Screening organischer Metallkomplexe als Flammschutzmittel in Polyamid

Organische Metallkomplexe, welche sich aus einem potentiell flammhemmend wirkenden organischen Liganden sowie Metall zusammensetzen, sollten auf Basis in der Natur vorkommender und physiologisch unbedenklicher Ausgangsstoffen synthetisiert und hinsichtlich ihres Flammverhaltens in Polyamid, dessen Markt insbesondere bezüglich „grüner“ Alternativen, bisher keine zufriedenstellenden Lösungen bietet, untersucht werden.

Aus dem Fundus der Naturstoffe wurden vier Stoffgruppen für die Ligandensynthese ausgewählt: aliphatische Hydroxycarbonsäuren, welche als Fruchtsäuren in einer Vielzahl von Obstsorten zu finden sind (z. B. Weinsäure, Äpfelsäure, Zitronensäure, Milchsäure), aromatische Hydroxycarbonsäuren auf Basis der Salicylsäure, als Bestandteil in verschiedenen Pflanzen (z. B. Gentisinsäure, Resorcylsäure, Salicylsäure und dessen Dimer Salsalat) sowie als wichtige Bausteine und Zwischenprodukte im Stoffwechselkreislauf höherer Lebewesen Purinbasen (z. B. Purin, Xanthin, Harnsäure, Guanin und Adenin) und Nikotinsäurederivate (z. B. Picolinsäure, Dipicolinsäure und Chinolinsäure).

Ergebnisse

Auf Grund seines einfachen und ökologisch attraktiven Synthesekonzeptes, wurden insbesondere  Komplexe aus einer Purinbase und einer Dicarbonsäure mit Zink hergestellt und hinsichtlich Ihres Brandverhaltens untersucht. Dazu wurden Adenin und Guanin mit Weinsäure oder auch Äpfelsäure, teilweise in Gegenwart einer Base, z. B. Natriumhydroxid, mit einem anorganischen Zinksalz am Rückfluss erhitzt und der entstandene Niederschlag als nahezu vollständig umgesetztes Produkt abgesaugt. Die Entwicklung des Verfahrens in den kleintechnischen Maßstab von drei Kilo erfolgte anschließend mit für die thermische Verarbeitung in Polyamid 6, ausreichend stabilen Verbindungen. Diese wurden zu 10 bzw. 20 % in PA6 compoundiert und zu Prüfkörpern für die Flammprüfungen  UL94, Bestimmung LOI sowie am Cone-Calorimeter verarbeitet.

Erste erfolgversprechende Ergebnisse zeigte bereits die Einarbeitung des ebenfalls pur in PA6 verarbeiteten Adenins, welches einen relativ hohen LOI von 30 % besitzt (Vergleich LOI PA6 unadditiviert: 24 %; PA6 + 10 % Melamincyanurat (MCN): 34 %). Dieser geht jedoch mit der Komplexierung des Adenins auf 23 % zurück, bewirkt jedoch im Cone-Calorimeter eine deutliche Reduzierung der Wärmefreisetzung. Bei den hier untersuchten Komplexen Adenin-Weinsäure-Zink- (AdWSZn) sowie Guanin-Weinsäure-Zink-Komplex (GuWSZn) können, auch nach thermogravimetrischen Untersuchungen, mechanistische Rückschlüsse zur Verringerung der Wärmefreisetzung über die Bildung einer Schutzschicht aus Zinkverbindungen gezogen werden. Synergistische Effekte mit kommerziellen Flammschutzmitteln wurden in PA6 sowie auch PLA und PP in ersten Ansätzen untersucht.