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Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von Bauxit als
flammhemmendes Mittel in nicht-wässrigen organischen
Polymer-Formulierungen, insbesondere in elektrischen Isolier- oder Verschalungs-
oder Einkapselungszusammensetzungen.
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Bauxit-Erz enthält 40 bis 70% Aluminium enthaltende Mineralien
aus hauptsächlich Gibbsit (einer kristallinen Form von
Aluminiumtrihydroxid oder ATH) und aus Boehmit. Diese Erze enthalten auch viele
mineralische Verunreinigungen, unter Einschluss von Silikaten, Eisen-
und Titanverbindungen und von organischen Verbindungen, insbesondere
von Humaten.
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Aluminiumtrihydroxid (ATH) wird in sehr breitem Umfang als ein
flammhemmendes Additiv in verschiedenen organischen Polymer-
Formulierungen bzw. -Zubereitungen verwendet. ATH weist die wertvolle
Eigenschaft auf (wie übrigens auch Magnesiumhydroxid), sich endotherm
bei Temperaturen in einem Bereich, bei dem organische Polymere dazu
neigen, Feuer zu fangen bzw. sich zu entzünden, unter Freisetzung von
nicht-toxischem Gas (Dampf) zu zersetzen, mit der Tendenz, Sauerstoff
auszuschließen bzw. fernzuhalten. ATH wird mit dem Bayer-Verfahren aus
Bauxit hergestellt. Da dieser auch noch andere Verwendungen hat,
insbesondere als Rohmaterial zur Herstellung von Aluminiumoxid zur
Verwendung in Schmelzöfen zur Produktion von metallischem Aluminium,
erfordert Bauxit einen Prämienpreis. Es besteht daher Bedarf für ein
billigeres flammhemmendes Mittel, das die vorteilhaften Eigenschaften
von ATH aufweist. Dieser Bedarf besteht bereits seit mehreren Dekaden.
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In US 4,126,473 und 4,390,653 ist Bauxit als gegenüber ATH
alternatives flammhemmendes Mittel genannt. US 4,216,130 beschreibt die
Verwendung von Bauxit als flammhemmenden Füllstoff in Gummilatex-
Zusammensetzungen für Stützüberzüge von Teppichen. Kritische
Grenzbereiche werden bezüglich Partikelgröße und Oberflächenfläche und pH
aufgestellt, damit sich der Bauxit genügend gut in den Polymerschaum-
Zusammensetzungen auszuwirken vermag. GB 1506154 beschreibt die
Verwendung von Bauxit als flammhemmendes Mittel in Polyurethanschaum-
Formulierungen; grobe Partikel oder Aggregate werden zum Erhalt einer
angemessenen Schaumstabilität eingesetzt. Vielleicht wegen dieses
Destabilisierungsproblems hat Bauxit niemals kommerziellen Erfolg als
flammhemmendes Mittel in Latex- oder Polyurethan-Schäumen erlangt, und
tatsächlich auch nicht in irgendwelchen anderen Polymer-Formulierungen
bzw. -Zuberei-tungen.
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Polymer-Formulierungen zur Verwendung in der Elektro- und
Elektronikindustrie müssen abgestufte und anspruchsvolle Kriterien
erfüllen, wie sie z. B. in Underwriters Laboratories Publication UL44
definiert sind. Ein Hauptverwendungszweck betrifft die Isolierung und
Verschalung für elektrische oder faseroptische Drähte und Kabel; werden
solche Drähte und Kabel atmosphärischen oder marinen Umgebungen
ausgesetzt, macht dies eine ausgezeichnete Wasserbeständigkeit
erforderlich. Ausgezeichnete mechanische Eigenschaften sind für
Kabelverschalungen ebenfalls erforderlich. Ein weiteres Einsatzgebiet betrifft
Gießzusammensetzungen, die dazu verwendet werden, elektrische oder
faseroptische Komponenten oder Verbindungsstücke, z. B. auf
Schaltkreisplatten oder als Transformatorspulen, zu überziehen oder einzukapseln;
dabei ist wiederum eine ausgezeichnete Wasserbeständigkeit für externe
oder marine Umweltbedingungen erforderlich. Selbstverständlich sind
ausgezeichnete flammhemmende Eigenschaften in allen Fällen ebenfalls
notwendig.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass in
vielen Fällen die relevanten Eigenschaften von Bauxit im wesentlichen
oder zumindest ebenso gut wie die von ATH sind. Da Bauxit viel
billiger als ATH ist, hat diese Erkenntnis signifikante kommerzielle
Konsequenzen und Auswirkungen. Da Bauxit eine große Anteilsmenge von ATH
enthält, sind die Gründe für etwaige Verbesserungen nicht offenkundig;
vielleicht rühren diese aus einem synergistischen Effekt zwischen dem
ATH und Eisenoxid oder einem der weiteren mineralischen Komponenten
von Bauxit.
