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DE3920995A1 - Halogenfreie, flammgeschuetzte thermoplastische formmasse - Google Patents

Halogenfreie, flammgeschuetzte thermoplastische formmasse

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Publication number
DE3920995A1
DE3920995A1 DE19893920995 DE3920995A DE3920995A1 DE 3920995 A1 DE3920995 A1 DE 3920995A1 DE 19893920995 DE19893920995 DE 19893920995 DE 3920995 A DE3920995 A DE 3920995A DE 3920995 A1 DE3920995 A1 DE 3920995A1
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DE
Germany
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weight
halogen
molding composition
molding
free
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE19893920995
Other languages
English (en)
Inventor
Adolf Prof Dr Echte
Heike Dr Feldmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BASF SE
Original Assignee
BASF SE
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Filing date
Publication date
Application filed by BASF SE filed Critical BASF SE
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Publication of DE3920995A1 publication Critical patent/DE3920995A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K9/00Use of pretreated ingredients
    • C08K9/04Ingredients treated with organic substances
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L25/00Compositions of, homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by an aromatic carbocyclic ring; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L25/02Homopolymers or copolymers of hydrocarbons
    • C08L25/04Homopolymers or copolymers of styrene
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
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    • C08L2201/02Flame or fire retardant/resistant
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C08L97/02Lignocellulosic material, e.g. wood, straw or bagasse

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  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
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  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)

Description

Die Flammfestausrüstung von thermoplastischen Kunststoffen ist z.B. aus
  • (1) Vogel, "Flammfestmachen von Kunststoffen", Hüthig-Verlag, Heidelberg (1966), Seiten 94 bis 102
  • (2) Troitzsch, "Brandverhalten von Kunststoffen", Hanser-Verlag, München (1982), Seiten 1 bis 65
  • (3) Hirschler, in "Developments in Polymer Stabilization", Band 5, Editor G. Scott, Applied Sciences Publishers, London (1982), Seiten 107 bis 151
bekannt.
Man weiß, daß bei Anwendung verhältnismäßig großer Mengen an Halogen enthaltenden Flammschutzmitteln und unter gleichzeitiger Anwendung von Synergisten, wie Verbindungen des Phosphors, Arsens, Antimons, Wismuts, Bors oder des Zinns Thermoplaste nach dem Beflammen mit einer heißen Flamme nichtbrennend abtropfen und von selbst verlöschen. Ferner ist bekannt, daß dieser Effekt des Selbstverlöschens ohne die Anwendung eines Synergisten erst nach Zugabe einer weitaus größeren Menge an Halogen enthaltendene Flammschutzmitteln eintritt.
Außer der Möglichkeit, thermoplastische Kunststoffe mit Halogen enthaltenden Flammschutzmitteln auszurüsten, gibt es auch die Möglichkeit eines halogenfreien Flammschutzes. So können beispielsweise Mischungen aus Poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylen)ether (PPE) und schlagzähmodifiziertem Polystyrol oder Styrol/Alkadien-Pfropfmischpolymerisaten (HIPS) durch Phosphor enthaltende organische Verbindungen flammfest ausgerüstet werden. Bezogen auf HIPS werden 50 bis 60 Gew.-% von PPE + Phosphorverbindungen zugesetzt (z.B. DE-OS 30 19 617, 30 02 782). Ferner ist bekannt, daß Styrolcopolymerisate mit recht hohen Mengen (40 bis 50 Gew.-%) an Mg(OH)2 (vergleiche EP-PS 52 868), Polyguanaminen (DE-OS 28 37 378) oder Phosphinsäuren-Melaminaddukten/Dicyandiamid/roter Phosphor-Systemen (E. N. Peters, A. B. Furtek, D. T. Kwiatkowski, Journal of Fire Retardant Chemistry, Band 7, Seiten 69 bis 71 (1980)) flammfest ausgerüstet werden können. Des weiteren ist bekannt, daß Styrolpolymerisate mit intumeszierenden Flammschutzmittelsystemen, wie Poly(ammoniumphosphat) und einem Harz auf der Basis von Tris(2-hydroxyethyl)isocyanurat (EP-PS 26 391 und 45 835), oder von 2,6,7-Trioxa-1-phosphabicyclo(2.2.2)-octan-4-methanol-1-oxid-Melamin- (EP-PS 69 500), oder von Bis(2-hydroxyethyl)phosphat/Melamin Dipentaerythrit (US-PS 42 47 435) und mit Melammonium-pentaerythritdiphosphat (GB-PS 20 28 822) ausgerüstet werden können. In der zitierten GB-PS 20 28 822 wird allerdings schon darauf hingewiesen, daß die Wirkung der bekannten Systeme in Styrolpolymerisaten nur mäßig ist.
Die Anwendung von halogenfreien Flammschutzmitteln, bringt, wie sich in umfangreichen Versuchsreihen gezeigt hat, bisher keine durchschlagende Verbesserung. So werden zur Ausrüstung zahlreicher Thermoplaste große Mengen an Flammschutzmitteln benötigt. Oder aber ein Flammschutzmittel­ system wirkt in bestimmten Thermoplasten, in anderen dagegen überhaupt nicht. Ferner bewirken bestimmte Komponenten dieser Systeme eine zu starke Erhöhung der Fließfähigkeit und eine drastische Erniedrigung der Wärmeformbeständigkeit. Fast alle halogenfreien Flammschutzmittelsysteme sind mit den auszurüstenden Thermoplasten völlig unverträglich und führen zur Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften, und zumeist tropfen die halogenfrei flammfest ausgerüsteten Formmassen beim Beflammen ab.
