicht enthalten). (Quelle: Californium Curium – Funktionsmasterbatch 1.05-4, PDF-Seite 13, Druckseite -9-)

F10: Muss bei einer Erhöhung der Dosierung auf 8 % die Verarbeitungstemperatur angepasst werden? Die in der Unterlage genannten Verarbeitungstemperaturen sind Produktgrenzen und erweitern sich nicht mit der Dosierung: die Zersetzungstemperatur von M922 beträgt 230 ℃ (TGA 1 %), der Schmelzindex 15 g/min (200 ℃, 5 kg); M911 <250 ℃, M915 <280 ℃, M918 <325 ℃. Je höher die Dosierung, desto strikter sind Obergrenze und Verweilzeit einzuhalten – dies ist Konsens in der Praxis und zugleich der Grund, warum die Unterlage Zersetzungstemperatur und Verarbeitungstemperatur auf derselben Seite nebeneinanderstellt. (Quelle: Californium Curium – Funktionsmasterbatch 1.05-4, PDF-Seite 13, Druckseite -9-; Seite 5–7, Druckseite -1-/-2-/-3-)

10Datenquellen (einzeln rückverfolgbar)

Datenquellen (…

#	Daten / Zitat	Unterlage	PDF-Seite	Druckseite
1	R100: empfohlene Dosierung 0,5 %-3 % bezogen auf die Masse anorganischer Füllstoffe; drei Zugabeverfahren	Californium Curium – Funktionsadditive 1.09	S. 48	-44-
2	R100A: empfohlenes Zugabeverhältnis 3 ‰ bis 10 ‰ (Calciumcarbonat 3 ‰-7 ‰ usw.)	Californium Curium – Funktionsadditive 1.09	S. 49	-45-
3	R200: 1-3 % bezogen auf die Füllstoffmasse, empfohlen 2 %; bei einer spezifischen Oberfläche >20m²/g auf 3 % erhöhen	Californium Curium – Funktionsadditive 1.09	S. 51	-47-
4	R200: Vergleichstabelle bei 2 % mit vier Zeilen (LOI, Spitzenwärmefreisetzungsrate, UL94, effektive Ausnutzung) und drei technische Kennwerte	Californium Curium – Funktionsadditive 1.09	S. 50	-46-
5	R200: quantifizierte Ergebnisse für drei Szenarien, Vorbehandlungsprozess, Füllstoffgehalt 60-70 %, Viskosität und Grenzflächenspannung	Californium Curium – Funktionsadditive 1.09	S. 51	-47-
6	R1800-S: Dosierungstabelle (drei Pulverarten × vier Maschenweiten-Stufen + Pigment 0,3-1,2 %), Ausschlusskriterien	Californium Curium – Hyperdispergiermittel-Serie	S. 2	-11-
7	R1800-S: Kunststoff-Fertigartikel 0,5 %—1 %	Californium Curium – Hyperdispergiermittel-Serie	S. 4	-13-
8	R1800-SK: Versuch mit Titandioxid (TiO₂): Wendepunkt 1,6 %, optische Dichte 0,386	Californium Curium – Hyperdispergiermittel-Serie	S. 7	-16-
9	R1800-SH: Ruß-Versuch: Wendepunkt 3 %, optische Dichte 0,487, Erklärung zur Brückenflockung	Californium Curium – Hyperdispergiermittel-Serie	S. 10	-19-
10	R911: Dosierung 10 %-20 % und Dickenangabe, Kleinprobentest	Californium Curium – Funktionsadditive 1.09	S. 53	-49-
11	R912: substratabhängige Dosierung (TPU 2 %–7 %, PETG/PET 1,5 %–3 %), Beschränkung auf tropfende Typen, Abnahme der Lichtdurchlässigkeit um ca. 20 %	Californium Curium – Funktionsadditive 1.09	S. 54–55	-50-/-51-
12	R912B: Dosierung 1,5 %-5 %, V-0, LOI ≥38 %, Verarbeitungstemperatur 230-280 ℃	Californium Curium – Funktionsadditive 1.09	S. 56	-52-
13	R915: abgestufte Dosierung, Verarbeitungstemperatur und Verbot von >290 ℃	Californium Curium – Funktionsadditive 1.09	S. 58	-54-
14	R940: zwei Dosierungsvarianten, V-0 bei Gesamtphosphor 1,5-3,0 %, Temperatur und Ausschlusskriterien	Californium Curium – Funktionsadditive 1.09	S. 60	-56-
15	R902: Kunststoff-Fertigartikel 0,5 %—5 %	Californium Curium – Funktionsadditive 1.09	S. 71	-67-
16	R333: abgestufte Dosierung (0,5 %-1,2 % / 1,2 %-1,8 %) und Verbot von >280 ℃; Migrationsrate ≤0,05 %	Californium Curium – Funktionsadditive 1.09	S. 87–88	-83-/-84-
17	R218: Dichte ca. 2,6–3,2 g/cm³	Californium Curium – Funktionsadditive 1.09	S. 61	-57-
18	M922: drei Dosierungsstufen und vollständige physikalische Eigenschaften (spezifisches Gewicht 1,10, Zersetzungstemperatur 230 ℃, Wirkstoffgehalt 25)	Californium Curium – Funktions-Masterbatch 1.05-4	S. 13	-9-
19	M933: Referenzdosierung 15-25 %, 0,4-mm-Platte mit 25 Teilen tropft nicht und entzündet die Watte nicht, Dickenangabe	Californium Curium – Funktions-Masterbatch 1.05-4	S. 14	-10-
20	M911/M915/M918: Zugabeverhältnis und Verarbeitungstemperatur, spezifisches Gewicht, Schmelzindex (MFI)	Californium Curium – Funktions-Masterbatch 1.05-4	S. 5–7	-1-/-2-/-3-