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Bauxit enthält in typischer Weise 10% oder mehr (nicht-
aluminischer) Zusammensetzungsverunreinigungen, die davon abhängen, wo
das Mineral abgebaut worden ist. Es war (für die Erfinder)
überraschend, herauszufinden, dass diese Verunreinigungen die Eigenschaften
von Bauxit (gegenüber bzw. im Hinblick auf ATH) materiell nicht
beeinträchtigen, sogar in anspruchsvollen Anwendungsgebieten, wie bei der
Isolierung und Verschalung und Einkapselung elektrischer Komponenten.
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In JP-A-05017692 sind Zusammensetzungen beschrieben, die zur
Herstellung elektrischer Drähte und Kabel verwendet werden, wobei
Oberflächen-behandelter Brucit als flammhemmendes Mittel eingesetzt
wird.
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Eine Verunreinigung, die im allgemeinen in Bauxit nicht
vorhanden ist, betrifft lösliche Alkalimetallverbindungen, die im
allgemeinen als Soda gemessen werden. Im Gegensatz dazu enthält, als Ergebnis
seiner Herstellung mit dem Bayer-Verfahren, ATH messbares Soda. Wegen
und auf Grund dieses Unterschieds beim Soda-Gehalt weisen Polymer-
Formulierungen, die Bauxit enthalten, oft eine bessere
Wasserbeständigkeit als vergleichbare Formulierungen auf, die ATH enthalten.
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In einer Ausführungsform werden durch die vorliegende Erfindung
ein elektrischer oder faseroptischer Draht oder ein entsprechendes
Kabel bereitgestellt, die mit einer Isolierung oder Verschalung versehen
sind, welche ein organisches Polymer sind, das eine wirksame
Konzentration von Bauxit als Flammhemmer enthält, worin der Bauxit ein nicht-
überzogener Bauxit mit hohem Aluminiumoxid-Gehalt ist und einen
löslichen Soda-Gehalt unterhalb 0,01 Gew.% aufweist.
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In einer weiteren Ausführungsform wird durch die vorliegende
Erfindung eine Elektro- oder Faseroptik-Komponente oder ein
entsprechendes Verbindungsstück bereitgestellt, die mit einem organischen Polymer
überzogen oder darin eingekapselt sind, welches eine wirksame
Konzentration von Bauxit als Flammhemmer enthält, worin der Bauxit ein nicht-
überzogener Bauxit mit hohem Aluminiumoxid-Gehalt ist und einen
löslichen Soda-Gehalt unter 0,01 Gew.% aufweist.
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Die nicht-wässrige organische Polymer-Formulierung kann sich zur
Formgebung eignen, und zwar durch Schmelzen, Gießen, Extrudieren,
Formung, Härtung und durch weitere technische Verfahrensweisen, die auf
dem einschlägigen Gebiet gut bekannt sind. Die Formulierung beruht auf
einem organischen Polymer, das Naturgummi oder ein synthetisches Harz,
Kunststoff oder ein elastomeres, thermoplastisches oder wärmehärtendes
Polymer sein kann. Die folgenden sind Polymere, die für Draht- und
Kabelanwendungszwecke verwendet werden:
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Ethylen-Propylen-Terpolymer-Gummi (EPDM)
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Ethylen-Propylen-Gummi (EPR)
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Isopren-Isobutylen-(Butyl)-Gummi (IIR)
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Acrylnitril-Butadien-Copolymergummi (NBR)
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Naturgummi (NR)
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Polychloropren-Gummi (PCP)
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Styrol-Butadien-Gummi (SBR)
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Silicongummi (SR)
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Polyisobutylen (PIB),
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wobei diese obigen dazu befähigt sind, entweder thermoplastischer oder
vulkanisierter Gummi zu sein;
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Polyester
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Polyacrylat
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Epoxi
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Polyurethane (PUR)
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Polycarbonat
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Polyolefine
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Polypropylen (PP)
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Ethylen-Tetrafluorethylen (ETFE)
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Ethylen-Vinylacetat (EVA)
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chloriertes Polyethylen (CPE)
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chlorsulfoniertes Polyethylen (CSP)
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Polytetrafluorethylen (PTFE)
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Polyethylenterephthalat (PETP)
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Polyethylen hoher Dichte (HDPE)
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Polyethylen sehr hoher Dichte (VHDPE)
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Polyethylen niedriger Dichte (LDPE)
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Polyethylen ultraniedriger Dichte (ULDPE)
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lineares Polyethylen niedriger Dichte (LLDPE)
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vernetztes Polyethylen
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Polycarbonat
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Polyvinylacetat (PVA)
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Polyvinylchlorid (PVC)
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sowie jedes der obigen Polymeren, die mit der Metallocen-
Katalysator-Technologie hergestellt werden.