Bei Styrol/Acrylnitril-Copolymerisaten (SAN) und Styrol/Acrylnitril­ alkadien-Pfropfmischpolymerisaten (ABS) konnte mit Hilfe des aus der EP-A 01 49 813 (US-A 46 32 946) bekannten, aus einem Phenol/Aldehyd-Harz, einer Stickstoff enthaltenden Verbindung und einer Phosphor enthaltenden organischen Verbindung bestehenden intumeszierenden Flammschutzsystems eine gewisse Verbesserung erzielt werden. Indessen erfordert die Flammfestausrüstung von Styrolcopolymerisaten (PS) und Styrol/Alkadien- Pfropfmischpolymerisaten (HIPS) mit diesem System vergleichsweise hohe Zuschlagsmengen, so daß dieses Flammschutzsystem für PS und HIPS zwar grundsätzlich gut geeignet ist, daß aber seine Wirkung nicht an diejenige heranreicht, welche es in SAN und ABS entfaltet. Überdies führt dieses Flammschutzsystem in PS, HIPS, SAN und ABS zu einer gewissen Verschlechterung der Oberflächeneigenschaften dieser Polymerisate, was für manche Anwendungszwecke von Nachteil ist.
Das aus der EP-A 01 49 813 (US-A 46 32 946) bekannte Flammschutzsystem kann zwar hinsichtlich seiner Wirkung in ABS durch Zugabe von Polyoxamiden weiter verbessert werden (DE-A 35 14 870), indes läßt sich diese Verbesserung nicht in vollem Umfang auf PS oder HIPS übertragen. Gleiches gilt für das aus der DE-A 35 06 193 bekannte F1ammschutzsystem, welches ein modifiziertes Phenol/Aldehyd-Harz der aus der EP-A 01 49 813 (US-A 46 32 946) Art sowie spezielle Antioxidantien enthält.
Darüber hinaus sind aus der DE-A 34 32 750 oder der DE-A 34 32 749 halogenfreie selbstverlöschende SAN- und ABS-Formmassen bekannt, welche PPE enthalten. Um die Einarbeitbarkeit des PPE in SAN und ABS und seine feine Verteilung hierin zu gewährleisten, müssen allerdings SAN-PPE- Kammpolymere mitverwendet werden, deren Herstellung einen hohen Aufwand erfordert, so daß die sie enthaltenden Formmassen nur für ganz spezielle Anwendungszwecke in Betracht kommen.
Überdies führt die Verwendung der aus der EP-A 01 49 813 (US-A 46 32 946), der DE-A 35 14 870, der DE-A 35 06 193, der DE-A 34 32 750 und der DE-A 34 32 749 bekannten Flammschutzsysteme in PS, HIPS, SAN und ABS zu einer starken Eigenfärbung der betreffenden Formmassen, was für zahlreiche Anwendungszwecke von Nachteil ist, bei denen speziell eine geringe Eigenfärbung gefordert wird.
Es bestand daher die Aufgabe, ein halogenfreies Flammschutzsystem anzugeben, bei dem die vorstehend genannten Nachteile nicht auftraten. Dieses halogenfreie Flammschutzmittelsystem sollte außerdem auch in solchen Thermoplasten, welche sich bisher nur sehr schwer oder gar nicht halogenfrei flammfest ausrüsten ließen, das Erreichen der Einstufungen UL 94 V1 und UL 94 V0 (gemessen an 1,6 mm dicken Probekörpern) bewirken.
Zusätzlich sollte das halogenfreie Flammschutzmittelsystem das brennende und auch das nichtbrennende Abtropfen beflammter Formmassen verhindern.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine halogenfreie, flammgeschützte thermoplastische Formmasse, die enthält, jeweils bezogen auf die verarbeitungsfertige Formmasse,
  • (A) 30 bis 90 Gew.-% mindestens eines halogenfreien, thermoplastischen Styrol-(Co)polymerisats und
  • (B) 10 bis 70 Gew.-% mindestens eines weiteren halogenfreien Bestandteils,
wobei sie erfindungsgemäß als Bestandteil (B) feinteilige Cellulose-, Stärke- und/oder Holzmehlteilchen enthält, die, bezogen auf ihr Gewicht, mit 30 bis 300 Gew.-% Melaminphosphat beschichtet sind.
Am Aufbau der Formmasse sind die Bestandteile (A) und (B) sowie eventuell weitere Bestandteile (C) beteiligt. Alle Bestandteile sind, für sich betrachtet, als bekannt anzusehen, und im allgemeinen handelsüblich. Die Herstellung von Teilchen (B) ist auch weiter unten noch erläutert.
Eine typische erfindungsgemäße Formmasse besteht z. B. aus
30 bis 90 Gew.-%, insbesondere 40 bis 80 Gew.-% und vorzugsweise 45 bis 60 Gew.-% (A)
10 bis 70 Gew.-%, insbesondere 20 bis 60 Gew.-% und vorzugsweise 40 bis 55 Gew.-% (B), wobei (B), bezogen auf (B), aus
25 bis 75 Gew.-%, insbesondere 30 bis 70 Gew.-% und vorzugsweise 30 bis 65 Gew.-% Teilchen (b1) und
25 bis 75 Gew.-%, insbesondere 30 bis 70 Gew.-% und vorzugsweise 40 bis 50 Gew.-% Melaminphosphat.
Bestandteil (A)
Bestandteil (A) der erfindungsgemäßen Formmasse ist ein halogenfreies thermoplastisches, handelsübliches, gegebenenfalls schlagzähmodifiziertes Homo- oder Copolymerisat wie es als thermoplastischer Kunststoff verwendet wird. Es können auch Mischungen verschiedener thermoplastischer Kunst­ stoffe, die nachstehend aufgeführt sind, verwendet werden. Als thermo­ plastische Kunststoffe kommen in Betracht: Polystyrol, Copoolymerisate des Styrols mit Acrylnitril, mit Maleinsäureanhydrid, mit Maleinsäureestern und mit Acrylsäureestern, welche gegebenenfalls mit Kautschuk schlagzäh modifiziert sind. Ferner sind geeignet Copolymerisate des Acrylnitrils mit α-Methylstyrol, welche gegebenenfalls mit Kautschuk schlagzäh modifiziert sind. Als Mischungsbestandteile polymerer Art können in entsprechenden Mengen zugegen sein. Thermoplaste wie Polyamide, Polyester, Polyurethane, Polyoxyalkylene, Polycarbonate und Polymethylmethacrylat, Polyethylen, Polypropylen, Polyisobutylen.
