R1800-SK und R900A zur Dispergierung von Flammschutzmitteln ohne Beeinträchtigung der Flammfestigkeit

R1800-SK und R900A können bei jedem Flammschutzmittel eingesetzt werden und bei jedem Flammschutz-Masterbatch – in jeder Form: Pulveradditive, flüssige Additive, körniges Flammschutz-Masterbatch. Die Dispergierung ist erreichbar, und die Flammschutzwirkung bleibt unbeeinträchtigt. Das ist kein Slogan. Der folgende Beitrag zeigt, warum das so ist – mit dem Wirkmechanismus und mit den Messdaten aus den technischen Handbüchern.

1Zunächst das zu lösende Problem

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Das Masterbatch ist hergestellt, und dennoch springt der UL94-Wert zwischen V-2 und V-0; das Tropfverhalten ist instabil, die Farbe läuft fleckig. In der Praxis wird üblicherweise bei der Charge des Flammschutzmittels, der Schneckenkonfiguration oder einer verlängerten Verweilzeit angesetzt – doch das Problem liegt häufig nicht im Flammschutzmittel selbst.

Flammschutzmittel sind zum überwiegenden Teil im Harz unlösliche Feststoffpulver: Bromsysteme sind kristalline Pulver, Phosphorsysteme weiße Pulver oder Kristalle, Stickstoffsysteme nadel- oder plättchenförmige Kristalle, anorganische Hydroxide Mineralpulver. Im Harz müssen sie „bis auf die Primärteilchenebene aufgetrennt und dort gehalten" werden, damit die Flammschutzeffizienz der Zugabemenge entspricht. Agglomeriert das Pulver, steht bei derselben Zugabemenge von 15% deutlich weniger wirksame Oberfläche für den Flammschutz zur Verfügung – das äußert sich als „gleiche Rezeptur, unterschiedliche Klasse je Charge".

Dispergiermittel leisten genau das: Sie halten die Pulverpartikel im Schmelzestrom auf Abstand.

Und hier besteht die übliche Sorge: Dispergiermittel sind organische Stoffe – beeinträchtigt ihre Zugabe in ein Flammschutzsystem dessen Flammschutzwirkung? Kaicu beantwortet das mit dem Wirkmechanismus und mit Messdaten, nicht mit Parolen.

2Wie R1800-SK das Pulver auftrennt

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Die Molekülstruktur von R1800-SK besteht aus zwei Teilen; das Handbuch formuliert es so:

• Ankergruppe (-COOH) – eine polare Gruppe, die über Ionenbindungen, Wasserstoffbrücken und van-der-Waals-Kräfte an der Pulveroberfläche adsorbiert. Das Handbuch betont die „feste Adsorption" und die „Verhinderung der Desorption von R1800-SK".
• Solvatationskette – ragt in das Medium und bestimmt die Stabilität nach der Dispergierung.

Entscheidend ist die Temperatur. Das Handbuch hält fest: Unter 70℃ schmilzt die Umhüllungsschicht nicht; über 70℃ beginnt sie zu schmelzen, geht in eine ionische Kopplung über und verbessert die Verträglichkeit mit dem Harz.

Das ist kein beiläufig notiertes Detail. In der Pulverstufe wird „fest umhüllen, nicht erneut agglomerieren" verlangt, bei Schmelztemperatur dagegen „freigeben und mit dem Harz verträglich werden" – zwei gegenläufige Anforderungen, die R1800-SK mit einem einzigen Temperaturumschaltpunkt gleichzeitig erfüllt.

Der Mechanismus der stabilen Dispergierung ist im Handbuch ebenfalls konkret beschrieben: Nähern sich mit R1800-SK belegte Pigmentpartikel einander, stoßen sie sich durch die Abstoßung der Adsorptionsschicht gegenseitig ab – nicht durch fortwährendes Rühren, sondern weil die Adsorptionsschicht den Abstand selbst aufrechterhält.

