HIGHTECH THERMOPLASTICS ENERGIZED BY Hightech-Thermoplaste für die E&E-Industrie Normen, Prüfungen, Materialien, Anwendungen
Die vorstehenden Informationen und unsere anwendungstechnische Beratung in Wort, Schrift und durch Versuche erfolgen nach bestem Wissen, gelten jedoch nur als unverbindliche Hinweise, auch in Bezug auf etwaige Schutzrechte Dritter. Die Beratung befreit Sie nicht von einer eigenen Prüfung unserer aktuellen Beratungshinweise – insbesondere unserer Sicherheitsdatenblätter und technischen Informationen – und unserer Produkte im Hinblick auf ihre Eignung für die beabsichtigten Verfahren und Zwecke. Anwendung, Verwendung und Verarbeitung unserer Produkte und der aufgrund unserer anwendungstechnischen Beratung von Ihnen hergestellten Produkte erfolgen außerhalb unserer Kontrollmöglichkeiten und liegen daher ausschließlich in Ihrem Verantwortungsbereich. Bei Versuchsprodukten (Typbezeichnung beginnend TP) handelt es sich um Verkaufsprodukte im Versuchsstadium, deren Entwicklung noch nicht abgeschlossen ist. Endgültige Aussagen über Typkonformität, Verarbeitungsfähigkeit, Langzeiterprobung unter verschiedenen Bedingungen oder sonstige produktions- und anwendungstechnische Parameter können daher nicht gemacht werden. Eine endgültige Aussage über das Produktverhalten bei Einsatz und Verarbeitung kann nicht getroffen werden. Jegliche Verwendung des Versuchsprodukts erfolgt außerhalb unserer Verantwortung. Die Vermarktung und dauerhafte Belieferung mit diesem Material ist nicht gewährleistet und kann jederzeit eingestellt werden.
LANXESS DEUTSCHLAND GMBH
Der Verkauf unserer Produkte erfolgt nach Maßgabe unserer jeweils aktuellen Allgemeinen Verkaufs- und Lieferbedingungen.
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Bestell-Nr.: LXS-HPM-073DE, Ausgabe: 2016-10 © = LANXESS Deutschland GmbH 2016 | Alle Rechte vorbehalten
INHALTSVERZEICHNIS
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DIE INTERNATIONALE E&E-BRANCHE – UNSERE PARTNERINDUSTRIE
05 U NSERE KOMPETENZEN – BREIT GEFÄCHERT 05 THERMOPLASTISCHE KUNSTSTOFFE – ETABLIERT IN E&E-ANWENDUNGEN 06 UNSERE EXPERTISE – SICHERHEIT MIT MEHRWERT 08 AUSGEWÄHLTE ANWENDUNGSBEZOGENE NORMEN IM ÜBERBLICK 13 AUSGEWÄHLTE PRÜFVERFAHREN IM ÜBERBLICK 13 – 17
Flammschutzprüfungen
17 – 21
Prüfung zum elektrischen Verhalten
22
Prüfung zur thermischen Dauerbeständigkeit
22 – 23
Bestimmung der Wärme- und Temperaturleitfähigkeit
23
Bestimmung des Reflektionsgrades
24 FLAMMSCHUTZMITTEL UND BRANDSCHUTZ IM ÜBERBLICK 26 UNSERE THERMOPLASTE 26
Das Sortiment für die E&E-Industrie
27 – 29
Ausgewählte Materialinnovationen
30 HIANT®- SERVICELEISTUNGEN NACH MASS FÜR DIE E&E-BRANCHE 31 VERZEICHNIS WICHTIGER NORMEN
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LANXESS Hightech-Thermoplaste für die E&E-Industrie
LANXESS Hightech-Thermoplaste für die E&E-Industrie
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DIE INTERNATIONALE E&E-BRANCHE – UNSERE PARTNERINDUSTRIE Ob Industrie 4.0, die digitale Vernetzung von Haustechnik, Haushaltsgeräten und Unterhaltungselektronik, ob intelligente Stromnetze für die Energiewende, IT-Sicherheit oder Elektromobilität – so gut wie alle globalen Zukunftsthemen und Megatrends hängen von Innovationen in der Elektrik und Elektronik (E&E) ab. Eine zentrale Rolle spielen dabei Kunststoffe. Sie zählen zu den wichtigsten Konstruktionsmaterialen für E&E-Bauteile. LANXESS bietet der Wachstumsbranche E&E deshalb innovative thermoplastische Werkstoffe der Marken Durethan® und Pocan® an, die neuesten Anforderungen entsprechen.
UNSERE KOMPETENZEN – BREIT GEFÄCHERT Großen Wert legt der Spezialchemiekonzern darauf, dass seine Materialien weltweite Standards der E&E-Industrie erfüllen – sei es in Bauteilen für industrielle Anwendungen, Haushaltsgeräte, die LED-Lichttechnik, die Verbraucher- und Heimelektronik, oder für Elektrowerkzeuge. Außerdem kooperiert LANXESS eng mit Partnern aus der E&E-Industrie, um Entwicklungstrends mit neuen Werkstoffen und Technologien zum Durchbruch zu verhelfen.
LANXESS zählt mit Produktionsstätten in allen wichtigen Wirtschaftsregionen zu den führenden Anbietern u. a. von Compounds auf Basis von Polyamid 6 und 66 sowie Polyestern wie Polybutylenterephthalat (PBT). Genau diese Kunststoffe sind in der Fertigung von E&E-Bauteilen sehr verbreitet. LANXESS verfügt daher über eine jahrzehntelange Erfahrung mit der E&E-Industrie. Hinzu kommt, dass sich unsere Experten in wichtigen Gremien und Organisationen zur Normung und Prüfung – wie etwa UL und TC 89 – engagieren und so mit den Bedürfnissen der Branche vor allem in puncto elektrischer und brandschutztechnischer Sicherheit vertraut sind. Vom Großteil unserer Wettbewerber hebt uns unser profundes Know-how in der Material-, Anwendungs-, Verfahrensund Technologieentwicklung ab. Wir haben es in der Marke HiAnt® gebündelt und helfen damit Kunden auf allen Stufen der Anwendungsentwicklung – von der Konzeptphase und Materialoptimierung bis zum Serienstart. Im Gegensatz zu den meisten Wettbewerbern sind wir in der Wertschöpfungskette unserer Hightech-Kunststoffe stark rückwärtsintegriert. So stellen wir etwa Glasfasern für unsere Compounds sowie Rohstoffe für Polyamid 6 auf Worldscale-Anlagen selbst her.
THERMOPLASTISCHE KUNSTSTOFFE – ETABLIERT IN E&EANWENDUNGEN
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Insgesamt profitieren unsere Kunden aus der E&E-Branche von einem Optimum an globaler Versorgungs- und Liefersicherheit kontrollierten Kosten bei der Herstellung unserer Kunststoffe einer weltweit einheitlich hohen, zertifizierten Produktqualität einem auf die E&E-Branche fokussierten Entwicklungs-Know-how einem weltweit gespannten, kundennahen Netzwerk an regionalen und lokalen Zentren zur Produkt- und Anwendungsentwicklung kundenspezifischen HiAnt® Serviceleistungen über die gesamte Bauteilentwicklung
Großer Vorteil unserer thermoplastischen Kunststoffe in E&E-Anwendungen ist ihr elektrisches Isolationsvermögen. Geschätzt werden außerdem die großen Formgebungsfreiheiten, die sie beim Bauteildesign eröffnen, und die Möglichkeiten zur Integration von Funktionen per Spritzguss. So vereinfacht die direkte Integration etwa von Führungen, Befestigungselementen oder Aufnahmen die Folgemontage, verringert den logistischen Aufwand und senkt dadurch Fertigungskosten. Designfreiheit, Funktionsintegration und das geringe Gewicht sind in vielen E&E-Anwendungsfällen die Gründe dafür, dass sich Thermoplaste als Material der Wahl in der E&E-Industrie etabliert haben. Hinzu kommen die Gestaltungsfreiheiten in puncto Farbe und Oberflächenstruktur sowie die exzellente Oberflächenqualität und Lackierbarkeit der Kunststoff-Bauteile. Mit Fasern hochverstärkte Thermoplaste erlauben die Fertigung leichter, aber dennoch mechanisch sehr belastbarer Strukturkomponenten.
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UNSERE EXPERTISE – SICHERHEIT MIT MEHRWERT Kunststoffe sind in der Regel brennbar. Sie müssen daher ein Höchstmaß an elektrischer und brandschutztechnischer Sicherheit bieten. Dies setzt in vielen, aber bei weitem nicht allen E&E-Anwendungsfällen den Einsatz flammgeschützter Materialen voraus, wobei sich die Anforderungen hinsichtlich Flammwidrigkeit je nach Anwendung sehr unterscheiden. Die Anforderungen sind in nationalen und internationalen Normen, Bestimmungen und Richtlinien definiert. Diese legen Prüfverfahren fest, denen sich ein Kunststoff zu stellen hat. Ob er für bestimmte E&E-Anwendungen überhaupt in Frage kommt, entscheidet sich vor allem an der Frage, welche Prüfungen er besteht.