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Epoxi-, Polyester-, Acryl- und Phenol-Harze bzw. -Polymere sind
Beispiele von Polymersystemen, die ganz allgemein zur Gießumhüllung
und Einkapselung elektrischer und faseroptischer Komponenten und
Verbindungsstücke verwendet werden.
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Weitere typische Zubereitungsbestandteile sind unten
aufgelistet, und sie werden in üblichen Konzentrationen gemäß den Empfehlungen
der Hersteller eingesetzt und angewandt:
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Vulkanisier/Vernetzungssysteme
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Stabilisiermittel, einschließlich UV-Stabilisierer
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Anitoxidanzien
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Plastifiziermittel
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Gleit- bzw. Schmiermittel
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Farbstoffe
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Stoßmodifiziermittel
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weiteres Flammhemmer
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Verarbeitungshilfsmittel
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Kohlenstoffruß
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Kupplungsmittel
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Silane
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Fasern
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Glanzsteuermittel
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Antischrumpfadditive
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Halogen-Quelle.
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Der Begriff "nicht-wässrig" soll Wasser-basierte Latex-Systeme
und andere Formulierungen ausschließen, die signifikante Mengen Wasser
beispielsweise als Lösungsmittel für Katalysatoren oder andere
Additive enthalten. Formulierungen gemäß der Erfindung sind im allgemeinen
im wesentlichen oder vollständig frei von Wasser, obwohl Vorliegen
bzw. Gegenwart kleiner Mengen von zufällig vorhandenem Wasser nicht
unbedingt ein Problem darstellen.
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Ein Elektrodraht besteht aus einem Stromträger, der von einer
Isolierung umgeben ist. In einem Elektrokabel ist die einen
Stromträger umgebende Isolierung selbst von einer Verschalung umgeben, die
einen Beitrag zu den mechanischen, elektrischen und weiteren
Eigenschaften des Kabels leistet. Elektrodraht oder Kabel schließen Kabel
niedriger, mittlerer und hoher Spannung, Energieversorgungskabel,
Kommunikationskabel, Verteilungskabel und Faseroptik-Kabel ein. Die Begriffe
"Elektrokomponente" und "Elektroverbindungsstück" werden breit
verwendet, um alle diejenigen Stromträger zu umfassen, die von einer
Schutzisolierung umgeben oder damit überzogen oder darin eingekapselt sind.
In Faseroptik-Kabeln wird ein Lichtträger anstatt eines Stromträgers
angewandt; das Erfordernis für eine schützende Verschalung und
Isolierung ist im allgemeinen das gleiche wie für Elektrokabel. Optische
Faserkabel sind oft nassen Bedingungen, z. B. unter der Erde oder unter
Wasser, ausgesetzt. Ein Eindringen von Wasser verursacht einen
Leistungsverlust der Glasfasern, entweder durch Korrosion oder durch
andere Mittel.
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Ein Elektrodraht oder eine Faseroptik oder ein Kabel oder eine
Komponente oder ein Verbindungsstück können hergestellt werden, indem
die organische Polymer-Formulierung definitionsgemäß bei einer
Temperatur von oberhalb 100ºC, insbesondere von oberhalb 150ºC, geformt
wird. Viele Polymer-Formulierungen werden bei Temperaturen um ca.
200ºC (z. B. bei 180 bis 220ºC) geformt, und in diesen Formulierungen
ist die thermische Stabilität eines jeden flammhemmenden Mittels von
entscheidender Bedeutung. Polypropylen, Polystyrol, Bitumen, EVA, EPR,
EPDM und einige Polyester sind Beispiele von Materialien, die bei
diesen Temperaturen geformt werden können. In EP-A-377 881, worin ein
Verfahren zur Behandlung von ATH zur Verbesserung seiner thermischen
Stabilität angegeben ist, wird die gravierende Bedeutung des Problems
angesprochen. Wie unten dargelegt, weisen Bauxit und Brucit-
Materialien thermische Stabilitäten auf, die so gut oder sogar besser
als die von herkömmlichem ATH sind.
