Formuleringskonvertering for halogenfritt flammehemmende PVC-lær

Formuleringskonvertering for halogenfritt flammehemmende PVC-lær

Introduksjon

Kunden produserer flammehemmende PVC-lær og tidligere brukt antimontrioksid (Sb₂O₃). De tar nå sikte på å eliminere Sb₂O₃ og gå over til halogenfrie flammehemmere. Den nåværende formuleringen inkluderer PVC, DOP, EPOXY, BZ-500, ST, HICOAT-410 og antimon. Overgangen fra en antimonbasert PVC-lærformulering til et halogenfritt flammehemmende system representerer en betydelig teknologisk oppgradering. Dette skiftet overholder ikke bare stadig strengere miljøforskrifter (f.eks. RoHS, REACH), men forbedrer også produktets «grønne» image og markedskonkurranseevne.

Viktige utfordringer

1. Tap av synergistisk effekt:
   • Sb₂O₃ er ikke en sterk flammehemmer i seg selv, men viser utmerkede synergistiske flammehemmende effekter med klor i PVC, noe som forbedrer effektiviteten betydelig. Fjerning av antimon krever å finne et alternativt halogenfritt system som gjenskaper denne synergien.
2. Flammehemmende effektivitet:
   • Halogenfrie flammehemmere krever ofte høyere belastninger for å oppnå tilsvarende flammehemmende klassifiseringer (f.eks. UL94 V-0), noe som kan påvirke mekaniske egenskaper (mykhet, strekkfasthet, forlengelse), prosesseringsytelse og kostnader.
3. PVC-læregenskaper:
   • PVC-lær krever utmerket mykhet, god følelse, overflatefinish (preging, glans), værbestandighet, migrasjonsmotstand og fleksibilitet ved lave temperaturer. Den nye formuleringen må opprettholde eller matche disse egenskapene.
4. Prosesseringsytelse:
   • Høye mengder halogenfrie fyllstoffer (f.eks. ATH) kan påvirke smelteflyten og prosesseringsstabiliteten.
5. Kostnadshensyn:
   • Noen høyeffektive halogenfrie flammehemmere er dyre, noe som nødvendiggjør en balanse mellom ytelse og kostnad.

Utvalgsstrategi for halogenfrie flammehemmende systemer (for PVC-kunstlær)

1. Primære flammehemmere – metallhydrokside

• Aluminiumtrihydroksid (ATH):
  • Mest vanlig, kostnadseffektiv.
  • Mekanisme: Endoterm nedbrytning (~200 °C), som frigjør vanndamp som fortynner brennbare gasser og oksygen, samtidig som det dannes et beskyttende overflatelag.
  • Ulemper: Lav effektivitet, høy belastningskrav (40–70 phr), reduserer mykhet, forlengelse og prosesserbarhet betydelig; nedbrytningstemperaturen er lav.
• Magnesiumhydroksid (MDH):
  • Høyere nedbrytningstemperatur (~340 °C), bedre egnet for PVC-bearbeiding (160–200 °C).
  • Ulemper: Krever tilsvarende høye belastninger (40–70 phr); litt høyere kostnad enn ATH; kan ha høyere fuktighetsabsorpsjon.

Strategi:

• Foretrekk MDH eller en ATH/MDH-blanding (f.eks. 70/30) for å balansere kostnad, tilpasningsevne til prosesseringstemperatur og flammehemming.
• Overflatebehandlet (f.eks. silankoblet) ATH/MDH forbedrer kompatibiliteten med PVC, reduserer egenskapsforringelse og forbedrer flammehemmen.

2. Flammehemmende synergister

For å redusere mengden av primære flammehemmende midler og forbedre effektiviteten, er synergister avgjørende:

