Analyse og optimalisering av flammehemmende formulering for PVC-belegg

Analyse og optimalisering av flammehemmende formulering for PVC-belegg

Kunden produserer PVC-telt og trenger å påføre et flammehemmende belegg. Den nåværende formelen består av 60 deler PVC-harpiks, 40 deler TOTM, 30 deler aluminiumhypofosfitt (med 40 % fosforinnhold), 10 deler MCA, 8 deler sinkborat, samt dispergeringsmidler. Flammehemmende egenskaper er imidlertid dårlige, og dispersjonen av flammehemmerne er også utilstrekkelig. Nedenfor er en analyse av årsakene og et forslag til justering av formelen.

I. Hovedårsaker til dårlig flammehemming

1. Ubalansert flammehemmende system med svake synergistiske effekter

• Overskudd av aluminiumhypofosfitt (30 deler):
  Selv om aluminiumhypofosfitt er et effektivt fosforbasert flammehemmer (40 % fosforinnhold), kan overdreven tilsetning (>25 deler) føre til:
• En kraftig økning i systemviskositet, noe som gjør dispergering vanskelig og danner agglomererte hotspots som akselererer brenning («vekeeffekt»).
• Redusert materialseighet og svekkede filmdannende egenskaper på grunn av for mye uorganisk fyllstoff.
• Høyt MCA-innhold (10 deler):
  MCA (nitrogenbasert) brukes vanligvis som en synergist. Når doseringen overstiger 5 deler, har den en tendens til å migrere til overflaten, mette flammehemmerens effektivitet og potensielt forstyrre andre flammehemmere.
• Mangel på viktige synergister:
  Selv om sinkborat har røykdempende effekter, forhindrer fraværet av antimonbaserte (f.eks. antimontrioksid) eller metalloksidforbindelser (f.eks. aluminiumhydroksid) dannelsen av et synergistisk system mellom "fosfor-nitrogen-antimon", noe som resulterer i utilstrekkelig flammehemming i gassfase.

2. Misforhold mellom valg av mykner og mål for flammehemming

• TOTM (trioktyltrimellitat) har begrenset flammehemming:
  TOTM utmerker seg i varmebestandighet, men er langt mindre effektiv når det gjelder flammehemming sammenlignet med fosfatestere (f.eks. TOTP). For bruksområder med høy flammehemming, som teltbelegg, kan ikke TOTM gi tilstrekkelig forkulling og oksygenbarriereegenskaper.
• Utilstrekkelig total mykner (kun 40 deler):
  PVC-harpiks krever vanligvis 60–75 deler mykner for full mykgjøring. Lavt myknerinnhold fører til høy smelteviskositet, noe som ytterligere forverrer problemer med spredning av flammehemmende midler.

3. Ineffektivt dispersjonssystem som fører til ujevn fordeling av flammehemmende midler

• Det nåværende dispergeringsmiddelet kan være av en universaltype (f.eks. stearinsyre eller PE-voks), som er ineffektivt for uorganiske flammehemmere med høy belastning (aluminiumhypofosfitt + sinkborat totalt 48 deler), noe som forårsaker:
• Agglomerasjon av flammehemmende partikler, noe som skaper lokaliserte svake punkter i belegget.
• Dårlig smelteflyt under prosessering, noe som genererer skjærvarme som utløser for tidlig nedbrytning.

4. Dårlig kompatibilitet mellom flammehemmere og PVC

• Uorganiske materialer som aluminiumhypofosfitt og sinkborat har betydelige polaritetsforskjeller med PVC. Uten overflatemodifisering (f.eks. silankoblingsmidler) oppstår faseseparasjon, noe som reduserer flammehemmende effektivitet.

II. Kjernetilnærming til design

1. Erstatt primær mykner med TOTP

• Utnytt dens utmerkede iboende flammehemming (fosforinnhold ≈9 %) og mykgjørende effekt.

2. Optimaliser flammehemmende forhold og synergi

• Behold aluminiumhypofosfitt som kjernekilde for fosfor, men reduser doseringen betydelig for å forbedre spredning og minimere «vekeeffekten».
• Behold sinkborat som en viktig synergist (fremmer forkulling og røykundertrykkelse).
• Behold MCA som en nitrogensynergist, men reduser doseringen for å forhindre migrasjon.
• Introdusereultrafint aluminiumhydroksid (ATH)som en multifunksjonell komponent:
• Flammehemming:Endoterm nedbrytning (dehydrering), avkjøling og fortynning av brannfarlige gasser.
• Røykutbekjempelse:Reduserer røykutviklingen betydelig.
• Fyllstoff:Senker kostnadene (sammenlignet med andre flammehemmere).
• Forbedret spredning og flyt (ultrafin kvalitet):Enklere å dispergere enn konvensjonell ATH, noe som minimerer viskositetsøkning.

3. Sterke løsninger for spredningsproblemer

• Øk myknerinnholdet betydelig:Sørg for full PVC-myknisering og reduser systemets viskositet.
• Bruk høyeffektive superdispergeringsmidler:Spesielt utviklet for uorganiske pulvere med høy belastning som lett agglomereres (aluminiumhypofosfitt, ATH).
• Optimaliser prosesseringen (forblanding er avgjørende):Sørg for grundig fukting og spredning av flammehemmere.

4. Sørg for grunnleggende prosesseringsstabilitet

• Tilsett tilstrekkelig med varmestabilisatorer og passende smøremidler.

III. Revidert flammehemmende PVC-formel

IV. Formelnotater og hovedpunkter

1. TOTP er kjernefundamentet

• 65–75 delersikrer:
• Full mykgjøring: PVC krever tilstrekkelig mykner for myk, kontinuerlig filmdannelse.
• Viskositetsreduksjon: Kritisk for å forbedre dispergeringen av uorganiske flammehemmere med høy belastning.
• Intrinsisk flammehemming: TOTP er i seg selv en svært effektiv flammehemmende mykner.

