EG-AX: Hoch­druck­ver­arbeitung von Blähgraphit

LUH x Cannon: Zwei Expertisen, eine Lösung

Das Projekt „Hochdruck­verarbeitung von Blähgraphit in PU-Schäumen" wurde erst durch die Kombination zweier spezialisierter Partner möglich. LUH bringt das Material­wissen, Cannon die Maschinen­technologie. Hoch­druck­anlagen sind bereits seit Jahrzehnten das Kern­geschäft des italienischen Anlagen­bauers. Dass Bläh­graphit dabei vermehrt in den Fokus rückt, liegt am regulatorischen Wandel: Halogenierte Flamm­schutz­mittel verschwinden vom Markt und die Anforderungen an den Brand­schutz steigen. Daher braucht es nicht nur die richtige Maschine, sondern auch das richtige Material – und das Wissen, wie beides zusammenwirkt.

Cannon – Maschinen­technologie und Verarbeitungs-Know-how

Cannon Afros ist ein Unternehmen der Cannon Group und weltweit führender Anbieter von Misch- und Dosier­systemen und Verarbeitungs­technologien für Polyurethane und Mehr­komponenten­harze. Mit dem EG-AX System entwickelte das Unternehmen eine Hochdruck-Schäum­maschine mit integriertem Mehr­komponenten-Mischkopf, das speziell für die schonende und zuverlässige Verarbeitung von Blähgraphit unter industriellen Hoch­druck­bedingungen ausgelegt ist.

LUH – Werkstoffpartner und Graphit-Expertise

Wir, die Georg H. Luh GmbH, sind ein deutscher Spezialist für Graphit und insbesondere Blähgraphit. Dabei verstehen wir uns nicht als reiner Lieferant, sondern als Entwicklungspartner. Mit eigenem, ISO-zertifizierten Labor, jahrzehntelanger Erfahrung und einer tiefen Leidenschaft für Graphit entwickeln wir Spezialgraphite für anspruchsvolle industrielle Anwendungen, darunter auch Blähgraphit als Flammschutzmittel für Polyurethanschäume.

Warum Blähgraphit den modernen Brand­schutz neu definiert

Der Markt für Flamm­schutz­mittel ist im Umbruch. Halogenierte Flamm­schutz­mittel werden zunehmend eingeschränkt oder verboten, was die Industrie in Richtung halogenfreier, mineralischer Lösungen drängt. Blähgraphit ist ein solches mineralisches Additiv, das als hochwirksames, natürliches Flamm­schutz­mittel funktioniert. Seine Besonderheit liegt in einem einzigartigen physikalischen Mechanismus: Bei Hitze­einwirkung dehnen sich die Graphit­schichten auf das bis zu 300-fache ihres ursprünglichen Volumens aus und bilden eine schützende Intumeszenz­schicht auf der Materialoberfläche. Diese Schutz­barriere verlangsamt die Brand­ausbreitung, schützt das darunter­liegende Material und minimiert die Entstehung giftiger Gase. Und im Gegen­satz zu chemischen Systemen wirkt dieser physikalische Mechanismus ganz ohne schädliche Halogene oder flüchtige Substanzen.

Der Einsatz von Blähgraphit in PU-Schäumen

Polyurethan (kurz PU) ist ein organisches Polymer und eines der vielseitigsten Materialien der Industrie. Es bietet höchste Leistung bei der Wärme- und Schallisolierung und überzeugt in Sitzanwendungen durch seinen hohen Komfortfaktor. Typische Einsatzbereiche sind:

• Sitze im Schienenpersonenverkehr und in der Automobilindustrie
• Akustische Dämmung in Fahrzeugen und Haushaltsgeräten
• Wärmedämmung im Bauwesen
• Technische Bauteile wie Motorabdeckungen

Aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung ist PU-Schaum von Natur aus jedoch höchst brennbar. Im Brandfall werden zudem gefährliche Gase wie Kohlenmonoxid und Blausäure freigesetzt. Für die Sicherheit von Menschen gelten daher gesetzliche Brandschutzanforderungen und Normen wie:

• EN 45545 für Brandschutz in Schienenfahrzeugen
• UL 94 V-0 als Sicherheitsstandard für die Entflammbarkeit von technischen Kunststoffbauteilen
• BS 5852 Crib 7 für Möbel und öffentliche Sitzgelegenheiten, zum Beispiel in Theatern, Kinos oder Flughäfen

Ist Blähgraphit das Flammschutzmittel der Wahl, wird es direkt in die Schaumformulierung eingemischt und im Mischkopf der Schäummaschine verarbeitet. Genau hier beginnt die eigentliche Herausforderung.

Die technische Herausforderung der Hoch­druck­verarbeitung

PU-Schäume entstehen durch eine chemische Reaktion zwischen den zwei Komponenten Polyol und Isocyanat, die in einem präzisen Verhältnis gemischt werden. Dies kann durch mechanisches Mischen (Niederdruck) oder durch Gegenstromdüsen (Hochdruck) erfolgen. Während die Niederdruckmischung typischerweise für Blockschäume eingesetzt wird, ist die Hochdruckmischung die Standardtechnik für Formschäume wie Zugsitze oder Motorabdeckungen. Sie ermöglicht komplexe Bauteilgeometrien, kürzere Zykluszeiten und einen effizienteren Materialeinsatz und ist damit für viele industrielle Anwendungen schlicht nicht ersetzbar.