Wir statten unsere flammschutzhaltigen oder -freien Werkstoffe gezielt mit weiteren Vorzügen aus, die unseren Kunden einen Mehrwert bieten. Dazu zählen zum Beispiel ein
breites Verarbeitungsfenster gute Fließfähigkeit eine hohe thermische Beständigkeit eine hohe Wärmeleitfähigkeit eine hohe Lichtstabilität und -reflexion eine gute Schweißbar- und Lasermarkierbarkeit
eine
Daher erfolgt die Entwicklung unserer Polyamide und Polyester für sicherheitsrelevante E&E-Anwendungen primär mit Blick auf diese Prüfverfahren. Dabei berücksichtigen wir gleichzeitig ökologische, wirtschaftliche und marktspezifische Gesichtspunkte. Außerdem fließen Erkenntnisse und Erfahrungen ein, die wir aus unserer Mitarbeit in Normungsgremien z. B. des Brandschutzes gewinnen.
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AUSGEWÄHLTE ANWENDUNGSBEZOGENE NORMEN IM ÜBERBLICK
UL – Yellow Card Die amerikanische Prüforganisation Underwriters Laboratories (UL) untersucht Produkte auf ihre Sicherheit. Das Bestehen der UL-Prüfungen ist für den Einsatz von Elektrogeräten im US-Markt zwingend notwendig, wird aber auch in anderen Ländern häufig vorgeschrieben. Kunststoffhersteller lassen
ihre Produkte für elektrische Komponenten und Fertigteile von UL systematisch bewerten. Hierbei werden optional insbesondere die Flammwidrigkeit, das elektrische Verhalten und die Dauereinsatztemperaturen geprüft. Die Dokumentation der Ergebnisse erfolgt auf der so genannten „Yellow Card“. Hersteller von elektrischen Bauteilen können mit ihr leichter geeignete Kunststoffe finden und auch den Prüfaufwand für eine UL-Anerkennung reduzieren. Die „Yellow Cards“ der relevanten Typen von Durethan® und Pocan® sind unter der LANXESS file number E245249 bei UL gelistet.
UL 746C – „Polymerwerkstoffe - Verwendung bei Bewertungen von elektrischen Betriebsmitteln“ Im Geltungsbereich von UL muss ein Kunststoff, der als Isolationsmaterial in Elektrobauteilen Verwendung findet, verschiedene Entflammungs- und Entzündungsprüfungen bestehen. Sie sind im Standard UL 746C1 festgelegt. Was der Kunststoff jeweils zu leisten hat, bestimmt auch der Einsatzort des Gerätes. Die Anforderungen unterscheiden sich, je nachdem ob das Gerät etwa in Räumen oder im Außenbereich betrieben wird und ob es starker Bewitterung und Verschmutzung ausgesetzt ist. Eine Zulassung nach UL 746C ergibt sich unter anderem aus der Brandklasse nach UL 94 (V-0 bis HB) und den Ergebnissen im Hot Wire Ignition (HWI)- und High Amp Arc Ignition (HAI)-Test.
Entflammungs- und Entzündungsprüfungen für Kunststoffe in E/E-Anwendungen (nach UL 746C) HWI PLC 0
PLC 1
PLC 2
PLC 3
PLC 4
PLC 5
PLC 0 PLC 1 HAI
Wegen ihrer zentralen Bedeutung bei der Auswahl von Kunststoffen für E&E-Anwendungen werden im Folgenden die jeweils wichtigsten Normen und Prüfverfahren vorstellen.
PLC 2 PLC 3 PLC 4
Zulässige Kombinationen V-0 V-1 V-2 HB V-0 V-1 V-2 V-0 V-1 V-0
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AUSGEWÄHLTE ANWENDUNGSBEZOGENE NORMEN IM ÜBERBLICK DIN EN 60664-1 – „Isolationskoordination für elektrische Betriebsmittel in Niederspannungsanlagen“ Diese Norm legt u. a. die Anforderungen für Luftstrecken, Kriechstrecken und feste Isolierungen von Betriebsmitteln fest. Die Neigung zur Kriechwegbildung hängt von den Eigenschaften eines Kunststoffs ab und wird durch den Comparative Tracking Index (CTI) beschrieben. Nach DIN EN 60664-12 werden Kunststoffe in Isolierstoffgruppen unterteilt. Der CTI wird nach IEC 6011215 bestimmt. Isolierstoffgruppe I: Isolierstoffgruppe II: Isolierstoffgruppe IIIa: Isolierstoffgruppe IIIb:
600 ≤ CTI; 400 ≤ CTI < 600; 175 ≤ CTI < 400; 175 ≤ CTI < 175.
DIN EN 60335-1 – „Sicherheit elektrischer Geräte für den Hausgebrauch und ähnliche Zwecke“ Die erweiterte Haushaltsgeräte-Norm DIN EN 60335-13 behandelt Gefahren elektrischer, mechanischer und thermischer Art sowie Brand- und Strahlungsgefahren von elektrischen Geräten für den Hausgebrauch und ähnliche Zwecke. Abschnitt 30 der Norm fasst die Anforderungen zur Wärmeund Feuerbeständigkeit zusammen. Die Flammwidrigkeit des
Isolierstoffes wird in Glühdrahttests nach IEC 60695 geprüft. Welche Vorgaben zu erfüllen sind, hängt von der Stromstärke im Gerät und von dessen Betriebsart (beaufsichtigt oder unbeaufsichtigt) ab.
Auszug aus IEC/DIN EN60335-1, Prüfablauf für unbeaufsichtigte Geräte mit Nennströmen größer 0,2 A
Die strengsten Vorgaben gelten für Isolierstoffe in unbeaufsichtigten Geräten mit Nennströmen größer 0,2 Ampère (siehe Abb.). Entsprechende Kunststoffe müssen grundsätzlich eine Glühdraht-Entzündbarkeitsprüfung nach IEC 60695-2124b (GWFI, Glow Wire Flammability Index, Nachbrennzeit max. 30 Sekunden) bei 850 °C bestehen. Darüber hinaus muss an Testplättchen ein Glühdrahttest nach IEC 606952-134c (GWIT, Glow Wire Ignition Temperature, max. Verbrenndauer mit Flammbildung fünf Sekunden) bei 775 °C erfüllt werden. Wird diesem Test nicht entsprochen, kann statt dessen eine Prüfung am Fertigteil nach IEC 60695-2-114a (GWEPT – Glow Wire End Product Test) durchgeführt werden. Dabei ist ein Wert von 750 °C zu erreichen, jedoch unter strengeren Bedingungen (Nachbrennzeit bis zwei Sekunden erlaubt). Alternativ ist eine Zulassung möglich, wenn die umliegenden Bauteile mindestens den Anforderungen der Klasse V-1 nach UL 946 entsprechen oder die Nadelflammprüfung nach DIN EN 60695-11-5 bestehen.
Unbeaufsichtigte Geräte I > 0,2 A
850 °C / NB < 30 s GWFI Probekörper
Nadelflammprüfung
Test bestanden
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GWEPT 750 °C
Bauteil + umgebendes Bauteil
Abgeschirmtes Bauteil
GWEPT Bauteil
V-0 / V-1
GWIT 775 °C
Brennzeit ≤ 2 s
Brennzeit ≤ 5 s
Test bestanden
Test bestanden
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AUSGEWÄHLTE ANWENDUNGSBEZOGENE NORMEN IM ÜBERBLICK
AUSGEWÄHLTE PRÜFVERFAHREN IM ÜBERBLICK
EN 45545-1,-27a,b – „Brandschutz in Schienenfahrzeugen“ Diese europäische Norm regelt u. a. die Anforderungen an den Brandschutz bei Einsatz von brennbaren Werkstoffen und Bauteilen in Schienenfahrzeugen. Sie ist seit 2013 gültig und wird die nationalen Normen bis spätestens 2017 ersetzen. Die Anforderungen für E&E-Komponenten sind der Abb. „Anforderungen für gelistete Komponenten“ zu entnehmen. Den aufgelisteten Bauteilen ist ein Anforderungssatz „R“. zugeordnet. Er enthält eine Anzahl von Prüfungen. Welche Prüfungen am Werkstoff durchgeführt werden müssen und welche Grenzwerte bei welcher Gefährdungsklasse einzuhalten sind, ist in der Abb. „Werkstoffanforderungen“ aufgeführt.
Die Gefährdungsklasse hängt von der Bauart der Schienenfahrzeuge und der Art des Schienenverkehrs ab, den so genannten Bauart- und Betriebsklassen. Diese Differenzierung spiegelt wider, wie lang im Brandfall die Verweilzeit der Fahrgäste im Schienenfahrzeug ist und wie gefährdet sie dadurch sind. Für jede Bauartklasse ist je nach Betriebsklasse eine Gefährdungsklasse, ein so genannter Hazard Level, definiert, der das Risikopotenzial klassifiziert. Insgesamt sind drei Hazard Level (HL 1-3) festgelegt. HL 3 ist die höchste Gefährdungsstufe. Die Hauptprüfungen für E&E-Komponenten aus Kunststoff sind die Bestimmung der maximalen optischen Rauchentwicklung nach EN ISO 5659-28 und die Gasanalyse nach NF X70-100-1/-29.
Anforderungen für gelistete Komponenten Komponenten Nr.