Homopolymerisate (A₁)
Bevorzugt eingesetzt werden von den Homopolymerisaten Polystyrole (A₁), wobei der Styrol-Bestandteil zur Verbesserung der Wärmeformbeständigkeit ganz oder teilweise durch kernalkyliertes Styrol, zum Beispiel p-Methylstyrol, ersetzt sein kann. Diese Homopolymerisate werden allgemein kurz als "PS" bezeichnet.
Copolymerisate (A₂)
Besonders bevorzugt eingesetzt werden Copolymerisate des Styrols mit Acrylnitril (A₂), Maleinsäureanhydrid, Maleinsäureestern und mit Acrylsäureestern.
Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Formmasse werden von diesen Copolymerisaten ganz besonders bevorzugt Styrol/Acrylnitrilcopolymerisate (A₂) angewendet; diese bestehen z.B. aus 1 bis 50 Gew.-% Acrylnitril (a₂) und 50 bis 99 Gew.-% Styrol (a₁). Der Styrol-Bestandteil kann, um die Wärmeformbeständigkeit zu verbessern, ganz oder teilweise durch kernalkyliertes Styrol ersetzt sein. Styrol/Acrylnitril-Copolymerisate (A₂) sind im Handel erhältlich und können zum Beispiel nach der Lehre der DE-AS 10 01 001 bzw. DE-PS 10 03 436 hergestellt werden. Der Molekulargewichtsbereich der Copolymerisate kann M w=10⁵ bis M w=2,5×10⁵ (Gewichtsmittel M w aus Lichtstreuung) betragen. Diese Copolymerisate werden allgemein kurz als "SAN" bezeichnet.
Das zur Schlagzähmodifizierung der Komponente (A) der erfindungsgemäßen Formmasse eingesetzte Elastomer kann ein ungepfropfter Kautschuk (a3) oder ein gepfropfter Kautschuk (a4) sein.
Der Kautschuk (a3) soll eine Glastemperatur (nach K. H. Illers und H. Breuer, Kolloid-Zeitschrift 176 (1961), Seite 110) haben, die unter 0°C liegt. Als Kautschuk kommen beispielsweise in Frage: Polybutadien (DE-OS 14 20 775 und DE-OS 14 95 089). Copolymerisate aus Butadien und Styrol (GB-Patent 6 49 166), Copolymerisate aus Butadien und Styrol, Polyacrylester, die gegebenenfalls vernetzt sein können (DE-OS 11 38 921, DE-AS 12 24 486 oder DE-AS 12 60 135), sowie Copolymerisate aus Acrylsäureester und Butadien (DE-AS 12 38 207), ferner Elastomere von Copolymerisaten aus Acrylsäureestern mit Styrol, Acrylnitril und Vinylethern und Copolymerisate aus Ethylen und einem nicht konjungierten Dien (EPDM-Kautschuke).
Zur Schlagzähmodifizierung von Homopolymerisaten (A₁) wird besonders bevorzugt Polybutadien (a3) eingesetzt, und zwar in Mengen von 2 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise aber in Mengen von 3 bis 10 Gew.-%, bezogen auf die (A1). Die schlagzähmodifizierten Homopolymerisate (A1) werden allgemein kurz als "HIPS" bezeichnet.
Zur Herstellung von insbesondere schlagzähen Copolymerisaten (A₂) benötigt man gepfropften Kautschuk, bevorzugt auf Basis von Polybutadien (a4). Es kommen in Frage Pfropfmischpolymerisate, welche in Anteilen von 5 bis 50 Gew.-%, insbesondere von 10 bis 45 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Bestandteile (A2) angewendet werden. Die schlagzähmodifizierten Pfropfmischpolymerisate werden allgemein kurz als "ABS" bezeichnet.
Diese Pfropfmischpolymerisate (ABS) sind aufgebaut aus 10 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 15 bis 45 Gew.-% eines Gemisches aus mindestens einem vinylaromatischen Monomeren (a1), das bis zu 12 Kohlenstoffatome enthält, und 0,1 bis 25 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 20 Gew.-% mindestens eines (Meth)acrylsäureesters und/oder von Acrylnitril (a2) als Pfropfhülle, auf 50 bis 90 Gew.-%, insbesondere 50 bis 75 Gew.-% einer elastomeren Pfropfgrundlage (Kautschukkomponente (a3)), die gegebenenfalls vernetzt sein kann. Die vinylaromatischen Pfropfmonomeren (a1) sind Styrol, α-Methylstyrol und/oder kernalkyliertes Styrol mit bis zu 12 C-Atomen; als Monomere (a2) kommen (Meth)acrylsäureester von Alkanolen mit bis zu 8 C-Atomen sowie Acrylnitril oder Mischungen davon in Betracht.
Die Herstellung der Pfropfmischpolymerisate (a4) ist bekannt. Sie können z. B. hergestellt werden durch Polymerisation eines Gemisches von Styrol und Acrylnitril und/oder (Meth)acrylaten in Gegenwart eines Kautschuks.