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Solche Polymerprodukte werden oft dazu formuliert,
wasserbeständige Eigenschaften aufzuweisen, um dadurch häufigem oder konstanten
Kontakt mit Wasser in Dampf- oder ganz besonders in flüssiger Form zu
widerstehen. Das Ausmaß, bis zu welchem derartige Polymerprodukte
Wasser absorbieren, ist ein wichtiges und entscheidendes
Eigenschaftsmerkmal; wie unten dargelegt, weisen Formulierungen, die Bauxit oder
Brucit als Flammhemmer enthalten, oft eine niedrigere Wasserabsorption
als vergleichbare Formulierungen auf, die herkömmliches ATH enthalten.
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Bauxit, der aus unterschiedlichen Bergwerken und sogar aus dem
gleichen Bergwerk stammt, weist ganz variable Zusammensetzungen auf.
Bevorzugt zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung ist Bauxit mit
hohem Aluminiumoxid-Gehalt, womit ein Bauxit gemeint ist, der
mindestens 57 Gew.% Al&sub2;O&sub3; enthält. Die unten beschriebenen experimentellen
Arbeiten sind mit einem Bauxit mit hohem Aluminiumoxid-Gehalt
durchgeführt worden, der aus Afrika und S. Amerika erhalten wurde und die
folgenden Zusammensetzungen aufweist:
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Bauxit mit hohem Aluminiumoxid-Gehalt weist häufig den Vorteil,
der für einige Anwendungen wichter als für andere ist, auf, eine
geringere
Farbe (hauptsächlich wegen (weniger)Eisenoxid-
Verunreinigungen) als gewöhnlicher Bauxit aufzuweisen bzw. weniger
gefärbt zu sein. Der Bauxit kann mit herkömmlichen Maßnahmen auf eine
Partikelgröße gemahlen werden, die sich für die jeweilige Polymer-
Formulierung eignet, worin er eingesetzt werden soll.
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Vorzugsweise weist der eingesetzte Bauxit einen sehr niedrigen
löslichen Soda-Gehalt (unterhalb 0,01 und vorzugsweise unterhalb 0,001
Gew.%) und einen sehr niedrigen Gesamt-Sodagehalt (unterhalb 0,1 und
vorzugsweise unterhalb 0,02 oder 0,01 Gew.%) auf. Dies kann sehr
wichtig in. Anwendungsgebieten, z. B. bei Kabelverschalung oder
-isolierung, sein, wobei das Produkt Wasser unter Bedingungen ausgesetzt
ist, bei denen das vorhandene Natrium den Effekt aufweist, die
dielektrischen Eigenschaften der Isolierung stufenweise herabzusetzen,
was gegebenenfalls zum Zusammenbruch führt. Natrium begünstigt auch
ein schnelleres Eindringen von Wasser oder Wasserdampf, als dies
anderweitig der Fall sein würde. Beispiele von Systemen, bei denen diese
Nachteile herabgesetzt werden müssen, schließen die Verschalung von
Kabeln sowie elektrische Gehäuse und Formgegenstände ein.
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Bauxit-Erz kann auf einfache Weise abgebaut und gewonnen und auf
die gewünschte Partikelgröße zur Verwendung als flammhemmendes Mittel
gemahlen werden. Eine bevorzugte mittlere Partikelgröße liegt im
Bereich von 0,3 bis 5,0 um, mit einer bevorzugten Oberflächenfläche von
> 10 m²/g. Optimale Partikelgröße und Oberflächenfläche können von der
Polymer-Formulierung oder dem beabsichtigten Verwendungszweck des
Produkts abhängen, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. So ergibt
beispielsweise eine mittlere Partikelgröße von ca. 1 um eine maximale
Stoßfestigkeit bei Polypropylen; die Partikelgröße ist aber weniger
wichtig bei Polyvinylchlorid. Für elektrische und faseroptische Kabel
ergeben Füllstoff-Partikelgrößen von 1 um oder weniger eine maximale
Zugfestigkeit, ohne in signifikanter Weise für andere Eigenschaften
abträglich zu sein.
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Verschiedene technische Verfahrensweisen für den Mahlvorgang
sind möglich. Ein Polyacrylat-, Phosphat- oder ein weiteres
Dispergiermittel können angewandt werden, um die für den Mahlvorgang
benötigte Wassermenge zu minimieren; wenn dies die Zugabe von löslichem
Soda mit sich bringen sollte, ist diese Menge nicht signifikant. Die
Verwendung solcher Additive ist in einigen Fällen bekannt, um die
Verarbeitbarkeit des Füllstoffs in thermoplastischen Kunststoffen zu
erhöhen. Der Bauxit-Flammhemmer kann, entweder während oder nach dem
Mahlvorgang, mit einer Fettsäure, einem Silan oder einem weiteren
Oberflächenmodifiziermittel zur Verbesserung der Polymerkompatibilität
überzogen werden. Allerdings ist ein größerer Vorteil von Bauxit-
Flammhemmern deren niedrige Kosten, und dieser Vorteil verringert
sich, wenn Überzugsmittel oder Modifiziermittel angewandt werden
müssen. Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung werden daher die
Bauxit- und Brucit-Flammhemmer in nicht-überzogenem Zustand angewandt
und eingesetzt.