Name
E
Elektronische Ausrüstung
Beschreibung
Anforderung
EL5
Komponenten des Versorgungssystems - Außen
Überspannungsableiter; Isolatoren; Schalter; Hauptschalter
R23
EL6A
Versorgungsleitungssystem- und Hochspannungskomponenten - Innen
Isolatoren; Strom- und Spannungstransformatoren; Hauptschalter; Schaltschütze
R22
EL6B
Versorgungsleitungssystem- und Hochspannungskomponenten - Außen
Isolatoren; Streom- und Spannungsformatoren; Hauptschalter; Schaltschütze
R23
EL7A
Drosseln und Spulen - Innen
Drosselspulen für Filterung der Versorgungsleitung, Wicklungen für luftgekühlte Transformatoren, einschließslich Abstandhalter und Luftleibleche
R22
EL7B
Drosseln und Spulen - Außen
Drosselspulen für Filterung der Versorgungsleitung, Wicklungen für luftgekühlte Transformatoren, einschließlich Abstandhalter und Luftleitbleche und Isolierung der Fahrmotorwicklung
R23
Beispiele umfassen Niederspannungs-Schutzschsalter, Überspannungs-Relais, Schütze, Kontakt-Relais, Schalter, Kontroll- Oder Signal-Schalter, Anschlusspunkte, Sicherungen
R26
EL10
Kleine elektronische Komponenten
Werkstoffanforderungen
Die Prüfverfahren für Kunststoffe in E&E-Anwendungen lassen sich in mehrere Kategorien unterteilen, und zwar u. a. in Tests zur Bewertung der Brandwidrigkeit elektrischen Sicherheit thermischen Stabilität und Leitfähigkeit Alterungs- und Lichtbeständigkeit
UL 94 HB-Test Der UL 94 HB-Test (siehe Abb.) gibt Auskunft über das Ausmaß der horizontalen Flammausbreitung. Die Prüfkörper werden nach 48 Stunden Lagerung bei 23 °C und 50 % relativer Feuchte 30 Sekunden mit einem Bunsen- oder Tirillbrenner beflammt. Prüfkriterium ist die Brenngeschwindigkeit. Ein Unterschied zur IEC60695-11-105) besteht in der HB-Einstufung (siehe Abb. HB-Einstufung nach IEC 60695-11-10)
Flammschutzprüfungen UL 94 HB-Test Die Prüfungen zur Flammwidrigkeit von Kunststoffen orientieren sich an typischen Einflussgrößen bei einem Brand wie Entzündbarkeit, Wärmeentwicklung und Flammausbreitung. Hinzu kommen Tests zu sicherheitsrelevanten Nebenerscheinungen von Bränden wie Rauchentwicklung, brennend abfallende Tropfen sowie Korrosivität und Toxizität von Brandgasen und festen Brandrückständen. Die wichtigsten Flammschutzprüfungen für E&E-Bauteile sind in den Normen der US-Prüfgesellschaft Underwriters Laboratories (UL) und der International Electrotechnical Commission (IEC) festgelegt.
75 mm
25 mm
25 mm Probekörper
Drahtgitter
Prüfungen nach UL 94 – „Tests zur Brennbarkeit von Kunststoffen für Teile in Geräten und Anwendungen“ Die Vorschrift UL 946 legt Prüfverfahren zur Beurteilung der Flammwidrigkeit und Brandsicherheit von Kunststoffen fest. Die Prüfungen entsprechen inhaltlich den Prüfungen nach DIN IEC 60695-11-10 und -205 sowie CSA C22.210 (Canadian Standard Association). Die Tests bewerten das Brandverhalten von Probekörpern.
Prüfkriterium
Brenngeschwindigkeit Einstufung
Probekörperdicke 3 – 13 mm
≤ 40 mm/min
HB
Probekörperdicke < 3 mm
≤ 75 mm/min
HB
Flamme erlischt vor ersten Messmarke
0 mm/min
HB
Anforderungssatz (relevante Komponenten-Nr.)
Bezug auf Prüfverfahren
Parameter und Einheit
Maximum oder Minimum
HL1
HL2
HL3
R22 (IN16; EL2; EL6A, EL7A; M2)
T01 EN ISO 4589-2: OI
Sauerstoffgehalt %
Minimum
28
28
32
T10.03 EN ISO 5659-2: 25 kWm-2
DS max. dimensionslos
Maximum
600
300
150
T12 NF X 70-100-1 and -2 600 °C
CITNLP dimensionslos
Maximum
1,2
0,9
0,75
Prüfkriterium
Brenngeschwindigkeit
Einstufung
T01 EN ISO 4589-2: OI
Sauerstoffgehalt %
Minimum
28
28
32
Probenkörperdicke 3-13 mm
≤ 40 mm/min
HB40
T10.03 EN ISO 5659-2: 25 kWm-2
DS max. dimensionslos
Maximum
-
600
300
Probenkörperdicke < 3 mm
≤ 75 mm/min
HB75
T12 NF X 70-100-1 and -2 600 °C
CITNLP dimensionslos
Maximum
-
1,8
1,5
Flamme erlischt vor der ersten Messmarke
0 mm/min
HB
R24
T01 EN ISO 4589-2: OI
Sauerstoffgehalt %
Minimum
28
28
32
R26 (EL10)
T17 EN60695-11-10
Vertikale Klein brennerprüfung
Minimum
V-0
V-0
V-0
R23 (EX12; EL2; EL5 EL66; EL7B; M3)
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Klassifizierung des HB-Tests nach IEC-60695-11-10
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AUSGEWÄHLTE PRÜFVERFAHREN IM ÜBERBLICK UL 94-5V-Test Der UL 94-5V-Test (siehe Abb.) kann an Proben erfolgen, die bereits nach UL 94-V mit V-1 oder besser eingestuft wurden. Dabei wird zuerst ein vertikal ausgerichteter Teststab fünfmal für jeweils fünf Sekunden mit jeweils fünf Sekunden Pause beflammt. Die Flammenhöhe beträgt 125 mm. Wird dieser Test bestanden, folgt ein zweiter Brandversuch an einer horizontal eingespannten Testplatte unter gleichen Bedingungen. Kommt es zur Lochbildung an der Platte, ist der Test mit der Klassifizierung 5VB bestanden. Bildet sich kein Loch, ist die Klassifizierung 5VA erreicht.
Der GWEPT-Test (Glow Wire End Product Test) nach IEC 60695-2-114a entspricht dem GWFI-Test, wird jedoch am Fertigteil durchgeführt.
300 mm
Watte
V-0 V-1 V-2
Nachbrennzeit nach jeder Beflammung
≤ 10 s
≤ 30 s
≤ 30 s
Gesamtbrenndauer je Satz (10 Beflammungen)
≤ 50 s
≤ 250 s
≤ 250 s
Abbrand bis zur Halteklammer
nein nein nein
Nachbrennzeit/Nachglühen nach der 2. Beflammung
≤ 30 s
Entzündung der Watte
nein nein ja
≤ 60 s
Beim GWIT-Test (Glow Wire Ignition Temperature) nach IEC 60695-2-134c werden Probekörper in Schritten von 50 °C von 500 bis 900 °C und bei 960 °C jeweils 30 Sekunden dem Glühdraht ausgesetzt. Entzündung ist definiert als eine Flammenerscheinung, die länger als fünf Sekunden dauert. Die Werteangabe erfolgt 25 °C höher als die Glühdrahttemperatur, bei der zuletzt keine Entzündung beobachtet wurde. Ein brennendes Abtropfen der Probe ist nicht erlaubt. Beim GWFI-Test (Glow Wire Flammability Index) nach IEC 60695-2-124b werden Probekörper in Schritten von 50 °C von 500 bis 900 °C und bei 960 °C jeweils 30 Sekunden dem Glühdraht ausgesetzt. Die Probe darf sich entzünden, muss aber innerhalb einer Prüf- und Beobachtungszeit von insgesamt 60 Sekunden verlöschen. Brennendes Abtropfen ist nicht erlaubt. Die Werteangabe ist die maximale Glühdrahttemperatur, bei der die Bewertungskriterien erfüllt wurden.
300 mm
127 mm
UL 94-V-Test
Watte
Glühdraht-Prüfungen nach IEC 60695-2-11 bis -13 Die Prüfungen nach IEC 60695-2-11 bis -134a,b,c untersuchen die Entzündbarkeit von Probekörpern bei Kontakt mit einem Glühdraht und das Nachbrennverhalten.
Lowest Oxygen Index-Test (LOI) Der Lowest Oxygen Index-Test (Sauerstoffindex, siehe Abb.) ist in den Normen ISO 4589-111 und ASTM D 2863 A12) (American Society for Testing and Materials) beschrieben. Er gibt den Mindestsauerstoffgehalt in einem Sauerstoff/Stickstoff-Gemisch an, der gerade noch zum selbständigen Weiterbrennen eines Prüfkörpers ausreicht. Der LOI-Wert wird nicht auf der UL-Yellow Card aufgeführt und kann nur dem Datenblatt des Kunststoffherstellers entnommen werden.