Als Pfropfkautschuke (a4) kommen somit in Frage:
a₄a 75% Polybutadienkautschuk, gepfropft mit 25% Styrol/Acrylnitril im Verhältnis 90 : 10
a₄b 75% Polybutadienkautschuk, gepfropft mit 25% Styrol/Acrylnitril im Verhältnis 83 : 17
a₄c 75% Polybutadienkautschuk, gepfropft mit 25% Styrol/Acrylnitril im Verhältnis 75 : 25
a₄d 75% Polybutadienkautschuk, gepfropft mit 25% Styrol/Acrylnitril im Verhältnis 70 : 30
a₄e 75% eines Kautschuks aus 60 Teilen Acrylsäurebutylester und 40 Teilen Butadien, gepfropft mit 25% Styrol/Acrylnitril im Verhältnis 70 : 30
a₄f 75% Polybutadienkautschuk, gepfropft mit 25% Styrol/Acrylnitril im Verhältnis 70 : 30
a₄g 60% Polybutadienkautschuk, gepfropft mit 40% Styrol/Acrylnitril im Verhältnis 65 : 35
a₄h 60% Kautschuk, bestehend aus Butylacrylat und Dicyclopentadienylacrylat im Verhältnis 98 : 2, gepfropft mit 40% Styrol/Acrylnitril im Verhältnis 75 : 25
a₄i 75% Kautschuk, bestehend aus Butylacrylat, 1,3-Butadien und Vinylmethylether im Verhältnis 57 : 38,5 : 4,5, gepfropft mit 25% Styrol-Acrylnitril im Verhältnis 70 : 30
Besonders bevorzugt eingesetzt wird (a4g).
In den erfindungsgemäßen Formmassen besonders bevorzugt eingesetzte Mischungen aus Komponente A1 oder A2 und Kautschuken a3 oder a4 sind demnach Polystyrol (A1) (=PS), schlagzäh modifiziertes Poly(styrol) (A3) (= HIPS), Styrol/Acrylnitril-Copolymerisate (= SAN), schlagzäh modifizierte Styrol/Acrylnitril-Copolymerisate (A4) (= ABS) und Acrylnitril-Butadien-Styrol-Pfropfmischpolymerisate (A5) (= ABS).
Bestandteil (B)
Bestandteil (B) sind feinteilige Feststoffteilchen einer Teilchengröße von z. B. 10 bis 300 µm. Die Feststoffteilchen können Kugel-, Plättchen- oder Faserform haben und sind vorzugsweise von rein weißer Farbe.
Die Feststoffteilchen (B) bestehen aus Cellulose-, Stärke- und/oder Holzmehlteilchen (b1), welche mit Melaminphosphat (b2 beschichtet sind.
Geeignete Cellulose-, Stärke- und Holzmehlteilchen (b1) sind bekannt und im Handel erhältlich.
Stärke der erforderlichen Teilchengröße und Farbe ist z.B. als Quellstärke Amÿel ® VA 160 der Firma Maizena GmbH mit einer Teilchengröße von < 125 µm oder als oberflächenbehandelte Quellstärke erhältlich von denen erstere bevorzugt verwendet wird.
Cellulose der erforderlichen Teilchengröße und Farbe ist z.B. als Arbocel ® BE 00 mit einer durchschnittlichen Faserlänge von ca. 40 µm und einer durchschnittlichen Faserdicke von ca. 17 µm oder als Arbocel ® BE 600/30 mit einer durchschnittlichen Faserlänge von ca. 60 µm und einer durchschnittlichen Faserdicke von ca. 18 µm von der Firma J. Rettenmaier und Söhne; Holzmühle erhältlich.
Holzmehlteilchen ist z. B. als Lignocel ® HBS tr 150/500 mit einer Korngröße von bis zu 200 µm oder als Lignocel ® S 150 der Firma J. Rettenmeier und Söhne; Holzmühle mit einer Korngröße bis zu 150 µm erhältlich. Melamin­ phosphat (b2) ist bekannt und im Handel erhältlich.
Erfindungsgemäß liegt das Melaminphosphat (b²) nicht getrennt neben der Komponente (b1) vor, sondern die Komponente (b1) ist mit Melaminphosphat (b2) beschichtet.
Die Beschichtung wird in bekannter Weise durch Suspendieren der Feststoffteilchen (b1) in Wasser, Zugabe von Melaminphosphat, intensives Rühren der resultierenden Suspension, Verdampfen des dann enthaltenen Wassers, Trocknen und Mahlen des so erhaltenen Feststoffs bei maximal 80°C und Trocknen des gemahlenen Feststoffs bis zur Gewichtskonstanz vorgenommen.
Bestandteil (C)
Als Bestandteil (C) können organische und anorganische, Phosphor enthaltende Verbindungen verwendet werden, in denen der Phosphor die Wertigkeitsstufe -3 bis +5 besitzt.
Unter der Wertigkeitsstufe soll der Begriff "Oxidationsstufe" verstanden werden, wie er im Lehrbuch der Anorganischen Chemie von A. F. Hollemann und E. Wiberg, Walter de Gruyter und Co. (1964, 57. bis 70. Auflage) Seite 166 bis 177, wiedergegeben ist.
Phosphor-Verbindungen der Wertigkeitsstufen -3 bis +5 leiten sich von Phosphin (-3), Diphosphin (-2), Phosphinoxid (-1), elementarem Phosphor (± 0), hypophosphoriger Säure (+1), phosphoriger Säure (+3), Hypodi­ phosphorsäure (+4) und Phosphorsäure (+5) ab.
Beispiele für Phosphorverbindungen der Phosphin-Klasse, die die Wertig­ keitsstufe -3 aufweisen, sind aromatische Phosphine wie Triphenylphosphin, Tritolylphosphin, Trinonylphosphin, Trinaphthylphosphin u.a. Besonders geeignet ist Triphenylphosphin.
Beispiele für Phosphor-Verbindungen der Diphosphin-Klasse, die die Wertigkeitsstufe -2 aufweisen, sind Tetraphenyldiphosphin, Tetranaphthyl­ diphosphin u.a.. Besonders geeignet ist Tetranaphthyldiphosphin.
Phosphin-Verbindungen der Wertigkeitsstufe -1 leiten sich vom Phosphinoxid ab. Beispiele sind Triphenylphosphinoxid, Tritolylphosphinoxid, Trinonylphosphinoxid, Trinaphthylphosphinoxid. Bevorzugt ist Triphenylphosphinoxid.
