Reichelt Chemietechnik Magazin
In Branchen wie der Elektronik-, Automobil-, Bau- sowie Luft- und Raumfahrtindustrie haben Kunststoffe aufgrund ihrer Eigenschaften wie geringe Dichte, Korrosionsbeständigkeit, kostengünstige Herstellung und Verarbeitung traditionelle Materialien wie Metalle oder Keramiken verdrängt. Für die Anwendung und Sicherheit spielt jedoch auch das Brandverhalten von Kunststoffen eine wichtige Rolle.
Was bedeutet Brandverhalten?
Neben der Entflammbarkeit und der Flammenausbreitung sind vor allem die Entwicklung von Rauchgasen, das Abtropfverhalten und die Wärmefreisetzungsrate für die Ausbreitung von Bränden von entscheidender Bedeutung. Das Brennverhalten von Kunststoffen wird dabei wesentlich von ihrer chemischen Struktur, dem Verhältnis von Oberfläche zu Masse, etwa Schaum im Vergleich zu Vollmaterial, sowie dem Einsatz von Flammschutzmitteln bestimmt.
Die meisten Elastomere wiederum gelten meist als leicht brennbar, setzen hohe Verbrennungswärme frei und entwickeln große Mengen an Ruß und Brandgasen.
Brandklassen nach DIN EN 2
Zur Auswahl geeigneter Löschmittel werden Brände gemäß DIN EN 2 nach dem brennenden Stoff in die Brandklassen A, B, C, D und F eingeteilt.
Brandklasse A umfasst Brände fester, überwiegend organischer Stoffe wie Holz, Stroh, Papier, Textilien, Kohle, Gummi, nicht schmelzende Kunststoffe und Autoreifen. Empfohlene Löschmittel sind Wasser, ABC-Löschpulver und Löschschaum.
Zur Brandklasse B zählen Brände von flüssigen oder flüssig werdenden Stoffen, die mit Flammen, aber ohne Glut brennen. Hierzu zählen Lacke, Harze, Alkohol, Heizöl, Benzin, Teer sowie Kunststoffe, die im Brandfall schmelzen, außerdem Öle und Fette, die nicht der Brandklasse F zugeordnet sind. Geeignete Löschmittel sind ABC- und BC-Löschpulver, Löschschaum und Kohlendioxid, keinesfalls Wasser.
Brände von Gasen wie Methan, Propan, Butan, Acetylen, Erdgas und Wasserstoff fallen in die Brandklasse C, sie brennen mit Flammen, jedoch ohne Glut. Empfohlene Löschmittel sind BC- und ABC-Löschpulver, Wasser und Schaum sind nicht geeignet.
Zur Brandklasse D gehören Brände von Metallen, die vor allem fein verteilt brennbar sind. Gelöscht werden diese Brände durch Abdecken des Brandstoffs. Brandklasse F umfasst Brände von Speiseölen und Speisefetten. Hierfür wurden spezielle Fettbrand-Feuerlöscher entwickelt, die eine wirksame Brandbekämpfung ermöglichen.
Prüfverfahren zur Beurteilung des Brandverhaltens von Kunststoffen
Das Brennverhalten von Kunststoffen wird mittels verschiedener Prüfverfahren beurteilt. Der Sauerstoffindex gibt die minimale Sauerstoffkonzentration an, die ein Material zum Brennen benötigt. Mit der Glühdrahtprüfung wird die Entflammbarkeit von Kunststoffen getestet. Und nach UL 94 wird geprüft, ob ein Material nach Beflammung selbstständig verlöscht.
Sauerstoffindex
Der Sauerstoffindex (LOI, englisch Limited Oxygen Index), auch Grenzsauerstoffwert genannt, ist eine Kenngröße, um die Brennbarkeit eines Materials bei Beflammung in kontrollierter Umgebung zu beurteilen. Bestimmt wird er nach der Norm DIN EN ISO 4589-1:2017-08 „Kunststoffe – Bestimmung des Brennverhaltens durch den Sauerstoff-Index“.