Lowest Oxygen Index-Test (LOI)
UL 94-5V-Test
217 mm
UL 94-V-Test Der UL 94-V-Test (siehe Abb.) prüft das Ausmaß der vertikalen Flammausbreitung und das Abtropfverhalten der Probe. Der Probekörper wird zwei Tage bei 23 °C und 50 % relativer Feuchte und dann sieben Tage bei 70 °C im Warmluftofen konditioniert. Anschließend wird er vertikal ausgerichtet und an seinem Ende 10 Sekunden einer 20 mm langen TirillBrennerflamme ausgesetzt. Der Brenner wird entfernt und die Zeit bis zum Verlöschen der Flamme am Probekörper gemessen. Unmittelbar danach wird für weitere zehn Sekunden beflammt, anschließend erneut die Brenn- bzw. Glühdauer gemessen und das etwaige Entzünden einer unter der Probe liegenden Watte durch brennend abfallende Tropfen oder Teile bewertet. Je nach Ergebnis erfolgt eine Klassifizierung in die Brennbarkeitsklassen V-0, V-1 und V-2.
5VA 5VB
Gesamtbrenndauer nach der 5. Beflammung
≤ 60 s
≤ 60 s
Entzündung der Watte
nein
nein
Lochbildung an Platte
nein
ja
Glaszylinder Zündflamme (Wasserstoffflamme, 7 mm) Probekörper Drahtsieb Glasperlenschüttung
regulierbares O2 / N2-Gemisch
Glühdraht-Prüfungen
Prüfling
Drahtschleife (max. 960 °C)
Wagen
≤ 60 s 1N Seidenpapier Einwirkzeit: 30 s
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AUSGEWÄHLTE PRÜFVERFAHREN IM ÜBERBLICK Nadelflammentest Der Nadelflammentest nach IEC 60695-11-513 (siehe Abb.) wird am Fertigteil durchgeführt. Er stellt die Auswirkungen kleiner Flammen nach, die durch eine Fehlfunktion in einem elektrischen Gerät entstehen können. Dazu wird eine 12 mm lange Testflamme in der Regel für 5, 10, 20, 30, 60 oder 120 Sekunden auf den Probekörper gerichtet. Bestimmt wird die Brennstrecke und Nachbrenndauer. Wenn nicht anders vorgegeben, ist der Nadelflammentest bestanden, wenn sich
die Probe nicht entzündet Brenndauer unter 30 Sekunden liegt abtropfendes Material oder abfallende brennende Partikel so verlöschen, dass sich eine Papierunterlage nicht entzündet
die
Hot Wire Ignition-Test (HWI) Der HWI-Test nach ASTM D 3874 und IEC60695-2-20 (siehe Abb.) simuliert den Fall, dass sich stromführende Teile wie z. B. Drähte in direktem Kontakt mit dem Probekörper durch Überlast erhitzen. Dazu werden Probekörper mit fünf Schlägen Widerstandsdraht so umwickelt, dass zwischen den Windungen 6,4 mm freibleiben. Der Draht wird mit ca. 10 V und 65 Watt zur Rotglut gebracht (ca. 800 °C). Ermittelt wird die Zeit bis zur Entzündung des Prüfkörpers in Sekunden. Je nach Entzündungszeit erfolgt nach UL 746 A eine Einstufung in die Entzündlichkeitskategorien PLC 0 bis 5 (Performance Level Categories).
High Amp Arc Ignition Test (HAI) Die HAI-Prüfung nach UL 746A14 (siehe Abb.) simuliert die elektrisch verursachte Entzündung von Kunststoffen durch Einwirkung von Lichtbögen. Der Probekörper wird zwischen zwei Elektroden positioniert und in gleichmäßigen Zeitabständen hochstromigen Lichtbögen ausgesetzt. Als Bewertungskriterium dient die Anzahl der Lichtbögen bis zur Entzündung der Probe. Je nach Anzahl erfolgt eine Einstufung in die Kategorien PLC 0 bis 4.
High Amp Arc Ignition Test (HAI)
Hot Wire Ignition-Test (HWI) Feststehende Elektrode
Für spezielle Anforderungen können die Testbedingungen variiert bzw. verschärft werden.
Bewegliche Elektrode
Prüfungen zum elektrischen Verhalten Comparative Tracking Index A (CTI A) Der CTI A-Test nach UL 746A14 beziehungsweise IEC 6011215 untersucht die Bildung von Kriechwegen in Abhängigkeit von der Spannung. Dazu wird ein Prüfkörper zwischen zwei spannungsführenden Elektroden sukzessive mit Tropfen einer genormten Elektrolyt-Prüflösung beträufelt (siehe Abb.). Der CTI A ist der höchste Zahlenwert der Spannung, bei der an fünf Proben nach 50 Auftropfungen kein Ausfall eintritt. Diesem Zahlenwert wird nach UL 746A14 eine entsprechende, dimensionslose PLC-Einstufung zugewiesen. Die Prüfabläufe nach UL 746A14 und IEC 6011215 sind vergleichbar, jedoch gibt es Unterschiede in der Auswahl des Elektrolyten und der Auswertung der Einzelprüfungen. Außerdem wird das Ergebnis direkt als Zahlenwert der bestandenen Spannung angegeben.
Comparative Tracking Index Nadelflammentest
Cu
Lichtbogen
Stahl Prüflösung
Probekörper
Elektrode
Prüfkörper 5 mm
8 mm 12 mm
0,5mm 45°
45°
Beispielhafte Prüfpositionen
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Zeit bis zur Entzündung in Sekunden
PLC-Einstufung
120 ≤ IT
0
60 ≤ IT < 120
1
30 ≤ IT < 60
2
15 ≤ IT < 30
3
7 ≤ IT < 15
4
0 ≤ IT < 7
5
Anzahl Lichtbögen bis zur Entzündung in Number of Arcs (NA)
PLC-Einstufung
120 ≤ NA
0
60 ≤ NA < 120
1
30 ≤ NA < 60
2
15 ≤ NA < 30
3
0 ≤ NA < 15
4
30 - 40 mm
Elektrode
Cu
Stahl
Kriechspuren
Probekörper
Vergleichszahl der Kriechweg bildung Tracking Index (TI) in Volt
PLC-Einstufung
600 ≤ TI
0
400 ≤ TI < 600
1
250 ≤ TI < 400
2
175 ≤ TI < 250
3
100 ≤ TI < 175
4
0 ≤ TI < 100
5
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AUSGEWÄHLTE PRÜFVERFAHREN IM ÜBERBLICK Comparative Tracking Index M (CTI M) Der CTI M-Test (IEC 6011215) ist eine verschärfte Variante des CTI A-Tests, bei der eine ebenfalls genormte Benetzungslösung mit im Vergleich zum CTI A-Test doppelter elektrischer Leitfähigkeit Verwendung findet. Ein Wert von CTI-M 300 sagt beispielsweise aus, dass 50 Tropfen der Lösung B unterhalb von 300 V keinen Kriechstrom auslösen. Hochspannungskriechstromfestigkeit Die Prüfung zur Hochspannungskriechstromfestigkeit nach DIN EN 60587 und ASTM D230316 (siehe Abb.) stellt nach, wie stark sich die Isolationsfähigkeit einer Oberfläche bei höheren Spannungen im Freien unter Einfluss von Feuchte und Verunreinigungen verändert. Nach UL 746A14 wird mit einer Prüfspannung von 1 kV begonnen. Die Prüfung gilt als bestanden, wenn die Zeit zur Kriechwegbildung (time-to-track) größer 60 min ist. In diesem Fall wird die Prüfspannung um 0,5 kV erhöht und die Prüfung wiederholt. Das Prüfergebnis ist die maximale Prüfspannung, bei der jeweils fünf Proben die Zeit zur Kriechwegbildung von >60 min erreichen. Die Prüfung, im Englischen als Inclined Plane Tracking-Test (IPT) bezeichnet, ist auf der UL-Yellow Card eingetragen.
High Voltage Arc Tracking Rate-Test (HVTR) Der HVTR-Test (Hochspannungs-Nachverfolgungsrate) nach UL 746A14 untersucht die Bildung und Ausbreitung von Kriechwegen auf der Oberfläche von Kunststoffprobekörpern. Im Aufbau entspricht er dem HAI-Test. Auf der Oberfläche der Probe werden zwei Minuten lang Hochspannungslichtbögen gezündet (siehe Abb.). Dabei werden die Elektroden bis zum Erlöschen des Bogens voneinander entfernt, beim Erlöschen wieder bis zur Zündung einander genähert. Nach Ablauf von zwei Minuten wird die Länge des entstandenen Kriechweges gemessen und durch 2 dividiert. Prüfergebnis ist die Geschwindigkeit in mm/min, mit der ein leitfähiger Kriechweg auf dem Probekörper durch Hochspannung entsteht. Je nach Geschwindigkeit erfolgt nach UL 746A14 eine Einstufung in die Kategorien PLC 0 bis 4.
Lichtbogenbeständigkeit Der Test zur Lichtbogenbeständigkeit nach ASTM D49517 (siehe Abb.) untersucht die Fähigkeit von Isolierstoffen, einem Wechselstrom-Lichtbogen von hoher Spannung, aber geringer Stromstärke nahe der Isolationsoberfläche Widerstand zu leisten. Zweck des Prüfverfahrens ist, eine relative Unterscheidung zwischen festen elektrischen Isolierstoffen zu treffen. Bei einer Prüfspannung von 12.500 Volt wird eine Probe beansprucht, bis sie sich entzündet, ein Loch entsteht oder sich ein leitfähiger Kriechpfad ausbildet. Gemessen werden die Sekunden, bis ein Ausfallkriterium eintritt. Je nach Ergebnis erfolgt eine Einstufung in die Kategorien PLC 0 bis 7 nach UL 746A14.