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Der Bauxit wird mit üblichen Beaufschlagungsmengen eingesetzt,
die 20 bis zu 500% oder sogar mehr betragen können, bezogen auf das
Gewicht des nicht-flüchtigen Feststoffgehalts des Polymer.
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Zur Verwendung als flammhemmendes Mittel in Polymer-
Formulierungen ist Bauxit, insbesondere Bauxit mit hohem
Aluminiumoxid-Gehalt, dazu befähigt, die folgenden Vorteile gegenüber ATH
aufzuweisen. Unterschiedliche Vorteile können in unterschiedlichen
Anwendungen auftreten oder wichtig sein:
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- sehr niedriger Soda-Gehalt, der zu erniedrigter
Wasserabsorption und verbesserten elektrischen Eigenschaften führt,
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- verbesserte Thermostabilität mit dem Ergebnis, dass die
Kompoundierbedingungen weniger kritisch sind,
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- ganz allgemein, bessere Eigenschaften zum leichteren
Kompoundieren mit Polymeren,
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- herabgesetzte Viskosität der kompoundierten Polymer-
Formulierungen,
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- verbesserte Feuerbeständigkeit, insbesondere bezüglich der
Zeit bis zum Feuerfangen bzw. zur Entzündung,
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- verbesserte Eigenschaften zum Unterdrücken der
Rauchentwicklung,
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- dramatisch verringerte Kosten.
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Die folgenden Polymer-Formulierungen werden gemäß der Erfindung
ganz besonders in Betracht gezogen:
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(a) Kabelverschalung (Polyolefine und Copolymere, z. B. EVA und
EPDM und auch Polyethylen selbst, insbesondere Metallocen-
Polyethylene). Ein niedriger Natrium-Gehalt ist hier sicherlich für
die beste Beständigkeit gegenüber dem Eindringen von Wasser wichtig.
Die Farbe des Bauxit und Brucit ist nicht sehr wichtig bei den meisten
Verschalungsanwendungen, wobei diese gewöhnlich schwarz oder hell
pigmentiert sind. Allerdings sind jegliche thermische
Stabilitätsverbesserungen von Bauxiten mit hohem Aluminiumoxid-Gehalt gegenüber ATH von
signifikantem Vorteil für die Hersteller von Kabeln. Sie werden dazu
befähigt, exotischere Polymere anzuwenden und einzusetzen und/oder
heißer und schneller zu extrudieren, was somit kostengünstiger ist.
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(b) Polypropylen. Es ist technisch möglich, aber schwierig, ATH
in Polypropylen einzuarbeiten, weil die dabei eine Rolle spielenden
Schmelztemperaturen nahe dem Zersetzungspunkt von ATH liegen. Die
verbesserte thermische Stabilität und die verbesserten
Feuerbeständigkeitseigenschaften von Bauxit mit hohem Aluminiumoxid-Gehalt sollten
von signifikantem Vorteil sein.
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(c) Wärmehärtende Polymere (z. B. wärmehärtende Polyester-,
Acryl-, Epoxi- und Phenol-Polymere). Die verbesserte thermische
Stabilität von Bauxit mit hohem Aluminiumoxid-Gehalt sollten von realem
Vorteil in einigen dieser Anwendungen, z. B. in Gießzusammensetzungen zur
Einkapselung von Schaltkreisbrettern oder Transformer-Spulen, sein.
Bauxite mit hohem Aluminiumoxid-Gehalt haben sich in ungesättigten
Polyestern als wirkungsvoll erwiesen, die wahrscheinlich die
empfindlichsten wärmehärtenden Polymere sind.
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(d) Gummi. Bezüglich Kabelverschalungen (die oft aus Gummi
sind), sind Vorteile aus der Verwendung von gemahlenen Bauxiten mit
hohem Aluminiumoxid-Gehalt im Hinblick auf eine verringerte
Wasseraufnahme wegen des sehr niedrigen Gehalts von Soda und weiterer
wasserlöslicher ionischer Verunreinigungen zu erwarten. Die Farbe stellt
keinen signifikanten Gesichtspunkt bei Gummi-Formulierungen dar, die
mit Kohlenstoffruß verstärkt sind.
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Die folgenden Beispiele verdeutlichen die Erfindung.