3Was diese beiden Dispergiermittel sind

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Was diese beid…

Merkmal	R1800-SK	R900A
Produktpositionierung	Hyperdispergiermittel-Serie auf Polyolefinether-Basis	Gesamtproduktkatalog · Linie der flüssigen Farbmasterbatches
Ionentyp	nichtionisch	nichtionisch
Aussehen	blaue pastöse Masse	nicht angegeben
Dichte	1.190 g/cm³	nicht angegeben
Viskosität	980–3600 mPa·s	nicht angegeben
Säurezahl	6.8–7 mgKOH/g	nicht angegeben
Aminzahl	≦9 mgKOH/g	nicht angegeben
Flammpunkt	285℃	nicht angegeben
Dispersionsgrad	III	nicht angegeben
Verträglichkeit	sehr gut verträglich mit allen Gummiarten und Kunststoffen	für nahezu jeden Kunststoff und jedes Gummi geeignet

Beide sind nichtionisch. Das ist die Voraussetzung, auf der dieser Beitrag beruht – nichtionische Produkte tragen keine Ladung und konkurrieren nicht mit ionischen Komponenten im Flammschutzsystem.

4Welche Flammschutzmittel es gibt und warum ein Wechsel die Flammschutzwirkung nicht beeinträchtigt

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

270297.5325352.5380℃Zielband275300325350375Bromsysteme335–345℃Anorganische Syst…300–320℃X-Achse gleiche Dimension ℃ ·X-Achsen-Skalierung basierend auf dem Maximum dieses Artikels (300–345 ℃); Längen nicht direkt über Artikel hinweg vergleichen.

• Zielband
• Bromsysteme
• 335–345℃
• Anorganische Syst…
• 300–320℃
• X-Achse gleiche Dimension ℃ ·
• X-Achsen-Skalierung basierend auf dem Maximum dieses Artikels (300–345 ℃); Längen nicht direkt über Artikel hinweg vergleichen.

• Bromsysteme335–345 ℃
• Anorganische Syste…300–320 ℃

Diagrammdaten (Quelltext wortgetreu)

Objekt	Intervall
Bromsysteme	335–345 ℃
Anorganische Systeme	300–320 ℃

QuelltextSkala 270–380 ℃

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Das ist die Kernfrage dieses Beitrags. Die Sorge „Beeinträchtigt das Dispergiermittel den Flammschutz?" stammt meist aus einer impliziten Annahme: Zwischen dem Dispergiermittel und einem bestimmten Flammschutzmittel könne eine chemische Wechselwirkung bestehen. Um zu prüfen, ob diese Annahme zutrifft, sind die Flammschutzmittel zunächst nach Wirkmechanismus zu ordnen; danach ist zu sehen, in welchen Schritt das Dispergiermittel eingreift.

Nach chemischer Zusammensetzung und Wirkmechanismus lassen sich industrielle Flammschutzmittel in die folgenden Familien einteilen. Die Spalte „Wirkmechanismus" nennt nur den allgemein anerkannten Flammschutzpfad der jeweiligen Familie, keine Rezepturdetails, die für diesen Beitrag ohne Belang sind.