Elektrische Durchschlagfestigkeit Die elektrische Durchschlagfestigkeit nach IEC 60243-118 und ASTM D149A gibt Auskunft über die Festigkeit eines Isoliermaterials gegen Hochspannung. Sie entspricht der elektrischen Feldstärke, bei der die Leitfähigkeit eines Isolators sprunghaft zunimmt. Bestimmt (siehe Abb.) wird die Spannung kurz vor dem Durchbruch. Das umgebende Medium kann Luft oder Öl sein. Weil die Durchbruchsspannung von der Dicke des Prüfkörpers abhängt, wird sie durch diese dividiert. Die Durchschlagfestigkeit hat daher die Einheit kV/mm.
Versuchsanordnung Lichtbogenbeständigkeit
Elektrische Durchschlagfestigkeit
Versuchsanordnung HVTR Wolfram - Elektroden (Hochspannung) Feststehende Elektrode
Hochspannungsquelle
Bewegliche Elektrode
Inclined Plane Tracking-Test
Lichtbogen Lichtbogen
Probekörper Stahl
Cu
Überstromrelais
Probekörper
Lichtbogenbeständigkeit in Sekunden
Prüflösung Spannungsquelle Probe
Kriechwegbildungsgeschwindigkeit in mm/min
Elektroden Widerstand zur Strombegrenzung
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PLC-Einstufung
0 < TR ≤ 10
0
10 < TR ≤ 25
1
25 < TR ≤ 80
2
80 < TR ≤ 150
3
150 < TR
4
PLC-Einstufung
≥ 420
0
360 – 419
1
300 – 359
2
240 – 299
3
180 – 239
4
120 – 179
5
60 – 119
6
≤ 59
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Elektrode
Isolieröl Probekörper
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AUSGEWÄHLTE PRÜFVERFAHREN IM ÜBERBLICK Oberflächenwiderstand Der Oberflächenwiderstand ist ein Maß für die Stärke von Oberflächenströmen, die fließen, wenn an einem isolierenden Material eine Spannung anliegt und es mit einem elektrischen Leiter in Kontakt steht. Zu seiner Messung (IEC 6009319; ASTM D257) werden an die Oberfläche eines Prüfkörpers in definiertem Abstand Elektroden mit genormten Maßen angebracht und eine Gleichspannung angelegt (siehe Abb.). Der Oberflächenwiderstand entspricht dem Quotienten aus der angelegten Spannung und der Stromstärke zwischen den Elektroden. Angegeben wird er in Ohm.
Spezifischer Durchgangswiderstand Liegt an einem Isolator eine Spannung an, fließt ein Strom, dessen Stärke vom Widerstand des Isolators abhängt. Dieser Durchgangswiderstand (IEC 6009319, ASTM D257) wird bestimmt, indem an gegenüberliegende Flächen eines Prüfkörpers über zwei Elektroden eine definierte Spannung angelegt wird (siehe Abb.). Der spezifische Durchgangswiderstand, auch Volumenwiderstand genannt, ergibt sich aus dem gemessenen Durchgangswiderstand, der mit der Messfläche multipliziert und durch die Probenlänge dividiert wird. Er hat die Einheit Ohm*m. Der Strom entlang der Probenkörper-Oberfläche (Oberflächenwiderstand) bleibt unberücksichtigt.
Oberflächenwiderstand
Spezifischer Durchgangswiderstand
Messelektrode
Messelektrode
Abschirmung
Spannungselektrode
Dielektrischer Verlustfaktor Der dielektrische Verlustfaktor gibt an, wie viel Energie ein Isolierstoff im elektrischen Wechselfeld absorbiert und in Verlustwärme umwandelt. In einem idealen Dielektrikum sind Spannungs- und Stromwelle exakt um 90° gegeneinander verschoben. Je nach Isolierstoff kommt es aber in unterschiedlichem Ausmaß zu Wärmeverlusten, weshalb die Stromwelle der Spannungswelle nacheilt. Die Phasenverschiebung zwischen Strom- und Spannungswelle wird dadurch kleiner als 90°. Die Höhe dieser Abweichung wird als dielektrischer Verlustwinkel bezeichnet. Dessen Tangens ist als dielektrischer Verlustfaktor definiert. Je kleiner der Verlustfaktor, umso besser sind die dielektrischen Eigenschaften eines Materials. Kunststoffe mit hohem Verlustfaktor sind als Isolierstoffe für Hochfrequenzanwendungen nicht geeignet. Sie sind aber gut per Hochfrequenzschweißen fügbar, weil sie durch die hohe Verlustwärme schnell aufschmelzen. Relative Permittivität und Verlustfaktor werden mit den gleichen Geräten gemessen (IEC 6025020, ASTM D150).
Abschirmung
Geerdete Ringelektrode
Kontaktierung
Kontaktierung Spannungselektrode
Geerdete Elektrode Probekörper
Spannungsquelle
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Relative Permittivität Die relative Permittivität eines Isoliermaterials, früher als Dielektrizitätszahl bezeichnet, ist eine dimensionslose Größe. Sie gibt an, in welchem Ausmaß ein isolierendes Material die Kapazität eines Kondensators beeinflusst. Sie errechnet sich, indem die Kapazität eines Kondensators mit dem jeweiligen Material als Dielektrikum durch die Kapazität eines äquivalenten Kondensators mit Vakuum als Dielektrikum dividiert wird. Sie ist umso geringer, je besser das Material elektrisch isoliert. Eine niedrige relative Permittivität hat für einen Kunststoff in Wechselstrom-Anwendungen zur Folge, dass seine Molekülfragmente weniger zu Dipolschwingungen neigen. Letztere führen zu Energieverlusten bzw. zur Entstehung von Wärme im Kunststoff, was in elektronischen Bauteilen Ursache von Schäden oder Störungen sein kann.
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Probekörper
Elektrometer
Elektrometer Spannungsquelle
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AUSGEWÄHLTE PRÜFVERFAHREN IM ÜBERBLICK Prüfungen zur thermischen Dauerbeständigkeit Relativer Temperatur Index (RTI) Der RTI nach UL 746B21 ist ein Maß für die thermische Alterungsbeständigkeit von Kunststoffen bei höherer Temperatur. Er ermöglicht Aussagen über die maximale Einsatztemperatur, bei der ein Material relevante Eigenschaften trotz Alterung noch in vertretbaren Grenzen über längere Zeit behält. Die Alterung wird in der Regel in Relation zu einem Referenzmaterial bestimmt. Ermittelt wird jeweils die Temperatur, bei der die betrachtete Eigenschaft nach Wärmelagerung auf 50 % des Ausgangswertes abgefallen ist (siehe Abb.). JE NACH BETRACHTETER EIGENSCHAFT SIND FOLGENDE RTIS DEFINIERT: RTI Elec (elektrische Belastung): Durchschlagfestigkeit RTI Str (mechanische Belastung ohne Schlag): bevorzugt Zugfestigkeit, ansonsten Biegefestigkeit. RTI Imp (mechanische Belastung mit Schlag): bevorzugt Schlagzugzähigkeit, in einigen Fällen auch andere Prüfungen wie z. B. Schlagzähigkeit.
Relativer Temperatur Index (RTI)
50 % Eigenschaftsabfall
h
100 %
60.000 40.000 20.000
Bestimmung der Wärme- und Temperaturleitfähigkeit Die Grundlagen für Verfahren zur Bestimmung der Wärmeund Temperaturleitfähigkeit von Kunststoffen sind u. a. in der Norm DIN EN ISO 2200723 beschrieben. Es gibt stationäre Verfahren, die eine Probe einem zeitlich konstanten Wärmestrom aussetzen, und instationäre Messtechniken, die den zeitlichen Verlauf eines Wärmestroms untersuchen. Je nach Verfahren sind auch die Probekörper unterschiedlich. Die Praxis hat gezeigt, dass die mit unterschiedlichen Verfahren bestimmten Wärmeleitfähigkeiten nur schwer miteinander zu vergleichen sind. Außerdem liefert die Messung der Wärmeleitfähigkeit an einem Prüfkörper nur qualitative Aussagen zur Wärmeleitfähigkeit des avisierten Bauteils. Hot-Disk-Verfahren Beim Hot-Disk-Verfahren, auch Heizdrahtverfahren genannt, wird ein Heizelement mit Temperaturfühler zwischen zwei identische Probekörper gebracht und untersucht, wie sich ein Heizimpuls zeitlich und örtlich ausbreitet. Der Wärmestrom dringt dabei gleichmäßig in alle Raumrichtungen vor. Die Berechnung der Wärmeleitfähigkeit ergibt daher einen integralen Wert. Das Verfahren hat den Vorteil, dass es schnell, einfach und für viele Geometrien geeignet ist. Eine Normung der Probekörpergeometrie gibt es nicht.
