Halogen-free flame-retardant cable compounds based on highly filled EVA/LLDPE blend systems : Influence of the coupling mechanisms

Titelangaben

Heinz, Michael:
Halogen-free flame-retardant cable compounds based on highly filled EVA/LLDPE blend systems : Influence of the coupling mechanisms.
Bayreuth , 2022 . - VII, 124 S.
( Dissertation, 2022 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00006636

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Abstract

The objective of this work was to generate a fundamental scientific understanding of the influence of different coupling mechanisms on the structure-properties-relationships of highly filled, flame-retardant EVA/LLDPE based cable compounds. EVA/LLDPE blend systems, maleic-acid-anhydrite coupling agents and different magnesium-di-hydroxide (MDH) surface modifications were investigated.
The morphologies of the incompatible EVA/LLDPE blends were theoretically and analytically described. This was also performed on filled versions using the identified filler location and blend component viscosity ratios. The compound properties were mainly affected by three factors: the ratio of EVA/LLDPE, the filler content and the filler coupling agent. Key role of the flame-retardant filler was not only the improvement of the reaction to fire but in many cases also the compatibilization of both polymers. This was strongly related to the occurrence of polymer-filler interactions which were further controlled by polymeric coupling agents and filler surface coatings.
The filler dispersion affected the compound properties and was influenced by the type and strength of filler-polymer interactions. EVA interacted with uncoated and aminosilane coated MDH via hydrogen bonds which led to increased filler uptake. These observed interactions obsoleted the usage of MAA-g-EVA coupling agent. Vinylsilane has shown no polymer interaction with neither EVA nor LLDPE. By adding MAA-g-LLDPE coupling agent, a covalent bonding to the uncoated and aminosilane coated MDH was observed. This led to an incorporation of the filler in the EVA/LLDPE interphase. While this was observed completely for uncoated MDH, aminosilane coated MDH remained partially in EVA. The difference was caused by a stronger interaction between aminosilane and EVA. Vinylsilane coated fillers have shown to diminish the bonding efficacy but still show signs of interaction with the coupling agent. This is expected to be related to an incomplete coverage of the surface coating. The usage of polymeric coupling agents has shown stronger improvements in comparison to the usage of filler coatings. No significant differences in burning behavior were observed comparing the different versions of coatings and coupling agents.
This led to the conclusion, that the usage of uncoated MDH with MAA-g-LLDPE gives the best filler-polymer interaction throughout the investigated systems. Further tools to control the filler coupling and therefore balance the compound performance were identified and applied.

Abstract in weiterer Sprache

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, den Einfluss verschiedener Kopplungsmechanismen auf die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von hochgefüllten flammgeschützten EVA/LLDPE Compounds zu untersuchen. EVA/LLDPE-Blendsysteme, der Einfluss von Maleinsäure-anhydrid basierten Kopplungsadditiven und von Oberflächenmodifizierungen des beigegebenen Magnesiumhydroxid-Flammschutzmittels (MDH) wurden untersucht.
Die Morphologien der inkompatiblen EVA/LLDPE Blends wurden qualitativ und quantitativ beschrieben. Durch Füllstofflokalisierung und Viskositätsmessungen konnten die Ergebnisse auch auf gefüllte Systeme übertragen werden. Die Compoundeigenschaften wurden hauptsächlich von drei Faktoren beeinflusst: dem EVA/LLDPE-Mischungsverhältnis, dem Füllgrad und der Füllstoffkopplung. Das mineralische Flammschutzmittel verbesserte die Brandeigenschaften und in einigen Fällen auch die Kompatibilisierung der Polymerphasen. Dies war abhängig von auftretenden Polymer-Füllstoff-Wechselwirkungen, die durch die Verwendung von Kopplungsadditiven und Oberflächenbeschichtungen gesteuert werden konnten.
Die Dispergierung des Füllstoffs bestimmt die Compoundeigenschaften und hängt von Art und Stärke der vorherrschenden Wechselwirkungen ab. Unbeschichtetes und Aminosilan-beschichtetes MDH interagierte mit EVA durch Wasserstoffbrückenbindungen. Daraus resultierte eine vollständige Füllstoffeinlagerung. Diese Interaktion machte die Verwendung eines MAA-g-EVA-Kopplungsadditivs überflüssig. Vinylsilan zeigte keine Interaktion mit EVA oder LLDPE. Bei Zugabe eines MAA-g-LLDPE-Kopplungsadditivs zu unbeschichtetem oder Aminosilan-beschichtetem MDH wurde eine kovalente Kopplung beobachtet. Diese führte zur Verlagerung des MDH aus dem EVA in die Grenzschicht bei unbeschichtetem MDH und zur Teileinlagerung in LLDPE bei aminosilan beschichtetem MDH. Der Unterschied war hierbei eine stärkere Wechselwirkung des Aminosilans mit der EVA-Phase. Vinylsilan-beschichteter Füllstoff zeigte keine merkliche Kopplung, bei Verwendung des Haftvermittlers jedoch eine leichte Verbesserung, was auf eine unvollständige Füllstoffbeschichtung hinweist. Der Einsatz von einem polymeren Kopplungsadditiv zeigte deutlichere Effekte als die untersuchten Füllstoffbeschichtungen. Die Brandeigenschaften der Compounds wurden durch die Modifikation der Polymer-Füllstoff-Interaktion nicht signifikant beeinflusst.
Abschließend zeigte sich, dass die Verwendung von unbeschichtetem MDH in Verbindung mit einem MAA-g-LLDPE-Kopplungsadditiv zu den besten Wechselwirkungen führt. Weitere Werkzeuge zur gezielten Steuerung der Polymer-Füllstoff-Interaktion wurden identifiziert und mit den Erkenntnissen ein bestimmtes Eigenschaftsprofil erzielt.