Dabei wird ein Prüfkörper in einem senkrechten Glasrohr von einer Sauerstoff-Stickstoff-Mischung durchströmt und von oben mit einer Zündflamme in Brand gesetzt. Anschließend wird die Zündflamme entfernt und die Sauerstoffkonzentration so weit reduziert, bis der Prüfkörper nicht mehr selbstständig brennt.
Der LOI gibt den prozentualen Sauerstoffgehalt der Sauerstoff-Stickstoff-Mischung an, der erforderlich ist, um eine Beflammung des Materials für 3 min oder über eine Länge von 50 mm aufrechtzuerhalten. Je höher der Sauerstoffindex, desto geringer ist die Brennbarkeit des Materials. Materialien mit einem Sauerstoffindex < 21 % gelten als leicht entflammbar und brennen in Luft, deren Sauerstoffgehalt 21 % beträgt. Dazu gehören Polyethylen, Polypropylen, Polyamid, Polyester oder Baumwolle. Materialien mit einem LOI > 27 % gelten als schwer entflammbar. Hierzu zählen Aramid, Polyetherimid, Modacryl und Polytetrafluorethylen (PTFE). Durch Beimischen von Flammschutzmitteln lässt sich der LOI von Kunststoffen erhöhen.
Glühdrahtprüfung von Kunststoffen
Die Entflammbarkeit von Kunststoffen wird mithilfe der Glühdrahtprüfung nach DIN EN 60695-2-12 (VDE 0471-2-12:2022-11) „Prüfungen zur Beurteilung der Brandgefahr“ an Kunststoffplatten oder -bauteilen getestet.
Ein genormter Glühdraht wird für 30 s mit definierter Kraft gegen den eingespannten Prüfkörper gedrückt. Die Temperatur des Glühdrahtes ist abhängig vom Prüfmaterial und liegt zwischen +550 °C und +960 °C. Unter dem Prüfkörper befindet sich Seidenpapier.
Während der Glühdrahtprüfung werden die Dauer der Entflammung, die Flammhöhe sowie die Tropfenbildung auf dem Seidenpapier aufgezeichnet. Als Kenngrößen werden die Zeit bis zur Entzündung, die Zeit bis zum Erlöschen, die Glühdrahtentzündungstemperatur sowie die Glühdrahtentflammbarkeitszahl ermittelt. Die Glühdrahtentzündungstemperatur (GWIT, englisch Glow Wire Ignition Temperature) entspricht der höchsten Temperatur, die in drei aufeinanderfolgenden Prüfungen keine Entzündung durch den glühenden Draht verursacht.
Die Glühdrahtentflammbarkeitszahl (GWFI, englisch Glow Wire Flammability Index), auch als Glühbrennbarkeitszahl oder Entflammbarkeitszahl bezeichnet, gibt die Temperatur an, bei der sich das Prüfmaterial entweder gar nicht erst entzündet oder eine Entzündung innerhalb von 30 s nach Entfernen des Glühdrahts erlischt, ohne dass sich das Seidenpapier unter dem Prüfmuster entzündet.
Brandverhalten nach UL94
UL94 ist eine Brandschutznorm der US-amerikanischen Organisation Underwriters Laboratories (UL) zur Beurteilung des Brandverhaltens von Kunststoffen. Ursprünglich zur Prüfung des Brennverhaltens von Kunststoffen in der Elektrotechnik entwickelt, hat sich das Verfahren inzwischen auch in vielen anderen Branchen etabliert. Beurteilt werden die Brenngeschwindigkeit, die Verlöschungszeit, die Nachglimmzeit sowie die Tropfenbildung von Kunststoffen. Hierfür wird ein genormter Prüfkörper entweder horizontal oder vertikal ausgerichtet und für eine bestimmte Zeit einer definierten Bunsenbrennerflamme ausgesetzt.