Heizdrahtverfahren („Hot-Disk“)
Laser-Flash-Verfahren Das Laser-Flash-Verfahren erlaubt die richtungsabhängige Messung der Wärmeleitfähigkeit. Eine Probe wird zwischen eine Blitzlampe als Wärmequelle und einen Infrarot-Detektor gebracht. Nach Abgabe eines Energieimpulses (meist ein Xenon-Lichtblitz) wird der Temperaturanstieg auf der gegenüberliegenden Probekörperseite verfolgt und die richtungsabhängige Temperaturleitfähigkeit bestimmt. Nach Messung der Wärmekapazität gegen eine Referenz lässt sich daraus die Wärmeleitfähigkeit berechnen. Die Vorbereitung der Probekörper für die Laser-Flash-Technik kann aufwändig sein.
Farbraum nach L * a * b kann die Reflexion des eingestrahlten Lichtes wellenlängenabhängig bestimmt werden. Der Anteil des an der Kunststoffoberfläche reflektierten Lichts erlaubt auch Aussagen über das Absorptionsverhalten der Oberfläche. Wichtig ist dabei besonders der energiereiche UV-Anteil des Lichtes. Er kann zu einem Abbau der Polymermatrix und damit zu einer Alterung (Vergilben) des Kunststoffs führen. Dies muss beispielsweise bei Kunststoffen für Reflektoren von LED-Lampen berücksichtigt werden.
Laser-Flash-Verfahren
IR-Sensor
Probekörper
Wärmequelle
Wärmestrom in eine Richtung richtungsbezogener Wert
RM
50 % Warmlagerungstemperaturen
T1
T2
T3
Warmlagerungzeit*
t1
t2
t3
neues Produkt RTI RTI/RM TI Zeit-Temperatur-Kurve 50 % Eigenschaftswert
t3
Probekörper
t2 t1 T3
T2
T1
Sensor + Wärmequelle
Warmlagerungstemperatur °C
Probekörper
Temperaturindizes (TI) Die TIs nach IEC 60216-122 sind ein Maß für die Dauergebrauchstemperatur, bei der kritische Materialgrößen (elektrische Isolation, Festigkeit, Zähigkeit) trotz Alterung noch in einem akzeptablen Bereich bleiben (50 % Kriterium nach 5.000 bzw. 20.000 Stunden).
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Wärmestrom in 3 Richtungen integraler Wert
Bestimmung des Reflexionsgrades Der Reflexionsgrad, auch als Reflektivität und Reflektanz bezeichnet, gibt an, wie viel Prozent des auf einen Körper fallenden Lichtes zurückgestrahlt, d. h. reflektiert werden. Unterschieden wird zwischen der gerichteten, gestreuten und der aus diesen beiden Anteilen zusammengesetzten gemischten Reflexion. Der Reflexionsgrad hängt von der Wellenlänge ab. Bestimmt wird er in der Regel photometrisch nach DIN 503624 z. B. mit einem Kugelspektralphotometer. Mittels numerischer Glanzkontrolle können die Messdaten mit Glanzein- oder Glanzausschluss erfasst werden. Neben dem
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FLAMMSCHUTZMITTEL UND BRANDSCHUTZ IM ÜBERBLICK In der Elektrotechnik und Elektronik dienen Polyamid 6 und 66 sowie PBT häufig dazu, spannungsführende Teile zu isolieren. Dies setzt aus Gründen des Brandschutzes in den meisten Fällen voraus, dass sie Flammschutzmittel enthalten. Diese haben die Eigenschaft, die Entflammbarkeit von Materialien und die Geschwindigkeit der Flammausbreitung herabzusetzen. Meist basieren sie auf chemischen Substanzen, die die Elemente Brom, Chlor, Phosphor und Stickstoff enthalten und mit der Polymermatrix compoundiert werden. Ihre Wirkungsweisen, Vor- und Nachteile sind recht unterschiedlich, weshalb im Folgenden die wichtigsten Flammschutzmittel für Polyamid 6, 66 und PBT vorgestellt werden sollen. Halogenierte Flammschutzmittel Wirkungsort 1 (siehe Abb.) Brom und Chlor liegen in diesen Flammschutzmitteln als organische Halogenverbindungen vor. Im Brandfall entstehen Halogenradikale, die in der Flamme die energiereichen Wasserstoff- und Hydroxyradikale abfangen und ihr so Energie entziehen. Vorteile halogenierter Flammschutzmittel sind die effiziente Flammhemmung und die gute Compoundierbarkeit. Nachteil ist, dass sie im Brandfall toxische und korrosive Gase bilden. Für Anwendungen, die geringe Rauchgastoxizitäten erfordern, sind sie daher weniger geeignet. Phosphorhaltige Flammschutzmittel Wirkungsort 4 (siehe Abb.) Phosphor wird entweder als anorganischer roter Phosphor oder als organische Phosphorverbindung in den Kunststoff compoundiert. Organische Phosphorverbindungen bilden bei einem Brand u. a. Phosphoroxide, die dem Substrat Wasser entziehen, wodurch die Polymermatrix verkohlt. Die Kohleschicht trennt die Flamme vom Polymer ab, so dass sie keine „Nahrung“ mehr hat. Roter Phosphor wirkt ähnlich. Organische Phosphorverbindungen werden häufig zusammen mit stickstoffhaltigen Substanzen eingesetzt, die
ein Aufschäumen der Matrix (Intumeszenz) bewirken, was den Zutritt von Sauerstoff und Wärme erschwert. Phosphor wirkt zusätzlich in der Gasphase ähnlich den halogenierten Flammschutzmitteln als Radikalfänger. Bei der Verarbeitung von rotem Phosphor können korrosive Gase entstehen. Die rote Eigenfarbe beschränkt seinen Einsatz auf dunkle Anwendungen. Organische Phosphorverbindungen sind deutlich weniger korrosiv und schränken die Einfärbung nicht ein, das Verarbeitungsfenster der mit ihnen compoundierten Kunststoffe ist aber kleiner. Anorganische Flammschutzmittel Wirkungsort 3 (siehe Abb.) Anorganische Flammschutzmittel wie Magnesiumhydroxid (MDH) spalten unter Energieverbrauch Wasser ab. Dadurch wird die Matrix abgekühlt und die Brandgase werden mit Wasser verdünnt. Sie zeigen äußerst geringe Brandnebenerscheinungen wie Rauchgastoxizität und Rauchgasdichte, beeinflussen jedoch die mechanischen und rheologischen Eigenschaften der Compounds.
Stickstoffhaltige Flammschutzmittel Wirkungsort 2, 3 und 5 (siehe Abb.) Stickstoffhaltige Flammschutzmittel wirken durch verschiedene Mechanismen. So zerfallen sie durch Wärme und entziehen dem Flammort dadurch Energie. Außerdem entstehen Gase, die die Matrix aufschäumen lassen, was den Zutritt von Sauerstoff und Wärme erschwert. Enthält das Flammschutzmittel auch Phosphor, bildet sich zusätzlich eine flammhemmende Kohleschicht. Darüber hinaus kann auch eine Matrixdepolymerisation eintreten, so dass sich die Matrix von der Hitzequelle zurückzieht. Stickstoffhaltige Flammschutzmittel sind in verstärkten Compounds weniger effektiv, verhalten sich aber meist verarbeitungsfreundlich.
Wirkungsweise von Flammschutzmitteln
Die folgende Grafik zeigt nochmals zusammenfassend, wo und wie Flammschutzmittel wirken.
Sauerstoff
3 Hitze Zersetzungsprodukte Rauch
Thermische Rückkopplung
1 Entzündliche Gase
4
Kohleschicht
2
Kunststoff
1 Radikalenrekombination Halogenhaltige FR-Additive 2 Schaum aus einem Intumeszensystem Kohlebildner, Säurespender, Treibmittel
5
4 Bildung von Schichten z. B. aus Phosphorsäuren oder Phosphaten / rotem Phosphor 5 Matrix-Depolmerisation Flammschutzmittel-induzierte Depolymerisation
3 Brandhemmende Gase Abspaltung von Wasser aus Mineraliene wie Mg(OH)2 Abspaltung von N2/NH3 aus melaminhaltigen Substanzen
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UNSERE THERMOPLASTE Unser Kunststoffsortiment deckt ein sehr großes Eigenschaftsspektrum ab. Es umfasst Polyamid 6- und 66-Compounds der Marke Durethan®, PBT-Compounds der Marke Pocan® sowie auf Polycyclohexylendimethylenterephthalat (PCT) basierte Compounds. Grundsätzliche Stärken der Polyamide Durethan® sind neben ihrer hohen mechanischen Festigkeit und Steifigkeit die guten elektrischen Isolationseigenschaften, ihre hohe Wärmeform- und Chemikalienbeständigkeit, die guten Gleit- und Notlaufeigenschaften, ihre Verschleißfestigkeit sowie eine gute Dämpfung von Geräuschen und Schwingungen. Pocan® ist sehr wärmeformbeständig, nimmt nur wenig Feuchte auf und zeigt neben dem guten elektrischen Isolierverhalten eine hohe Festigkeit und Härte sowie ausgezeichnete Gleiteigenschaften. Hinzu kommen eine gute Chemikalienbeständigkeit, hohe Abriebfestigkeit und geringe Neigung zu Spannungsrissen. Die Compounds auf Basis von PCT ähneln in ihren Eigenschaften denen von Pocan, sind aber noch einmal spürbar wärmebeständiger.