Welche Flammsc…

Familie	Typische Vertreter (gängige Kurzzeichen)	Hauptbestandteile	Wesentlicher Flammschutzpfad	Größenordnung der Verarbeitungstemperatur
Bromsysteme	Decabromdiphenylethan (DBDPE)	aromatische Bromverbindung, Bromgehalt ca. 82%	Gasphase: Freisetzung von Bromradikalen unter Wärme, Abbruch der Verbrennungskettenreaktion	Schmelzpunkt ca. 335–345℃, thermischer Masseverlust 1% ≥ 350℃
Bromsysteme	Bromiertes Polystyrol (BPS)	bromiertes Polystyrol, Bromgehalt ca. 66%	Kettenabbruch durch Halogenradikale in der Gasphase	thermischer Masseverlust 1% ≥ 300℃
Brom-Synergist	Antimontrioxid (Sb₂O₃)	Antimonoxid	reagiert mit Halogenwasserstoff zu Antimonhalogenid und verstärkt den Abbruch in der Gasphase	zersetzt sich nicht selbst, systemabhängig
Phosphorsysteme	Aluminiumdiethylphosphinat (ADP)	organisches Aluminiumphosphinatsalz, Phosphorgehalt ca. 23–24%	Kondensphase: katalytische Dehydratisierung und Vernetzung zu Kohle	Zersetzungstemperatur > 370℃ (aktiviert)
Phosphorsysteme	Ammoniumpolyphosphat (APP)	stickstoffhaltiges Phosphat, Phase I/Phase II	Kohlebildung in der Kondensphase + Verdünnung in der Gasphase, Hauptsäurequelle intumeszierender Systeme	Phase II schwer wasserlöslich, für hohe Verarbeitungstemperaturen geeignet
Phosphorsysteme	DOPO und Derivate	Phosphaphenanthrenoxid	reaktiv, kovalente Einbindung in das Epoxidnetzwerk	Härtungssystem, keine Schmelzverarbeitung
Stickstoffsysteme	Melamincyanurat (MCA)	Additionssalz aus Melamin und Cyanursäure	Sublimation unter Wärmeaufnahme + Verdünnung brennbarer Gase	bis 300℃ stabil, endotherme Zersetzung bei ca. 350℃
Stickstoffsysteme	Melaminpolyphosphat (MPP)	Melaminphosphat	Phosphor-Stickstoff-Synergie, Kohlebildung + Intumeszenz	gleiche Größenordnung wie APP
Anorganische Systeme	Aluminiumhydroxid (ATH)	Aluminiumtrihydrat	endotherme Zersetzung unter Freisetzung von Kristallwasser, Verdünnung und Kühlung	Dehydratisierung ab ca. 200℃, Dosierung häufig 50–65%
Anorganische Systeme	Magnesiumhydroxid (MDH)	Magnesiumhydroxid	wie ATH, jedoch höhere Temperaturbeständigkeit	endotherme Zersetzung bei ca. 300–320℃
Anorganische Systeme	Zinkborat / Blähgraphit	Borat / Schichtgraphit	Kohlebildung, Rauchunterdrückung, Antitropfwirkung	systemabhängig
Intumeszierende Systeme	IFR-Kompositsystem	APP + Pentaerythrit + Melamin	Kohlebildung und Intumeszenz aus den drei Komponenten Säurequelle/Kohlenstoffquelle/Gasquelle	systemabhängig

Diese Tabelle soll nur eines zeigen: Die Wirkebene aller Familien in der obigen Tabelle liegt in der Stufe „das Flammschutzmittel zersetzt sich selbst unter Wärme oder beteiligt sich an der Kohlebildung/Gasphasenreaktion". Das Dispergiermittel steht nicht in dieser Kette – seine Ankergruppen adsorbieren an der Pulveroberfläche, die Solvatationsketten ragen in die Schmelze; beides sind physikalische Grenzflächenvorgänge. Sie treten nicht in den Zersetzungspfad des Flammschutzmittels ein, verbrauchen keine Halogenradikale, beteiligen sich nicht an der Dehydratisierung und Kohlebildung und verändern nicht die Bildungsbedingungen der Intumeszenzschicht.

Die Frage „Beeinträchtigt ein Wechsel des Flammschutzmittels den Flammschutz?" beantwortet sich also danach, ob das Dispergiermittel mit der betreffenden Familie chemisch reagiert – nicht danach, ob diese Familie zu den Brom- oder den Phosphorsystemen gehört. R1800-SK und R900A sind nichtionisch und tragen keine dissoziierbaren Gruppen; sie werden vom Halogensystem nicht als Reaktionspartner behandelt und konkurrieren auch nicht mit sauren Phosphorstellen um Adsorption – ihre Rolle ist in allen Familien dieselbe: das Pulver dispergieren.