Doch die Zugabe von Blähgraphit als Flammschutzadditiv in diesen Prozess erfordert besonderes Fachwissen. Denn trotz seiner herausragenden Flamm­schutz­leistung ist Blähgraphit ein äußerst empfindliches Material. Die Wirkung steht und fällt jedoch mit der Intaktheit jeder einzelnen Flocke. Im Hochdruckverfahren wird genau das zur Herausforderung. Die Kombination aus hohen Scherkräften und Rezirkulation am Mischkopf kann die Graphitflocken brechen und die darin gespeicherte Schwefelsäure freisetzen. Das hat direkte Auswirkungen auf Prozess und Produkt:

• Katalysatoren im Polyol werden neutralisiert und geschädigt
• Maschinenteile korrodieren
• Die Flammschutzwirkung wird reduziert

Cannons Lösung: Das EG-AX System

Mit dem patentierten Mischkopf des EG-AX Systems hat Cannon eine zuverlässige Lösung entwickelt, die eine sichere und effiziente Verarbeitung von Blähgraphit auch unter Hochdruck ermöglicht. Das System wurde 2021 erstmals öffentlich vorgestellt und hat damit neue Möglichkeiten für eine nachhaltigere PU-Produktion eröffnet. Der Maschinenhersteller konzentrierte sich darauf, die Scherbeanspruchung und die Zeit, in der das EG-Polyol-Gemisch durch den Injektor am Mischkopf fließt, zu minimieren.

Das Cannon EG-AX System verfügt über einen patentierten Mehrkomponenten-Mischkopf, der in verschiedenen Größen erhältlich ist. Mit vier separaten Strömen ist er speziell auf die Anforderungen der Blähgraphit-Verarbeitung ausgelegt:

• Strom 1 führt das Gemisch aus Polyol und Blähgraphit
• Strom 2 und 3 führen Isocyanat, gespeist von einer einzigen Pumpe und durch einen Stromteiler aufgeteilt
• Strom 4 ist ein optionaler Einlass für Additive oder Treibmittel

Ausgestattet mit einem speziellen Strömungsverteiler und Injektor verkürzt der Mischkopf die Hochdruck-Recyclingzeit drastisch. Dadurch reduziert sich die Scherbeanspruchung der Blähgraphitflocken erheblich und die Formulierung bleibt in der Schäummaschine bis zu dreimal länger stabil als in herkömmlichen Systemen.

GHL PX 98 HE: Bewährt in der Praxis

Durch die Erprobung mit dem Blähgraphit GHL PX 98 HE von LUH konnte sichergestellt werden, dass Flockenschäden verhindert werden und Hersteller genau die richtige Menge Blähgraphit in der Formulierung verwenden können, mit der Brandschutztests bestanden werden. Dabei basiert das EG-AX System auf zwei Konzepten zur Reduzierung der mechanischen Beanspruchung der Flocken:

• Innovative Injektorgeometrie Der Polyol-Blähgraphit-Slurry fließt durch speziell konstruierte Injektoren, die die Scherkräfte auf die empfindlichen Flocken gezielt reduzieren. So bleiben Flockenintaktheit und Expansionsfähigkeit erhalten.
• Schnelle Mischdruckregelung: Ein präzise abgestimmtes Ventil- und Aktuatorsystem erreicht den erforderlichen Mischdruck in nur 0,9 Sekunden. Das verkürzt die Hochdruck-Rezirkulationszeit und damit die Hauptursache für Flockenschäden drastisch.

Erkenntnisse für die Zukunft

Die Cannon EG-AX Technologie ist bereits in mehreren Branchen im Einsatz und zeigt, wie breit der Anwendungsbereich von Blähgraphit in der Hochdruckverarbeitung ist. Neben Schienenfahrzeug-Sitzschäumen (EN 45545) und Integralschaum-Motorabdeckungen (UL 94 V-0) kommen weitere Anwendungen wie Möbel- und Polsterbauteile (BS 5852 Crib 5/7), Isolierpaneele (EN 13501-1) sowie schalldämpfende Teile und Haushaltsgeräteisolierung hinzu.

Die Zusammenarbeit von LUH und Cannon belegt, dass die Hochdruckverarbeitung von Blähgraphit in PU-Systemen nicht nur technisch möglich, sondern industriell zuverlässig umsetzbar ist. Strenge internationale Brandschutznormen wurden unter realen Produktionsbedingungen erfolgreich bestanden.

Und mit dem wachsendem regulatorischen Druck auf halogenierte Flammschutzmittel steigt der Bedarf an zuverlässigen, halogenfreien Alternativen. Blähgraphit ist diese Alternative. Dank dieses Projekts stellen wir sicher, dass das Material nicht nur verfügbar, sondern auch unter industriellen Hochdruckbedingungen zuverlässig verarbeitbar ist und höchsten Brandschutzanforderungen standhält.

Für LUH bedeutet das mehr als die Materiallieferung. Wir verstehen uns als Entwicklungspartner, der vom Rohstoff bis zur fertigen Anwendung mitdenkt und den Brandschutz von morgen aktiv mitgestaltet.