Phosphor der Wertigkeitsstufe ± 0 ist der elementare Phosphor praktisch als roter Phosphor verwendet.
Phosphor-Verbindungen der "Oxidationsstufe" +1 sind zum Beispiel Hypophosphite. Sie können Salzcharakter haben oder rein organischer Natur sein. Die Salze enthalten Kationen der Elemente aus der I., II. und III. Hauptgruppe der I. bis VIII. Nebengruppe des periodischen Systems (s. Lehrbuch "Anorganische Chemie" von F. A. Cotton, G. Wilkinson, Verlag Chemie (1967)). Beispiele sind Calciumhypophosphit und Magnesiumhypophosphit. Des weiteren kommen Doppelhypophosphite mit der Struktur CeMe(H2PO2)6 in Frage, wobei Me = Erbium, Thallium, Ytterbium, Lutetium sein kann. Es können auch komplexe Hypophosphite verwendet werden, wie beispielsweise Me(Zr(H2PO2)6), Me(Hf(H2PO2)6), wobei Me = Magnesium, Calcium, Mangan, Cobalt, Nickel, Eisen, Zink und Cadmium sein kann.
Neben diesen anorganischen Hypophosphiten kommen auch organische Hypophosphite in Frage. Geeignet sind zum Beispiel Cellulosehypophosphitester, Polyvinylalkoholhypophosphitester, Ester der hypophosphorigen Säure mit Diolen, wie z. B. 1,10-Dodecyldiol. Auch substituierte Phosphinsäuren und deren Anhydride, wie z.B. Diphenylphosphinsäure, können eingesetzt werden. Auch Melaminhypophosphit ist geeignet. Des weiteren kommen in Frage Diphenylphosphinsäure, Di-p-Tolylphosphinsäure, Di-Kresylphosphinsäureanhydrid, Naphthylphenylphosphinsäureanhydrid oder Phenylmethylphosphin­ säureanhydrid. Es kommen aber auch Verbindungen wie Hydrochinon-, Ethylenglykol, Propylenglykol-bis(diphenylphosphinsäure)ester u.a. in Frage. Ferner sind geeignet Aryl(Alkyl)phosphinsäureamide, wie z.B. Diphenylphosphinsäure-dimethylamid und Sulfonamidoaryl(alkyl)phosphin­ säurederivate, wie z.B. p-Tolylsulfonsäureamidodiphenylphosphinsäure. Bevorzugt eingesetzt werden Hydrochinon- und Ethylenglykol-bis- (diphenylphosphinsäure)ester.
Phosphor-Verbindungen der Oxidationsstufe +3 leiten sich von der phosphorigen Säure ab. Beispiele sind in US-PS 30 90 799 und 31 41 032 beschrieben. Besonders geeignet sind cyc1ische Phosphonate wie zum Beispiel:
mit R = CH₃ und C₆H₅, die sich vom Pentaerythrit ableiten,
mit R = CH₃ und C₆H₅, die sich vom Neophentylglykol ableiten und
mit R = CH3 und C6H5, die sich vom Brenzkatechin ableiten, und Methanphosphonsäuredimethylester, von denen letzterer besonders geeignet ist.
Ferner ist Phosphor der Wertigkeitsstufe +3 in Triaryl(alkyl)phosphiten, wie Triphenylphosphit, Tris(nonylphenyl)phosphit, Tris(2,4-di-tert.- butylphenyl)phosphit oder Phenyldidecylphosphit.
Als Phosphor-Verbindungen der Oxidationsstufe +4 kommen vor allem Hypodiphosphate, wie z. B. Tetraphenylhypodiphosphat oder Bisneopentylhypodiphosphat
Bisbrenzkatechinhypodiphosphat
in Betracht. Bevorzugt wird Bisneophentylhypodiphosphat.
Als Phosphor-Verbindungen der Oxidationsstufe +5 kommen vor allem alkyl- und arylsubstituierte Phosphate in Betracht. Beispiele sind Phenylbisdocecylphosphat, Phenylneopentylphosphat, Ethyldiphenylphosphat, 2-Ethyl-hexyldi(tolyl)phosphat, Diphenylhydrogenphosphat, Bis(2-ethyl­ hexy)-p-tolylphosphat, Tritolylphosphat, Bis(2-ethylhexyl)-phenylphosphat, Di(nonyl)phenylphosphat, Phenylmethylhydrogenphosphat, Di(dodecyl)- p-tolylphosphat, Tricresylphosphat, Dimethylcresylphosphat, Triphenyl­ phosphat, Dibutylphenylphosphat, p-Tolyl-bis(2,5,5-trimethylhexyl)­ phosphat, 2-Ethylenhexyldiphenylphosphat. Besonders geeignet sind Phosphor-Verbindungen, bei denen jeder Rest ein Aryloxy-Rest ist. Ganz besonders geeignet ist dabei Triphenylphosphat und Dimethylcresylphosphat.
Des weiteren können auch cyclische Phosphate eingesetzt werden. Besonders geeignet ist hierbei Diphenylpentaerythritdiphosphat und Phenylneopentyl­ phosphat.
Außer den oben angeführten niedermolekularen Phosphor-Verbindungen kommen noch oligomere und polymere Phosphor-Verbindungen in Frage.
Solche polymere, organische Phosphor-Verbindungen mit Phosphor in der Polymerkette entstehen beispielsweise bei der Herstellung von penta­ cyclischen, ungesättigten Phosphindihalogeniden, wie es beispielsweise in der DE-OS 20 36 174 beschrieben ist. Das Molekulargewicht, gemessen durch Dampfdruckosmometrie in Dimethylformaid, der Polyphospholinoxide soll im Bereich von 500 bis 7000, vorzugsweise im Bereich von 700 bis 2000 liegen.