Die acht Flammschutz-Masterbatches von Kaicu sind reale Beispiele für diese Aussage: acht Typen, unterschiedliche Flammschutzsysteme und Trägerharze – und in der Rezeptur steht dasselbe Dispergiermittel.

Zur Lesart dieser Tabelle ist klarzustellen: Zugabemenge und Flammschutzklasse der ersten vier Typen (R911 / R912 / R912B / R915) stehen in den aktuell öffentlichen technischen Unterlagen und sind direkt zitierfähig; für die letzten vier Typen (M911 / M915 / M918 / M830) bestätigen die aktuell öffentlichen Unterlagen nur den Punkt „in der Rezeptur wird R1800-SK als Dispergiermittel verwendet". Zugabemenge und Flammschutzklasse sind dort nicht aufgeführt; die Tabelle vermerkt „nicht angegeben", und dieser Beitrag trifft dazu keine Annahme.

Das lässt sich an drei Stellen der Handbuchangaben kreuzprüfen: In der Rubrik „Kernbestandteil – Dispergierhilfsmittel" der technischen Unterlagen zu R912B ist das Dispergiermittel als nichtionisches Tensid geführt; bei R1800-SK steht zur Verträglichkeit „sehr gut verträglich mit allen Gummiarten und Kunststoffen"; bei R900A heißt es „für nahezu jeden Kunststoff und jedes Gummi geeignet". An keiner der drei Stellen ist der Anwendungsbereich auf ein bestimmtes Flammschutzmittel oder einen bestimmten Trägerwerkstoff eingeschränkt.

5Der Dosierungs-Wendepunkt: 1.6% – und er kehrt sich um

Das ist der einzige punktweise gemessene Datensatz des Beitrags; er stammt aus dem Oberflächenbehandlungsversuch von R1800-SK an Titandioxid: sieben Dosierungspunkte bei pH 6.8 und konstanten 70℃.

Dosierung %	Helligkeit L	Tünber-Weißgrad	Gelbwert YI
0	88.27	75.15	4.63
0.5	88.89	75.76	4.21
1.0	89.12	76.31	4.34
1.2	89.87	76.35	4.23
1.6	90.18	77.76	3.84
1.8	88.26	75.81	3.97
2.0	87.83	75.79	3.89

Alle drei Kennwerte erreichen bei 1.6% gleichzeitig ihr Optimum: höchste Helligkeit 90.18, höchster Weißgrad 77.76, niedrigster Gelbwert 3.84.

4Datenabbildung 4

Optische Dichte der Dünnschicht (Deckkraft)Dosierung von R1800-SK %00.10.20.30.40.3%0.5%1%1.6%2%1.6% · 0.386Bereichsanfang 0.3%Bereichsende 2.0%

• Messpunkt1 Messpunkt
• Trend (gestrichelte Linie, nicht gemessen)0.3%–2%

5Datenabbildung 5

90.18Helligkeit L77.76Tünber-Weißgrad3.84Gelbwert YI0%0.5%1%1.6%2%Dosierung von R1800-SK %

• Helligkeit L88,27 → 90,18 (Maximum) → 87,83
• Tünber-Weißgrad75,15 → 77,76 (Maximum) → 75,79
• Gelbwert YI4,63 → 3,84 (Minimum) → 3,89

Die mechanistische Erklärung des Handbuchs: Mit steigender Dosierung adsorbieren immer mehr Ankergruppen an der Pigmentoberfläche; bei 1.6% ist die Sättigung erreicht, und die optische Dichte ist dort am größten (0.386). Wird die Dosierung weiter erhöht, treten die R1800-SK-Moleküle miteinander in Wechselwirkung und verheddern sich über die Solvatationsketten zu einer „Brückenflockung"; die optische Dichte fällt daraufhin steil ab.