Beispiel 1
Vergleich von Hoch-Aluminiumoxid-Afrika- und Hoch-Aluminiumoxid-
S. Amerika-Bauxit mit Aluminiumoxid-Trihydrat in Polyester-Harz
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100 g Polyester-Harz SB793C und 150 g flammhemmender Füllstoff
und 2% MEKP (Methylethylketonperoxid) wurden bei Raumtemperatur
vermischt, in Formkörper gegossen und gehärtet.
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Bauxit mit hohem Aluminiumoxid-Gehalt aus Afrika und S. Amerika
zeigt und ergibt ein gutes Feuerbeständigkeitsleistungsvermögen in
Polyester. Der Leistungsindex bei der Befeuerung des südamerikanischen
Materials war nahezu identisch mit dem von ATH. Die Polyester-
Formulierungen, die beide Bauxit-Materialien enthielten, wiesen eine
viel niedrigere Viskosität als die Formulierung auf, die ATH enthielt.
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Die charakteristischen Eigenschaften der in Polyester-Harz
getesteten Bauxite waren die folgenden:
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Proben wurden mit einer Beaufschlagung von 150 phr Bauxit
hergestellt, und es wurden Viskositäts-COI-(kritischer Sauerstoffindex),
Kegel-Kalorimeter- und Härtungszeit-Tests (Gelzeitversuche)
durchgeführt. Proben mit einer Beaufschlagung von 100 phr wurden für Spitzen-
Exothermie- und Exothermie-Zeitablauf-Tests herangezogen. MEKP wurde
mit 2% zum Harz in allen Tests, ausser bei der Viskositätsmessung,
gegeben. Eine Menge von 0,5% Kobalt-Beschleuniger wurde benötigt, um die
letzten 4 Versuche durchzuführen. Während der Tests erwies sich ATH
als am schwierigsten, vermischt zu werden, wogegen das
südamerikanische Material diesbezüglich das am einfachsten zu handhabende war.
Viskossitätsablesungen wurden mit einer Brookfield-Viskosimeter-Spindel
Nr. 7 durchgeführt. Spitzen-Exothermie und der Zeitablauf bis zu
dieser Spitze wurden mit eine Diagramm-Aufnahmegerät bei 10 mm/min
durchgeführt. Zwei Platten einer jeden Probe wurden zum Kegel-Kalorimeter-
Test gegeben.
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Die Formulierungen, die HA Afrika- und HA S. Amerika-Bauxit
enthielten, wiesen Viskositäten auf, die 10 bis 20mal niedriger als die
Formulierung waren, die ATH enthielt. Dies stellt einen wichtigen
Faktor bei einer Produktion in kommerziellem Maßstab dar. Sowohl HA
Afrika- als auch HA S. Amerika-Bauxit zeigten und ergaben gute
Feuerbeständigkeitsdaten in dieser Polyester-Formulierung, wie aus den
folgenden Ergebnissen ersichtlich:
Beispiel 2
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Proben wurden mit Thermogravimetrie und
Differenzialthermoanalyse getestet. Die Proben waren südamerikanischer und afrikanischer
Bauxit mit hohem Aluminiumoxid-Gehalt und Indischer Bauxit sowie Brucit
und ATH, im Handel erhältlich von Alcan Chemicals Limited unter der
Handelsmarke SF11. In dieser Bezeichnung bedeutet SF Superfein und die
Zahl (11) gibt die Oberflächenfläche in m²/g an. Die erhaltenen
Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.
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Ebenfalls enthalten in der Tabelle sind Zahlenangaben für
lösliches Soda und Gesamt-Soda.
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Das Superfeine Aluminiumoxid-Hydrat zeigt ein Einsetzen des
Abbaus von ATH bei 195ºC. Die Bauxite waren alle um ungefähr 25ºC
thermisch stabiler. Dagegen war ein Aluminiumoxid-Hydrat mit FRFLV-Grad
viel weniger thermisch stabil (Ergebnisse sind nicht angegeben).
Beispiel 3
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Dieses Beispiel zeigt Wasserabsorptionseigenschaften und Kegel-
Kalorimeter-Ergebnisse für eine Kabel-Formulierung auf Basis von
Ethylen-Vinylacetat.
Experimentelles
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Die folgende Formulierung wurde angewandt (in phr):
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EVA (Escorene Ultra UL 00119) 100
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Füllstoff 150
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Silan RC1 (von OSI) 1,5
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Irganox 1010 (von Ciba) 0,5
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Die Füllstoffe mit den folgenden Eigenschaften wurden in EVA
angewandt:
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Der Indische Bauxit bedurfte einer vorgeschalteten Behandlung, bevor
er kompoundiert wurde. Der wie erhaltene Indische Bauxit wurde
zerkleinert und dann in einer Ultrazentrifugenmühle mit einem 0,5 Ring-
Sieb gemahlen.