Das Sortiment für die E&E-Industrie Unsere Palette an Compounds für die E&E-Industrie ist breit gefächert. Sie umfasst auch zahlreiche flammgeschützte Materialvarianten, die sich durch hohe Flammwidrigkeiten, gute elektrische Werte, eine hohe Fließfähigkeit und sehr gute mechanische Eigenschaften auszeichnen. Alle unsere Produkte entsprechen den EU-Richtlinien WEEE (Waste Electrical and Electronic Equipment) und RoHS (Restriction of the Use of certain Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment) sowie der europäischen REACH-Verordnung (Registration, Evaluation and Authorisation of Chemicals, VO (EG) Nr. 1907/2006). Ein Großteil der flammgeschützten Werkstoffe erfüllt die Brandschutzanforderungen bzw. Glühdrahtprüfungen (GWIT, GWFI) der Haushaltsgerätenorm IEC 60335-13.
Für den Spritzguss und die Extrusion von E&E-Bauteilen bieten wir u. a. unverstärkte und faser-, mineral- und /oder glaskugelverstärkte Compounds Produkte mit halogenhaltigen oder halogenfreien Flammschutzpaketen flammgeschützte Materialien, die im Brandfall sehr raucharm sind extrem leichtfließende Produkte hochverstärkte Werkstoffe für sehr feste und steife Bauteile Materialien mit geringer Neigung zur Korrosion Werkstoffe mit hoher Farbstabilität bei Heißluftalterung Zu aktuellen Neuentwicklungen zählen beispielsweise Compounds mit hoher Beständigkeit gegen LED-Licht lichtstabile und bleifrei dampfphasenlötbare Polyester mit hoher Lichtreflexion sehr wärmeleitfähige Materialien Polyamide mit außergewöhnlicher Temperaturstabilität flammgeschützte und dabei sehr verzugsarme, wärmeformbeständige oder witterungsstabile Produkttypen lasertransparente Einstellungen für das Laserdurchstrahlschweißen
Ausgewählte Materialinnovationen Im Folgenden wollen wir Ihnen ausgewählte aktuelle Materialinnovationen vorstellen, die unsere Kompetenz als Partner der E&E-Branche unterstreichen. PCT-Compounds: Hohe Reflexion, lichtstabil und bleifrei dampfphasenlötbar Speziell für Gehäuse und Fassungen von LED-Chips bieten wir vier neue, mineral- und/oder glasfaserverstärkte PCTCompounds an. Ihre Lichtreflexion ist mit 93 bis fast 96 % (450 nm) sehr hoch. Als LED-Gehäusematerial reflektieren sie das LED-Licht daher fast vollständig, so dass kaum Lichtverluste auftreten. Das gute Reflexionsverhalten bleibt im LED-Einsatz auf Dauer weitgehend erhalten. Dagegen vergilben etwa hochschmelzende Polyamide durch Wärme und Licht, weshalb ihre Reflexion und damit die Helligkeit der LEDs spürbar abfallen.
Die Eigenschaften der vier neuen PCT-Compounds sind speziell auf den Einsatz in Gehäusen, Fassungen und anderen Komponenten von LED-Chips abgestimmt. Als Gehäusematerial reflektieren sie das LED-Licht fast vollständig, so dass es kaum zu Lichtverlusten kommt.
LED-Chip-Material nach Wärmelagerung bei 120 °C 100 95 90 85 80
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Initial
14 Tage
PA9T ref.
TP 555-911
TP 555-991
TP 555-992
28 Tage
Selbst nach 28 Tagen Wärmelagerung bei 120 °C liegt die Lichtreflexion von Pocan TP 555-911, -991, -912 und -992 noch weit über 90 %. Dagegen lässt die Reflexion von hochschmelzenden Polyamiden spürbar nach, weil sie durch Alterung vergilben.
TP 555-912
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UNSERE THERMOPLASTE Pocan® AF 4110: Extrem verzugsarm, flammwidrig und farbstabil Das mit 12 % Glasfasern verstärkte, flammgeschützte Blend aus PBT und ASA (Acrylester-Styrol-Acrylnitril) ist äußerst verzugsarm und gleichzeitig exzellent flammwidrig. In Prüfungen nach UL 94 erreicht es die beste Klassifizierung V-0 (0,4 mm). Es ergibt gute Oberflächen, die sehr emissionsarm sind (VDA 278). Wegen seiner hohen Beständigkeit gegen Licht und Feuchtigkeit erfüllt es in Anwendungen Bewitterungstests nach ISO 4892-3. Daher konnte auf die separate, teure UV-Schutzlackierungen der Bauteile verzichtet werden. Wie seine „Geschwister“ mit 20 oder 30 % Glasfasergehalt bietet sich das Material neben Batteriezellengehäusen u. a. für mechanisch belastete Steckverbinder und für geometrisch komplexe und großflächige Gehäuse von elektronischen Schaltungen wie z. B. Batteriemanagementsysteme an.
Durethan® BG 30 X XF, H2.0 XF und H3.0 XF: Kaum Verzug, sehr leichtfließend Die drei Polyamid 6-Compounds sind mit 30 % eines Gemisches aus Glasfasern und Mikroglaskugeln verstärkt. Ihre Stärke ist neben der hervorragenden Fließfähigkeit eine äußerst geringe Neigung zum Verzug. Sie sind bei gutem mechanischen Eigenschaftsprofil um über 30 % fließfähiger als das ähnliche Standard-Polyamid 6 Durethan® BG 30 X. Das Compound mit H3.0-Thermostabilisierung hat einen sehr niedrigen Kupfer- und Halogenidgehalt und ist für naturfarbene und hell eingefärbte Anwendungen in der Elektrotechnik und Elektronik maßgeschneidert – wie etwa Stecker, Steckverbinder und Sicherungskästen. Die H2.0-Materialvariante zielt auf Bauteile, die schwarz eingefärbt und stärker wärmebelastet sind.
Durethan® BKV 25 FN27: Material der Wahl für Leitungsschutzschalter Das halogenfrei flammgeschützte Polyamid 6 ist in der Fertigung von Leitungsschutzschaltern für den Niederspannungsbereich eine Alternative zu mineralgefüllten, halogenfreien Polyamid 6-Typen. Der glasfaserverstärkte Werkstoff ist mechanisch sehr fest und thermisch stabil. Er ergibt Bauteile, die den hohen mechanischen Belastungen und Temperaturspitzen bei einem Kurzschluss gut widerstehen. Er erfüllt auch die Anforderungen an Leitungsschutzschalter höherer Leistungsklassen (Nennströme). Das Compound ist nach UL 94 V-2-klassifiziert (0,75 mm) und erreicht am Bauteil mit Wanddicken unter 1 mm sicher den für Kunststoffe bestmöglichen GWFI-Wert von 960 °C. Die hohe Wärmeformbeständigkeit zeigt sich in einem HDT A-Wert (ISO 75-1,-2) von 155 °C.
Pocan® B 1205 XF: Maßgeschneidert für die Miniaturisierung Unsere breite Palette an leichtfließenden Compounds Pocan® XF umfasst neben verstärkten auch unverstärkte Produkte wie etwa Pocan® B 1205 XF. Der Werkstoff entspricht mit seiner ausgezeichneten Fließfähigkeit dem Trend zur Miniaturisierung in der E&E-Industrie. Er eignet sich hervorragend für filigrane Bauteile mit äußerst dünnen Wanddicken wie etwa Ministecker. Das Compound ist im Vergleich zu ähnlichen Standardtypen beständiger gegen Hydrolyse und hat eine geringere Dichte, so dass der Verarbeiter Material einsparen kann.
Durethan® XTS3: Bis 200 °C dauerbeständig Mit XTS3 (Xtreme Temperature Stabilization) haben wir ein weiteres Hightech-System zur Hitzestabilisierung von Durethan® entwickelt. Wie das bereits im Markt eingeführte XTS1-System erhöht es die Dauergebrauchstemperaturen von Polyamid 6 und 66 um etwa 60 °C auf rund 200 °C. Die Hitzestabilisierung beruht nicht auf einem anorganischen, sondern auf einem organischen Additivsystem. Damit ausgestattete Materialvarianten von Durethan® eignen sich besonders für thermisch hochbelastete Kunststoffteile, die in direktem Kontakt mit Metall stehen. Denn dank der metall- und halogenidfreien Stabilisierung tritt keine Kontaktkorrosion auf. Denkbare Anwendungen im E&E-Sektor sind Gehäuseteile, Steckverbinder und Steckerleisten.
Pocan® BF 4232 HR: Hydrolysestabil und flammwidrig Das mit 30 % Glasfasern verstärkte PBT ist eine Produktneuheit für sicherheitsrelevante E&E-Bauteile, die in heißfeuchtem Klima nicht versagen dürfen. Es weist neben einer exzellenten Hydrolysestabilität eine hervorragende Flammwidrigkeit auf und erfüllt die Prüfung UL 94 mit der besten Einstufung V-0 (0,4 mm). Es erreicht diese sehr gute Klassifizierung in allen zu prüfenden Farben, was für Werkstoffe dieser Art eher die Ausnahme darstellt.