2. Flammehemmende synergi

• PNB-Al-synergi:Aluminiumhypofosfitt (P) + MCA (N) gir synergi med base-PN. Sinkborat (B, Zn) forbedrer forkulling og røykdemping. Ultrafin ATH (Al) gir massiv endotermisk kjøling og røykdemping. TOTP bidrar også med fosfor. Dette skaper et synergistisk system med flere elementer.
• ATHs rolle:25–35 deler ultrafin ATH bidrar i stor grad til flammehemming og røykdemping. Dens endoterme nedbrytning absorberer varme, mens frigjort vanndamp fortynner oksygen og brennbare gasser.Ultrafin og overflatebehandlet ATH er kritiskfor å minimere viskositetspåvirkningen og forbedre PVC-kompatibiliteten.
• Redusert aluminiumhypofosfitt:Redusert fra 30 til 15–20 deler for å lette systembelastningen samtidig som fosforbidraget opprettholdes.
• Redusert MCA:Senket fra 10 til 4–6 deler for å forhindre migrasjon.

3. Dispersjonsløsning – avgjørende for suksess

• Superdispergeringsmiddel (3–4 deler):Viktig for håndtering av det vanskelig dispergerbare systemet (aluminiumhypofosfitt + ultrafin ATH + sinkborat) med høy belastning (50–70 deler uorganiske fyllstoffer totalt!).Vanlige dispergeringsmidler (f.eks. kalsiumstearat, PE-voks) er ikke tilstrekkelig!Invester i høyeffektive superdispergeringsmidler og bruk tilstrekkelige mengder.
• Myknereinnhold (65–75 deler):Som ovenfor reduseres den totale viskositeten og skaper et bedre miljø for dispersjon.
• Smøremidler (1–2 deler):En kombinasjon av interne/eksterne smøremidler sikrer god flyt under blanding og påføring, og forhindrer klebing.

4. Bearbeiding – Streng forblandingsprotokoll

• Trinn 1 (Tørrblandet uorganisk pulver):
• Tilsett aluminiumhypofosfitt, ultrafin ATH, sinkborat, MCA og alt superdispergeringsmiddel til en høyhastighetsmikser.
• Bland ved 80–90 °C i 8–10 minutter. Mål: Sørg for at superdispergeringsmiddelet dekker hver partikkel fullstendig og bryter ned agglomerater.Tid og temperatur er avgjørende!
• Trinn 2 (Slamdannelse):
• Tilsett mesteparten av TOTP (f.eks. 70–80 %), alle varmestabilisatorer og interne smøremidler til blandingen fra trinn 1.
• Bland ved 90–100 °C i 5–7 minutter for å danne en jevn, flytende flammehemmende blanding. Sørg for at pulveret er fullstendig fuktet av myknerne.
• Trinn 3 (Tilsett PVC og resterende komponenter):
• Tilsett PVC-harpiks, gjenværende TOTP, eksterne smøremidler (og antioksidanter/UV-stabilisatorer, hvis tilsatt på dette stadiet).
• Bland ved 100–110 °C i 7–10 minutter til det når «tørrpunktet» (frittflytende, ingen klumper).Unngå overblanding for å forhindre nedbrytning av PVC.
• Kjøling:Tøm ut og avkjøl blandingen til <50 °C for å forhindre klumping.

5. Etterfølgende behandling

• Bruk den avkjølte tørre blandingen til kalandrering eller panering.
• Kontroller prosesseringstemperaturen strengt (anbefalt smeltetemperatur ≤170–175 °C) for å unngå stabilisatorsvikt eller for tidlig nedbrytning av flammehemmere (f.eks. ATH).

V. Forventede resultater og forholdsregler

• Flammehemming:Sammenlignet med den opprinnelige formelen (TOTM + høyt aluminiumhypofosfitt/MCA), bør denne reviderte formelen (TOTP + optimaliserte P/N/B/Al-forhold) forbedre flammehemmingen betydelig, spesielt når det gjelder vertikal brenning og røykdemping. Målgruppe er standarder som CPAI-84 for telt. Viktige tester: ASTM D6413 (vertikal brenning).
• Dispersjon:Superdispergeringsmiddel + høymykner + optimalisert forblanding bør forbedre dispersjonen betraktelig, redusere agglomerering og forbedre beleggets ensartethet.
• Bearbeidbarhet:Tilstrekkelig TOTP og smøremidler bør sikre jevn prosessering, men overvåk viskositet og klebing under selve produksjonen.
• Koste:TOTP og superdispergeringsmidler er dyre, men redusert aluminiumhypofosfitt og MCA oppveier noen av kostnadene. ATH er relativt rimelig.

Viktige påminnelser:

• Først småskalaforsøk!Test i laboratoriet og juster basert på faktiske materialer (spesielt ATH og superdispergeringsmiddelytelse) og utstyr.
• Materialvalg:
• ATH:Må bruke ultrafine (D50 ≤2µm), overflatebehandlede (f.eks. silan) kvaliteter. Kontakt leverandører for anbefalinger om PVC-kompatible materialer.
• Superdispergeringsmidler:Må bruke høyeffektive typer. Informer leverandørene om bruksområdet (PVC, uorganiske fyllstoffer med høy belastning, halogenfri flammehemming).
• TOTP:Sørg for høy kvalitet.
• Testing:Utfør grundige flammehemmingstester i henhold til målstandardene. Vurder også aldrings-/vannbestandighet (avgjørende for utendørstelt!). UV-stabilisatorer og antioksidanter er viktige.

More info., pls contact lucy@taifeng-fr.com