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Die Kompoundierung erfolgt auf einer Zwei-Walzen-Mühle, der
Dampferzeuger wurde auf 100 bis 110ºC festgelegt. Danach wurden die folgenden
Formgebungen durchgeführt:
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2 3 mm dicke Formkörper (10·10 cm) für den Kegel-Kalorimeter-Test
(Ausstrahl-Niveau: 40 kW/m²),
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3 mm dicke Stücke (1 cm breit) für COI
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1 1 nun dicker Formkörper (7,7·7,5 cm) für den Wasserabsorptionstest.
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Der Wasserabsorptionstest wurde in einem Wasserbad von 70ºC
durchgeführt. Die folgenden Ergebnisse wurden für die %-Wasserabsorption nach
Eintauchen über 1 Jahr erhalten:
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Füllstoff %-Wasserabsorption
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SF11 7,0
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HA S. Amerika 0,63
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HA Afrika 0,66
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Indischer Bauxit 1,03
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Brucit 3,4
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Wie ersichtlich, absorbierten die mit Bauxit gefüllten Proben
weniger Wasser als die restlichen Proben. Signifikante Unterschiede
wurden mit HA Afrika und HA S. Amerika, verglichen mit dem Füllstoff
aus Aluminiumoxid-Hydrat, festgestellt. Es ist vorhersehbar, dass
Kabel mit einer Verschaltung aus Formulierungen, die Bauxit-Flammhemmer
enthalten, eine längere Lebensdauer in Kontakt mit Wasser oder bei
Vergrabung unter der Erde als andere Formulierungen haben werden.
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Kegel-Kalorimeter-Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle
aufgeführt:
Kegel-Kalorimeter-Ergebnisse einer Kabel-Formulierung (EVA)
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Die höchsten COI-Zahlen wurden für SF11 und HA S. Amerika
(gemahlen) gefunden und ermittelt. Mittlere Zahlen wurden für HA Afrika
erhalten, gefolgt von Brucit und dem Indischen Bauxit. Gemahlener HA
S. Amerika wies eine bessere Entzündungszeit als SF11 auf. Die Zeit
bis zum Verlöschen war weniger gut für SF11 als für HA Afrika und HA
S. Amerika. Sehr kleine Spitzen-HR-Raten wurden in beiden Sorten von
HA S. Amerika beobachtet. HA Afrika ergab einen besseren Spitzenwert
als SF11. Alle Bauxite ergaben eine niedrigere Gesamt-Hitzefreisetzung
als SF11. Brucit ergab die kleinste Gesamt-Rauchfreisetzung, gefolgt
von HA. S. Amerika und HA Afrika; SF11 ergab diesbezüglich einen der
höchsten Werte. Die niedrigesten CO&sub2;-Spitzenwerte wurden für HA S.
Amerika und HA Afrika ermittelt. HA S. Amerika wies niedrige
Masseverlust-Zahlenwerte auf, gefolgt von Brucit und HA Afrika; den höchsten
Zahlenwert wies hier SF11 auf.
Beispiel 4
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Flammhemmende Füllstoffe mit den folgenden Eigenschaften wurden
angewandt:
Formulierung
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Die getesteten Proben wiesen die folgende Formulierung auf:
(phr)
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EVA (Escorene Ultra UL001190) 100
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Füllstoff 150
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S3A 1,5
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Irganox 10.10 0,5
Verfahrensweise
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1 mm dicke Platten (15·15 cm) wurden mit Isobutylmethylketon
(Silber-Farbe) für einen Elektrotest, wie erforderlich, angestrichen.
1 mm dicke Platten (7,5·7,5 cm) wurden für einen
Wasserabsorptionstest hergestellt. Das Wasserbad wurde auf 70ºC festgelegt. Ein
Digital-Megohmeter 4250 wurde herangezogen, um Widerstandsdaten bei 500 V
zu ermitteln. Ein Wayne Kerr Automatic CLR-Messgerät 4250 wurde
herangezogen, um Daten für das Kapazitätsvermögen und den
Dissipationsfaktor zu ermitteln. Ablesungen wurden vorgenommen, bevor die Proben in
das Wasserbad eingebracht wurden. Anschließende Messungen der
Wasserabsorption und der elektrischen Eigenschaften wurden nach 1, 2, 3, 7,
14, 21 und 30 Tagen und danach nach 2, 3, 4, 5 und 6 Monaten
vorgenommen. Die Proben mussten sauber getrocknet werden, bevor eine Messung
durchgeführt wurde.
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Im folgenden sind die angewandten Berechnungen aufgeführt.