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Hochmodulthermoplaste: Substitution von Metall Vor allem Hersteller von Haushaltsgeräten versuchen immer häufiger, Metall durch thermoplastische Kunststoffe zu ersetzen. Grund dafür ist, dass Thermoplaste u. a. größere Designfreiheiten und die Möglichkeit zur kostensenkenden Funktionsintegration per Spritzguss bieten. Wir bieten dafür eine breite Palette an Polyamid- und PBT-Compounds mit Glasfasergehalten bis 60 % an, die sich durch gute Schmelzefließfähigkeiten sowie hohe Festigkeiten und Steifigkeiten auszeichnen. So erreichen mit 60 % Glasfasern verstärkte Polyamid 6- und Polyamid 66-Varianten des Sortiments Durethan® Zugmodule von über 13.000 MPa (konditioniert).
Pocan® BFN: Vergleichbar mit halogenhaltigen PBT-Compounds Verstärkte PBT-Compounds mit halogenfreiem Flammschutz sind u. a. aus ökologischen Gründen gefragt. Wir haben daher unsere PBT-Familie Pocan® um neue, mit 13, 20 und 25 % Glasfasern verstärkte Materialvarianten mit stickstoffund phosphororganischen Flammschutzpaketen erweitert. Die Compounds sind in einem breiten Prozessfenster so gut zu verarbeiten wie vergleichbare halogenhaltige Produkte und auch in ihrer Flammwidrigkeit, Wärmestabilität und Schwindung mindestens auf vergleichbarem Niveau. Sie bieten aber deutliche Vorteile in puncto Kriechstromfestigkeit, Lasermarkierbarkeit, Farbstabilität und Dichte. Pocan® BFN 4231 erreicht z. B. mit seiner Kriechstromfestigkeit einen CTI AWert (UL 746A14)) von 600 V (PLC 0 auf UL-Yellow Card). Weil das Flammschutzpaket frei von rotem Phosphor ist, neigt Pocan® BFN nicht zur Korrosion im Kontakt mit Metallen. LANXESS Hightech-Thermoplaste für die E&E-Industrie
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HIANT® – SERVICE LEISTUNGEN NACH MASS FÜR DIE E&E-BRANCHE Unsere Serviceleistungen HiAnt® zielen darauf ab, gemeinsam mit internationalen Kunden intelligente und innovative Systemlösungen bei Materialien, Anwendungen, Verarbeitungsverfahren und Technologien zu erarbeiten. HiAnt® erstreckt sich über die gesamte Entwicklungskette eines Bauteils. Ausgewählte, für die E&E-Industrie relevante Leistungen sind z. B. Versuche
zum Korrosionsverhalten von Flammschutzadditiven bei Kontakt mit Metallen die normkonforme Durchführung wichtiger Flammschutzprüfungen die Bereitstellung winkelaufgelöster BRDF-Daten (Bidirectional Reflectance Distribution Function) im Rahmen von Projekten Technikumsanlagen für Versuche zur Lasermarkierung in unterschiedlichsten Farben
VERZEICHNIS WICHTIGER NORMEN Technikumsanlagen
für Fügeversuche durch Ultraschall-, Vibrations- und IR-Schweißen, um Fertigungsprozesse oder Werkstoffe zu optimieren Füllanalysen u. a. zur Positionierung von Angüssen und zur Ermittlung von Bindenähten und Lufteinschlüssen Berechnungen zum Verzug und zur Auslegung des Werkzeug-Kühlsystems Füllsimulationen zur Bestimmung der lokalen Orientierung von Füllstoffen, um im Fall anisotrop wärmeleitender Materialien die richtungsabhängige Wärme-leitung im Bauteil zu berechnen die kunststoffgerechte Auslegung von wärmeabführenden Bauteilen mit einem Simulationstool, das die Teilegeometrie, Einbausituation, den Wärmeeintrag und die Luftkonvektion im Umkreis des Bauteils berücksichtigt
UL 746C „Polymermaterialien – Anwendung in elektrischen Geräten“
1
DIN EN 60664-1 „Isolationskoordination für elektrische Betriebsmittel in Niederspannungsanlagen – Teil 1: Grundsätze, Anforderungen und Prüfungen“
12
ASTM D 2863 “Standard test method for Measuring the Minimum Oxygen Concentration to Support Candle-Like Combustion of Plastics (Oxygen Index)”
13
DIN EN 60695-11-5 „Prüfungen zur Beurteilung der Brandgefahr - Teil 11-5: Prüfflammen – Prüfverfahren mit der Nadelflamme – Versuchsaufbau, Vorkehrungen zur Bestätigungsprüfung und Leitfaden“
14
UL 746A “Polymeric Materials – Short Term Property Evaluations”
15
DIN EN 60112 „Verfahren zur Bestimmung der Prüfzahl und der Vergleichszahl der Kriechwegbildung von festen, isolierenden Werkstoffen”
2
DIN EN 60335-1 „Sicherheit elektrischer Geräte für den Hausgebrauch und ähnliche Zwecke – Teil 1: Allgemeine Anforderungen“
3
IEC 60695-2-11 „Prüfungen zur Beurteilung der Brandgefahr - Teil 2-11: Prüfungen mit dem Glühdraht – Prüfung mit dem Glühdraht zur Entflammbarkeit von Enderzeugnissen (GWEPT)“
4a
IEC 60695-2-12 „Prüfungen zur Beurteilung der Brandgefahr - Teil 2-12: Prüfverfahren mit dem Glühdraht – Prüfung mit dem Glühdraht zur Entflammbarkeit (GWFI) von Werkstoffen“
4b
16
ASTM D 2303 “Standard Test Methods for Liquid-Contaminant, Inclined-Plane Tracking and Erosion of Insulating Materials”
ASTM D 495“Standard Test Method for High-Voltage, Low Current, Dry Arc Resistance of Solid Electrical Insulation”
17
IEC 60695-2-13 „Prüfungen zur Beurteilung der Brandgefahr - Teil 2-13: Prüfverfahren mit dem Glühdraht – Prüfung mit dem Glühdraht zur Entzündbarkeit (GWIT) von Werkstoffen“
4c
DIN EN 60695-11-10 „Prüfungen zur Beurteilung der Brandgefahr - Teil 11-10: Prüfflammen – Prüfverfahren mit 50-W-Prüfflamme horizontal und vertikal“
DIN EN 60243-1„Elektrische Durchschlagfestigkeit von isolierenden Werkstoffen Prüfverfahren – Teil 1: Prüfungen bei technischen Frequenzen“
18
5
DIN IEC 60093 „Prüfverfahren für Elektroisolierstoffe; Spezifischer Durchgangswiderstand und spezifischer Oberflächenwiderstand von festen, elektrisch isolierenden Werkstoffen“
19
UL94 „Tests zur Entflammbarkeit von Kunststoffmaterialien in Bauteilen von Haushaltsgeräten und sonstigen Geräten“
6
IEC 60250 „Bestimmung der Dielektrizitätskonstante und des dielektrischen Verlustfaktors von elektrischen Isolierstoffen bei Netz-, Ton- und Hochfrequenzen einschließlich Meterwellenlängen“
20
EN 45545-1 „Bahnanwendungen - Brandschutz in Schienenfahrzeugen – Teil 1: Allgemeine Regeln“
7a
DIN EN 45545-2 „Bahnanwendungen - Brandschutz in Schienenfahrzeugen – Teil 2: Anforderungen an das Brandverhalten von Materialien und Komponenten“
7b
UL 746B “Polymeric Materials – Long Term Property Evaluations”
21
IEC 60216-1 “Electrical insulating materials - Properties of thermal endurance – Part 1: Aging procedures and evaluation of test results”
22
DIN EN ISO 5659-2 „Kunststoffe – Rauchentwicklung, Teil 2: Bestimmung der optischen Dichte durch Einkammerprüfung“
8
DIN EN ISO 22007 „Kunststoffe - Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und der Temperaturleitfähigkeit – Teil 1: Allgemeine Grundlagen (ISO 22007-1:2009); Deutsche Fassung EN ISO 22007-1:2012“
23
NF X70-100 „Prüfungen des Brandverhaltens - Analyse der Abgase – Teil 2: Verfahren zum thermischen Abbau in einem Rohrofen“
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BAUTEILPRÜFUNG Hochmoderne Testeinrichtungen
MATERIALENTWICKLUNG
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CSA C22.2 / No. 0.17-92 “Evaluation of Properties of Polymeric Materials – General Requirements; Part 4: Flame Test Procedure”
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ISO 4589-1„Kunststoffe - Bestimmung des Brennverhaltens durch den SauerstoffIndex – Teil 1: Anleitung”
DIN 5036 „Strahlungsphysikalische und lichttechnische Eigenschaften von Materialien – Messverfahren für lichttechnische und spektrale strahlungsphysikalische Kennzahlen“
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Passende Materiallösungen
VERFAHRENSENTWICKLUNG
KONZEPTENTWICKLUNG
Material-/ProzessKombinationen für neue Anwendungen
Hohe Leichtbaukompetenz
COMPUTER AIDED ENGINEERING Für unsere Werkstoffe entwickelte Simulationsverfahren
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LANXESS Hightech-Thermoplaste für die E&E-Industrie
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