Der Phosphor besitzt hierbei die Oxidationsstufe 1
Ferner können anorganische Koordinationspolymere von Aryl(Alkyl)- phosphinsäuren, wie zum Beispiel Poly[natrium(I)methylphenylphosphinat], Poly[Zn-(II)-dibutyl-do-dioctylphosphinat], Poly[(III)-tris(diphenyl)- phosphinat] oder Poly-[Co(II)-bis(dioctyl)phosphinat], eingesetzt werden. Ihre Herstellung wird in DE-OS 31 40 520 angegeben. Der Phospor besitzt die Oxidationszahl +1.
Weiterhin können solche polymeren Phosphor-Verbindungen durch die Reaktion eines Phosphonsäurechlorids, wie z.B. Phenyl-, Methyl-, Propyl-, Styryl- und Vinylphosphonsäuredichlorid mit bifunktionellen Phenolen, wie z. B. Hydrochinon, Resorcin, 2,3,5-Trimethylhydrochinon, Bisphenol-A, Tetramethylbisphenol-A oder 1,4′-Dihydroxy-diphenylsulfon entstehen (vergleiche US 37 19 272 und W. Sorensen und T.W. Campbell, "Präparative Methoden der Polymeren-Chemie", Verlag Chemie, Weinheim, 1962 (123). Die inhärenten Viskositäten dieser Polymere sollen in einem Bereich von
vorzugsweise im Bereich
liegen.
Weitere polymere Phosphor-Verbindungen, die in den erfindungsgemäßen Polymerisationen enthalten sein können, werden durch Reaktion von Phosphoroxidtrichlorid oder Phosphorsäureesterdichloriden mit einem Gemisch aus mono-, bi- und trifunktionellen Phenolen und anderen Hydroxylgruppen tragenden Verbindungen hergestellt (vergleiche Houben- Weyl-Müller, Thieme-Verlag, Stuttgart, "Organische Phosphor-Verbindungen", Teil II (1963)). Ferner können polymere Phosphonate durch Umesterungs­ reaktionen von Phosphonsäureestern mit bifunktionellen Phenolen (vergleiche DE-OS 29 25 208) oder durch Reaktion von Phosphonsäureestern mit Diaminen oder Diamiden oder Hydrazidin (vergleiche US-PS 44 03 075) hergestellt werden. In Frage kommt aber auch das anorganische Poly(ammoniumphosphat).
Es können aber auch oligomere Pentaerythritphosphite, -phosphate und -phosphonate gemäß EP-PS 8 486 der allgemeinen Formen (I), (II) und (III) angewendet werden:
wobei s = 0 oder 1 und t = 2 bis 500, M = 0, S
und worin
Ganz besonders bevorzugt werden Triphenylphosphinoxid, Triphenylphosphat und ein Gemisch aus Methanphosphonsäuredimethylester und Dimethylcresyl­ phosphat.
Die erfindungsgemäßen Formmassen können weitere, übliche Zusatzstoffe enthalten. Als Zusatzstoffe kommen Stabilisatoren, wie sterisch gehinderte Phenole in Betracht, die in üblichen Mengen von jeweils 0,01 bis 0,5 Gew.-%, bezogen auf die Formmasse aus (A) und (B) sowie gegebenenfalls (C) eingesetzt werden. Ferner können Schwefel und/oder Schwefel enthaltende Stabilisatoren wie Dithiocarbamatkomplexe, Xantogensäuresalze, Thiazole und Zinksalze von Mercaptobenzimidazolen in üblichen Mengen von jeweils 0,01 bis 0,5 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmischung, eingesetzt werden.
Vorhandensein können außerdem Füllstoffe, Farbpigmente, Gleitmittel, Weichmacher, Antistatika oder Treibmittel in üblichen Mengen.
Die Mischungen der erfindungsgemäßen flammhemmenden Masse sowie der eventuell verwendeten Zusatzstoffe kann nach einem üblichen Mischverfahren, zum Beispiel im Extruder, Kneter oder Walzen erfolgen.
Insbesondere können die Bestandteile (B), (C) und (D) getrennt in Form von Pulvern oder in Form einer pulverisierten Mischung oder als Konzentrat (sog. Masterbatch) in dem (gewünschten) Thermoplasten eingearbeitet werden, um die beabsichtigte Zusammensetzung zu erzielen.
Die erfindungsgemäße Formmasse kann durch Spritzgießen oder Strangpressen zu selbstverlöschenden Formkörpern oder Profilen verarbeitet werden; sie besitzt neben der Eigenschaft der Selbstverlöschung eine gute Wärmeformbeständigkeit und eine gute Fließfähigkeit und kein Abtropfen nach der Beflammung.
Die Formmasse zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß sich auch Styrol-(Co)Polymerisate und schlagzäh modifizierte Styrol-(Co)Polymerisate wie PS, HIPS, SAN und ABS mit praktikablen Mengen an Hilfsmitteln halogenfrei flammfest ausrüsten lassen.
Das Zustandekommen des flammhemmenden Effektes durch das System (B) bei diesen Thermoplasten ist überraschend, da bei den genannten Thermoplasten die Einzelkomponenten (b1) und (b2) der erfindungsgemäßen Formmase selbst in für die Praxis prohibitiv hohen Zuschlagsmengen keinerlei flammhemmende Wirkung zeigen. Darüber hinaus zeichnen sich die erfindungsgmäßen Formmassen durch eine besonders helle bis rein weiße Eigenfärbung aus. Überdies ist das System (B) nicht toxisch.
Die in den Beispielen und Vergleichsversuchen erwähnten Brandtests wurden wie folgt durchgeführt:
Die Flammschutzprüfung erfolgt im vertikalen Brandtest nach den Vorschriften der Underwriter Laboratories zwecks Einordnung in eine der Brandklassen 94 V0, 94 VI oder 94 V2.