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Die Wasserabsorption wurde ausgedrückt als:
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% absorbiertes Wasser = (tatsächliches Probengewicht -
Anfangsprobengewicht)·100/Anfangsprobengewicht
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Das Kapazitätsvermögen wurde ausgedrückt als Permissivität
(Farad·mm) unter Anwendung der Gleichung:
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ε = 144·T Cp./(50)² mmFarad/mm²
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T = Dicke der Probe in mm
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50 = Durchmesser der zylindrischen Elektrode
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Der Widerstand wurde ausgedrückt als Volumen-Widerstandsvermögen
(Ohm·cm) aus der Formel:
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ρ = π/4·(55)²·R : T10mm2 Ohm : (mm·mm/cm) = 238·R : T
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ρ ist das Volumen-Widerstandsvermögen n Ohm·cm
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R = Widerstand, gemessen in Ohm
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T = Dicke der Probe in mm
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55 = Durchmesser der Elektrode + Mittelpunktsabstand der Lücke in mm
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Der Dissipationsfaktor wurde als tan (δ) ausgedrückt.
Ergebnisse: Wasserabsorption aus Originalprobe (&)
Volumen-Widerstandsvermögen Log (Ohm·cm)
Permissivität bei 1 kHz (Farad/mm)
Dissipationsfaktor (tan δ)
Diskussion
Wasserabsorption
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Wie erwartet, ergaben die Proben mit niedrigem Soda-Gehalt viel
niedrigere Zahlenwerte für die Wasserabsorption über den Zeitraum von 6
Monaten, währenddem sie in das Wasserbad eingetaucht waren. Superfeine
Grade ergaben die höchsten Werte. HA S. Amerika und HA Afrika waren
diejenigen Proben, die am wenigsten Wasser absorbierten, gefolgt von
Brucit.
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Volumen-Widerstandsvermögen (hohe Werte sind erwünscht)
Es stellte sich die gleiche Tendenz wie die für die Wasserabsorption
ein. Beide Bauxite ergaben die besten Ergebnisse, und die
Eigenschaften waren und blieben stabil über die gesamte Länge der Versuchsdauer.
SF zeigte eine Tendenz hin zum Absinken des Volumen-
Widerstandsvermögens im Zeitablauf. Dies wurde insbesondere bei der
Ablesung nach dem dritten Monat festgestellt.
Permissivität (niedrige Werte sind erwünscht)
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HA Afrika ergab die besten Ergebnisse, gefolgt von Brucit. Alle
Proben ausser SF4 behielten über die gesamte Dauer des Versuchs einen
stabilen Wert der Ablesung bei. Obwohl das SF4 mittlere Werte bei den
ersten Zeitstufen ergab, begann es, nach der Ablesung im zweiten
Monat, abzusinken.
Dissipationsfaktor (niedrige Werte sind erwünscht)
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SF4 ergab die besten Ergebnisse über die Dauer des Versuchs.
Nicht vor dem sechsten Monat begann es, sich durch Steigerung des
Dissipationsfaktors zu verschlechtern.
Schlussfolgerungen
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Eine Tendenz zur Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften
sowie zu höherer Wasserabsorption im Zeitablauf wurde für SF4
ermittelt. Dies war wegen der höheren Menge des Natrium-Gehalts, verglichen
mit den niedrigpreisigen Füllstoffen, vorhersehbar. Eine umgekehrte
Tendenz oder zumindest eine stabile Tendenz bei den elektrischen
Eigenschaften im Zeitablauf wurden für HA S. Amerika HA Afrika und
Brucit ermittelt.
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HA Afrika-Bauxit ergab im allgemeinen die besten Ergebnisse bei
den elektrischen Eigenschaften sowie einen der niedrigsten
Absorptionszahlenwerte. In dieser Tendenz folgten danach HA S. Amerika und
Brucit.
Beispiel 5
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Die Bauxit- und Brucit-Füllstoffe wurden mit ATH in einer
einfachen PVC-Kabel-Formulierung wie folgt verglichen:
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PVC (DS7060) 100
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Diisooctylphthalat 50
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EZ712-Stabilisiermittel (CD33) 5
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Füllstoff 100
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Kegel-Kalorimetrie und COI wurden an 3 mm dicken Platten
durchgeführt. Die Ergebnisse sind wie folgt zusammengefasst:
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Die Daten verdeutlichen, dass die Verbrennungszeiten, verglichen
mit ATH, für die beiden Bauxite und auch für Brucit verringert sind.
Die Raucherzeugung ist ebenfalls niedriger, wenn diese Füllstoffe
angewandt werden.
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Gesamt-Hitzefreisetzung und kritischer Sauerstoff-Index sind
vergleichbar für die getesteten Füllstoffe.