Bei horizontaler Ausrichtung, gekennzeichnet mit der Abkürzung HB (Horizontal Burn), wird nach einmaliger Beflammung die Brenngeschwindigkeit unter Berücksichtigung der Materialstärke getestet. Der Prüfkörper wird horizontal an einem Ende entzündet. Bei einer Prüfkörperdicke von 3 mm darf die Brenngeschwindigkeit den Grenzwert von 38 mm/min nicht überschreiten.
Bei vertikaler Ausrichtung, abgekürzt V (Vertical Burn), werden die Brenn- und Nachglimmzeit getestet und ob sich brennende Partikel ablösen. Zudem wird getestet, ob die sich unter dem Prüfling befindende Watte entzündet. Dabei wird der Prüfling am unteren Ende zweimal für jeweils 10 s mit einer 20 mm hohen Flamme entzündet. Abhängig vom Brandverhalten erfolgt die Klassifizierung in V-2, V-1 oder V-0.
Kriterien für die Klasse V-2 sind: selbstverlöschend bis 30 s nach Entfernen der Flamme, Nachglimmzeit maximal 60 s und brennende Tropfen sind zulässig, die Watte unterhalb des Prüflings darf sich entzünden.
Anforderungen der Klasse V-1 sind: selbstverlöschend bis 10 s nach Entfernen der Flamme, Nachglimmzeit maximal 60 s, brennende Tropfen sind unzulässig und die Watte unterhalb des Prüflings darf sich nicht entzünden.
Materialien, die die Anforderungen der UL 94 V-2 und V-1 erfüllen, finden Anwendung bei der Isolierung von Leitungen und Anschlüssen, in Motorgehäusen, Batteriefächern von Staubsaugern, Elektrowerkzeugen und Druckern.
Anforderungen der Klasse V-0 sind: selbstverlöschend bis 10 s nach Abzug der Flamme, Nachglimmzeit maximal 30 s, keine brennenden Tropfen und die Watte darf sich nicht entzünden. Materialien nach UL 94 V-0 gelten als selbstverlöschend. Verwendet werden sie in der Elektronik in Leiterplatten, Netzteilen und Gehäusen, in der Automobilindustrie in Armaturenbrettern, Innenverkleidungen und Sitzkomponenten sowie im Haushalt in Bedienfeldern und Gehäusen von Kaffeemaschinen und Mikrowellen.
Materialien, die mindestens die Anforderungen der Klasse V-0 erfüllen, können zusätzlich nach UL 94 V-5 geprüft werden. Dabei wird der Probekörper fünfmal für die Dauer von 5 s mit Unterbrechungen von 5 s einer deutlich höheren Flamme (125 mm Höhe) ausgesetzt. Die Nachbrennzeit des Prüfkörpers nach der fünften Beflammung darf 60 s nicht überschreiten und es dürfen keine brennenden Tropfen abfallen. Bei vertikal eingespannten Prüflingen dürfen keine Brandlöcher mit einem Durchmesser > 1 mm entstehen. Zwingend vorgeschrieben sind solche Kunststoffe für elektrische Schaltschränke und Isolatoren, Batteriegehäuse und Komponenten unter der Motorhaube in Automobilen sowie für schwer entflammbare Türen und Trennwände.
Fazit
Das Brandverhalten von Kunststoffen ist nicht nur für die Produktzulassung maßgebend, sondern auch für den Schutz von Menschen und Produktionsprozessen. Kunststoffhersteller sind deshalb gefordert, sowohl gesetzliche Normen als auch die anwendungsbezogenen Anforderungen dauerhaft zu erfüllen.
Bildquellen: Beitragsbild | © Curto – stock.adobe.com Brandklassen-Symbole | © T.Michel – stock.adobe.com Messgerät zur Ermittlung des Sauerstoffindex (LOI) | © Dr. Reiner Düren, Labor für Kunststoffprüfungen log, CC BY 3.0 DE <https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/deed.en>, via Wikimedia Commons