Die Einstufung eines flammgeschützten Thermoplasten in die Brandklasse UL 94 V0 erfolgt, wenn folgende Kriterien erfüllt sind: Bei einem Satz von fünf Proben der Abmessungen 127×12,7 3,16 mm dürfen alle Proben nach zweimaliger Beflammung von 10 Sekunden Zeitdauer mit einer offenen Flamme (Höhe 19 mm) nicht länger als 10 Sekunden nachbrennen. Die Summe der Nachbrennzeiten bei 10 Beflammungen von fünf Proben darf nicht größer sein als 50 Sekunden. Es darf kein brennendes Abtropfen, vollständiges Abbrennen oder ein Nachglühen von länger als 30 Sekunden erfolgen. Die Einstufung in die Brandklasse UL 94 V1 erfordert, daß die Nachbrennzeiten von 10 Beflammungen von fünf Proben nicht größer als 250 Sekunden ist. Das Nachglühen darf nie länger als 60 Sekunden dauern. Die übrigen Kriterien sind identisch mit den oben erwähnten. Eine Einstufung in die Brandklasse UL 94 V2 erfolgt dann, wenn es bei Erfüllung der üblichen Kriterien zur Einstufung UL 94 V1 zu brennendem Abtropfen kommen.
Die Eigenfärbung der Formmassen wurde visuell begutachtet, ihre Ober­ flächeneigenschaften wurden mit dem Tastsinn ermittelt. Hierbei wird unter "gutem Griff" - ähnlich wie bei Tetilien - ein durch den Tastsinn beim Begreifen der betreffenden Oberfläche vermittelter angenehmer Gesamt­ eindruck verstanden. Demgegenüber ist unter "rauhem Griff" der durch den Tastsinn ermittelte vergleichsweise unangenehme Eindruck zu verstehen, wie er sich üblicherweise bei der Berührung einer unregelmäßigen, rauhen und harten Oberfläche einstellt. Sofern die Oberfläche klebrig ist, wird auf die Angabe des "Griffs" verzichtet, weil eine klebrige Oberfläche ohnedies regelmäßig einen unangenehmen Sinnenseindruck hervorruft.
Für die Durchführung von Versuchen wurden die nachstehend beschriebenen Stoffe hergestellt bzw. verwendet:
Bestandteil A
(am Schluß ist die in der Tabelle 1 genannte Abkürzung angegeben, z. B. für Produkt Nr. 1: SAN-1)
  • 1. Styrol-Acrylnitril-Copolymerisat (= SAN) mit 25 Gew.-% Acryllnitril; Viskositätszahl VZ = 101 (alle VZ-Angaben beziehen sich auf Werte, die in 0,5%iger Lösung in Dimethylformamid bei 25°C gemessen wurden) = SAN-1
  • 2. SAN mit 35 % Acrylnitril; VZ = 104 = SAN-2
  • 3. SAN mit 35% Acrylnitril; VZ = 80 = SAN-3
  • 4. Polybutadienkautschuk (60%), gepfropft mit 40% Styrol/Acrylnitril im Verhältnis 65 : 35 (a₄g) = PB 900
  • 5. Schlagzäh modifiziertes SAN-3 mit 45% PB 900 = ABS-45
  • 6. Schlagzäh modifiziertes SAN-3 mit 20% PB 900 = ABS-20
  • 7. Standardpolystyrol, Polystyrol ® 168 N der BASF AG = PS
  • 8. Schlagzäh modifiziertes PS mit einem Polybutadiengehalt von 8 Gew.-% = HIPS-1
  • 9. Schlagzäh modifiziertes PS mit einem Polybutadiengehalt von 13 Gew.-% = HIPS-2
Bestandteil B
Die Feststoffteilchen (B) wurden nach folgender allgemeiner Versuchsvorschrift hergestellt:
Allgemeine Versuchsvorschrift:
6 kg der Komponente (b1) wurde bei Raumtemperatur in 60 bis 100 l Wasser suspendiert. Die Suspension wurde zunächst während 1 bis 10 Stunden gerührt, wonach man unter intensivem Rühren die gewünschte Menge an Melaminphosphat zur Suspension hinzugab. Das resultierende Gemisch wurde während 3 bis 20 Stunden intensiv gerührt, wonach man das Wasser durch azeotrope Destillation aus der Suspension entfernte. Das erhaltene Produkt wurde dann noch bei 60 bis 80°C schonend getrocknet, um Verbackungen zu vermeiden, hiernach gemahlen und anschließend bis zur Gewichtskonstanz getrocknet. Gegebenenfalls werden hiernach weitere Bestandteile (C) zugesetzt.
Nach diesem Verfahren wurden die folgenden Proben hergestellt:
  • (B₁) Feststoffteilchen aus 50 Gew.-% der Quellstärke Amÿel® VA 160 der Firma Maizena GmbH und 50 Gew.-% Melaminphosphat
  • (B₂) 60 Gew.-% der bei (B₁) genannten Quellstärke und 40 Gew.-% Melaminphosphat
  • (B₃) 70 Gew.-% der bei (B₁) genannten Quellstärke und 30 Gew.-% Melaminphosphat
  • (B₄) 40 Gew.-% der bei (B₁) genannten Quellstärke und 60 Gew.-% Melaminphosphat
  • (B₅) 50 Gew.-% Lignocel® HBS tr 150/500 der Firma J. Rettenmeier und Söhne Holzmühle und 50 Gew.-% Melaminphosphat
  • (B₆) 50 Gew.-% Lignocel® S 150 tr der unter (B₅) genannten Firma und 50 Gew.-% Melaminphosphat
  • (B₇) 50 Gew.-% Arbocel® BE 600/30 der unter (B₅) genannten Firma und 50 Gew.-% Melaminphosphat
  • (B₈) 50 Gew.-% Arbocel® BE 00 der unter (B₅) genannten Firma und 50 Gew.-% Melaminphosphat
  • (B₉) 50 Gew.-% der bei (B₁) genannten Quellstärke und 40 Gew.-% Melaminphosphat, angezeigt mit 10 Gew.-% eines Gemisches aus Methanphosphonsäuredimethylester und Dimethylcresylphosphat (Rheoflam® 303 der Firma Ciba-Geigy AG).