Das Fazit des Handbuchs lautet wörtlich:

R1800-SK-Hyperdispergiermittel erzielt bei einer Dosierung von 1.6% die beste Wirkung bei der Behandlung von Titandioxid

Das ist ein Gegenbeispiel zu „mehr ist immer besser". Eine Überdosierung des Hyperdispergiermittels überbrückt die Pigmentteilchen selbst; das Ergebnis wird schlechter.

Außerdem nennt das Handbuch eine Zugabemenge von 0.5%–1%, bezogen auf das fertige Kunststoffprodukt. Beachten Sie: Diese 0.5%–1% und die obigen 1.6% haben unterschiedliche Bezugsgrößen – erstere beziehen sich auf den Fertigkunststoff, letztere auf die auf das Pigment bezogene Behandlungsmenge; die beiden Zahlen sind nicht austauschbar.

6Warum der Flammschutz unberührt bleibt

Für die Wirkung des Hyperdispergiermittels im Masterbatch nennt das Handbuch vier Punkte:

1. 01Agglomeration von Pigmentfüllstoffen verhindern – es benetzt und bindet das Pulver und bildet bei sinkender Temperatur eine Hüllschicht, die weitere Agglomeration unterbindet
2. 02Verteilungsrate des Füllstoffs im Harz erhöhen – beim Extrudieren mit dem Harz verträglich, verbindet es das umhüllte Pulver mit dem Harz zu einem Ganzen
3. 03Gute Fließfähigkeit der Schmelze sichern und den Oberflächenglanz des Formteils erhöhen
4. 04Wirksamer mit dem Harz verschmelzen

Alle vier Punkte zielen auf „physische Dispergierung" und „Verarbeitungseigenschaften"; keiner zielt auf chemische Beteiligung oder auf einen Flammschutzmechanismus.

Die Grenze der Aussage muss klar benannt werden: Das „ohne Beeinträchtigung des Flammschutzes" in diesem Beitrag stützt sich darauf, dass der Wirkmechanismus des Dispergiermittels nicht in die Flammschutzreaktion eingreift – nicht auf UL94-Vergleichstests über alle Flammschutzmittel-Familien hinweg. Die direkten Belege in den öffentlichen technischen Unterlagen von Kaicu sind: In der R912B-Rezeptur ist das Dispergiermittel zugleich als „Dispergierhilfsmittel" geführt, und die Verträglichkeitsangaben von R1800-SK / R900A decken „alle Gummiarten und Kunststoffe" sowie „jeden Kunststoff und jedes Gummi" ab. Für einzelne Familien wie Bromsysteme oder anorganische Hydroxide enthalten die Unterlagen keine gesonderten Vergleichsversuche; dieser Beitrag trifft dazu keine Annahme.

7Wie 113-fach und 26-fach zu lesen sind

Die technischen Unterlagen zu R1800-SK nennen zwei relative Vielfache: Dispergierleistung 113-fach, Schmierleistung 26-fach.

Bezugsgröße dieser beiden Zahlen ist Wachs; es handelt sich um relative Angaben innerhalb derselben technischen Unterlage, und die Unterlage nennt weder ein zugehöriges Prüfverfahren noch einen Bericht eines Dritten. Die richtige Lesart ist „Dispergier-/Schmierverhalten relativ zu Wachs" – nicht „in jedem System werden 113-fach erreicht". Ebenso wenig lassen sie sich direkt mit dem Wendepunkt bei 1.6% umrechnen: Die Bezugsgrößen sind hier ein Leistungsvergleich und dort die auf das Pigment bezogene Behandlungsmenge.

8Einige praktische Entscheidungshilfen für Formulierer

Ein Dispergiermittel ist kein Flammschutzmittel und darf auch nicht wie eines bewertet werden. Seine maßgebliche Kennzahl ist „wird das Pulver gleichmäßig dispergiert und bleibt es so"; diese Kennzahl bedeutet in Brom-, Phosphor-, Stickstoff-, anorganischen und intumeszierenden Systemen dasselbe.