Hinweis: Alle Zahlenwerte und Zitate in diesem Text stammen ausschließlich aus den in der obigen Tabelle genannten Unterlagen; nicht in den Unterlagen aufgeführte Punkte sind im gesamten Text jeweils als „Diese Angabe ist in der Unterlage nicht aufgeführt“ gekennzeichnet. Dieser Text enthält keine Preisangaben, Kundennamen oder Wirkungsversprechen; Sätze mit der Kennzeichnung „Redaktioneller Hinweis dieser Website“ sind Hinweise der Redaktion und nicht Originaltext der Unterlage.

11Abgrenzung der Unterlagen

1. 01Der Abstufungsmechanismus der drei Stufen von M922 (Homopolymer 3,5 % / Blend 4-6 % / Copolymer 8 %) und die jeweils zugehörigen Dickenbedingungen.
2. 02Die vollständige Übersicht der Prüfdicken, die Probekörperherstellung und die Prüfinstitute für die Einstufung „V-0 / V-2“ der einzelnen Modelle.
3. 03Quantifizierte Erhaltungsraten der mechanischen Eigenschaften nach Erhöhung der Dosierung (prozentuale Erhaltung von Zugfestigkeit und Schlagzähigkeit) – in den vorliegenden Unterlagen finden sich dazu derzeit nur qualitative Angaben wie „geringer Einfluss“.
4. 04Mechanistische Erläuterungen zu den beiden gegenläufigen Aussagen „je dünner die Dicke, desto geringer das Zugabeverhältnis“ (M933) und „je dünner die Dicke, desto eher wird eine angemessene Erhöhung der Dosierung empfohlen“ (R911).
5. 05Beliebige Dosierungs-Kosten-Daten (wie gefordert enthält dieser Text keine Preisangaben).
6. 06Die vollständige Tabelle der physikalisch-chemischen Kennwerte von R912B (derzeit liegen nur Mechanismus- und Leistungsbeschreibungen vor).