  • (B₁₀) 40 Gew.-% der bei (B₁) genannten Quellstärke und 40 Gew.-% Melaminphosphat, angezeigt mit 20 Gew.-% eines Gemisches aus Rheoflam® 303 der Firma Ciba-Geigy AG.
  • (B₁₁) 50 Gew.-% der bei (B₁) genannten Quellstärke und 40 Gew.-% Melaminphosphat, angezeigt mit 10 Gew.-% eines Gemisches aus Methanphosphonsäuredimethylester und Dimethylcresylphosphat (Rheoflam® 306 der Firma Ciba-Geigy AG).
  • (B₁₂) 40 Gew.-% der bei (B₁) genannten Quellstärke und 40 Gew.-% Melaminphosphat, angezeigt mit 20 Gew.-% Rheoflam® 306 der Firma Ciba-Geigy AG
  • (B₁₃) 40 Gew.-% der bei (B₁) genannten Quellstärke und 40 Gew.-% Melaminphosphat, nachträglich vermischt mit 20 Gew.-% Triphenylphosphinoxid
Die Abkürzungen (B1) bis (B₁₃) werden in der Tabelle 1 bei der Kennzeichnung der betreffenden Formmassen verwendet.
Beispiele 1 bis 23 und Vergleichsversuche V1 bis V9
Die in der Tabelle 1 angegebenen Mengen (in Gew.-%) (A) der erfindungsgemäßen Formmassen wurden auf einen Kneter der Firma Brabender aufgeschmolzen. Zu der Schmelze dosierte man die in der Tabelle 1 angegebenen Mengen (B1) bis (B14) in Pulverform hinzu. Die Mischungen wurden so lange geknetet, bis die Komponenten (B1) bis (B16) gleichmäßig in (A) verteilt waren. Die Formmassen wurden hiernach zu den üblichen, für den UL-94-Brandtest verwendeten Stäbchen verpreßt.
Die zum Vergleich herangezogenen Massen wurden nie die erfindungsgemäßen aus entsprechenden Polymeren, Melaminphosphat, Triphenylphosphinoxid Flammschutzmittel etc. hergestellt.
Vergleichsversuche V10 bis V18
Die Vergleichsversuche V1 bis V9 wurden wiederholt, nur daß anstelle von PS HIPS-1 verwendet wurde. Hierbei wurden die gleichen nachteiligen Ergebnisse erhalten, wie bei V1 bis V9 in der Tabelle aufgeführt.
Vergleichsversuche V19 bis V27
Die Vergleichsversuche V1 bis V9 wurden wiederholt, nur daß anstelle von PS SAN-1 verwendet wurde. Hierbei wurden noch schlechtere Ergebnisse erzielt als bei V10 bis V18; dies traf auch zu für:
Vergleichsversuche V28 bis V36
Die Vergleichsversuche V19 bis V27 wurden wiederholt, nur daß anstelle von SAN-1 ABS-20 verwendet wurde.
Vergleichsversuch V37
Die Verwendung des aus der EP-A 01 49 813 (US-A 46 32 946) bekannten Flammschutzsystems in HIPS.
Beispiel 1 wurde wiederholt, nur daß anstelle der erfindungsgemäßen Komponente (B1) eine Mischung aus, bezogen auf die Mischung,
  • - 33,33 Gew.-% eines Novolaks, hergestellt aus 40 Gewichtsteilen o-Kresol, 30 Gewichtsteilen m-Kresol und 30 Gewichtsteilen p-tert.-Butylphenol
  • - 33,33 Gew.-% Methanphosphonsäureneopentylester und
  • - 33,33 Gew.-% Melamin
verwendet wurde.
Die so erhaltene Formmasse erzielte keine Einstufung nach UL 94, sondern brannte ab. Überdies war sie klebrig und wies eine gelbe Eigenfärbung auf.
Tabelle
Die stoffliche Zusammensetzung und die Eigenschaften erfindungsgemäßer Formmassen (Beispiele 1 bis 25) und nichterfindungsgemäße Formmassen (Vergleichsversuche V1 bis V9)

Claims (9)

1. Halogenfreie, flammgeschützte, thermoplastische Formmasse, enthaltend, jeweils bezogen auf die verarbeitungsfertige Formmasse,
  • (A) 30 bis 90 Gew.-% mindestens eines halogenfreien, thermoplastischen Styrol-(Co)polymerisats und
  • (B) 10 bis 70 Gew.-% mindestens eines weiteren halogenfreien Bestandteils
dadurch gekennzeichnet, daß sie als Bestandteil (B) Cellulose-, Stärke- und/oder Holzmehlteilchen enthält, die, bezogen auf ihr Gewicht, mit 30 bis 300 Gew.-% Melaminphosphat beschichtet sind.
2. Formmasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen (B) den alleinigen weiteren halogenfreien Bestandteil darstellen.
3. Formmasse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen (B) eine Größe im Bereich von 10 bis 300 µm aufweisen.
4. Formmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Formmasse zusätzlich
  • (C) 2 bis 15 Gew.-%, bezogen auf die Formmasse, einer Phosphor enthaltenden Verbindung aus der Gruppe der Phosphine, Phosphinoxide, Phosphinigsäuren, Phosphate, Hypophosphite, Hypophosphate sowie der Amide der Phosphinsäure, der Phosphonsäure und der Phosphorsäure
enthält, wobei die Mengen von (A), (B) und (C) sich wiederum auf die fertige Formmasse beziehen.
5. Formmasse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Phosphor enthaltende Verbindung (C) Triphenylphosphinoxid oder ein Gemisch aus Methanphosphonsäuredimethylester und Dimethylkresylphosphat enthält.
6. Verwendung der Formmassen nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung von Formteilen.
7. Formteile, hergestellt unter Verwendung einer Formmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
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