• Fosfor-nitrogen flammehemmere: Ideell for halogenfrie PVC-systemer.
  • Ammoniumpolyfosfat (APP): Fremmer forkulling og danner et intumescerende isolerende lag.
    • Merk: Bruk høytemperaturbestandige kvaliteter (f.eks. fase II, >280 °C) for å unngå nedbrytning under bearbeiding. Noen APP-er kan påvirke gjennomsiktighet og vannmotstand.
  • Aluminiumdietylfosfinat (ADP): Svært effektiv, lav belastning (5–20 phr), minimal påvirkning på egenskaper, god termisk stabilitet.
    • Ulempe: Høyere kostnad.
  • Fosfatestere (f.eks. RDP, BDP, TCPP): Fungerer som myknende flammehemmere.
    • Fordeler: Dobbel rolle (mykner + flammehemmer).
    • Ulemper: Små molekyler (f.eks. TCPP) kan migrere/fordampe; RDP/BDP har lavere mykgjøringseffektivitet enn DOP og kan redusere fleksibiliteten ved lav temperatur.
• Sinkborat (ZB):
  • Rimelig, multifunksjonell (flammehemmende, røykdempende, forkullingsfremmende, dryppdempende). Synergiserer godt med ATH/MDH og fosfor-nitrogen-systemer. Typisk belastning: 3–10 ph.
• Sinkstannat/hydroksystannat:
  • Utmerkede røykdempende midler og flammehemmende synergister, spesielt for klorholdige polymerer (f.eks. PVC). Kan delvis erstatte antimons synergistiske rolle. Typisk belastning: 2–8 phr.
• Molybdenforbindelser (f.eks. MoO₃, ammoniummolybdat):
  • Sterke røykdempere med flammehemmende synergi. Typisk belastning: 2–5 ph.
• Nanofyllstoffer (f.eks. nanoleire):
  • Lav belastning (3–8 phr) forbedrer flammehemmingen (kullingsdannelse, redusert varmeutløsningshastighet) og mekaniske egenskaper. Dispersjon er kritisk.

3. Røykdempende midler

PVC produserer kraftig røyk under forbrenning. Halogenfrie formuleringer krever ofte røykdemping. Sinkborat, sinkstannat og molybdenforbindelser er utmerkede valg.

Foreslått halogenfri flammehemmende formulering (basert på kundens originale formulering)

Mål: Oppnå UL94 V-0 (1,6 mm eller tykkere) samtidig som mykhet, bearbeidbarhet og viktige egenskaper opprettholdes.

Antagelser:

• Opprinnelig formulering:
  • DOP: 50–70 phr (mykner).
  • ST: Sannsynligvis stearinsyre (smøremiddel).
  • HICOAT-410: Ca/Zn-stabilisator.
  • BZ-500: Sannsynligvis et smøremiddel/prosesshjelpemiddel (for bekreftelse).
  • EPOKSY: Epoksidert soyabønneolje (ko-stabilisator/mykner).
  • Antimon: Sb₂O₃ (skal fjernes).

1. Anbefalt formuleringsrammeverk (per 100 phr PVC-harpiks)

2. Eksempelformulering (krever optimalisering)

Kritiske implementeringstrinn

1. Bekreft råmaterialedetaljer:
   • Avklar de kjemiske identitetene tilBZ-500ogST(se leverandørens datablad).
   • Bekreft nøyaktige belastninger avDOP,EPOKSY, ogHICOAT-410.
   • Definer kundens krav: Målrettet flammehemming (f.eks. UL94-tykkelse), mykhet (hardhet), bruksområde (bil, møbler, vesker?), spesielle behov (kuldebestandighet, UV-stabilitet, slitestyrke?), kostnadsgrenser.
2. Velg spesifikke flammehemmende kvaliteter:
   • Be om prøver av halogenfrie flammehemmende midler skreddersydd for PVC-lær fra leverandører.
   • Prioriter overflatebehandlet ATH/MDH for bedre spredning.
   • For APP, bruk høytemperaturbestandige kvaliteter.
   • For fosfatestere, foretrekk RDP/BDP fremfor TCPP for lavere migrasjon.
3. Testing og optimalisering i laboratorieskala:
   • Tilbered små porsjoner med varierende mengder (f.eks. juster MDH/APP/ZB/ZS-forholdene).
   • Blanding: Bruk høyhastighetsmiksere (f.eks. Henschel) for jevn dispersjon. Tilsett væsker (myknere, stabilisatorer) først, deretter pulver.
   • Prosesseringsforsøk: Test på produksjonsutstyr (f.eks. Banbury-mikser + kalandrering). Overvåk plastifiseringstid, smelteviskositet, dreiemoment, overflatekvalitet.
   • Ytelsestesting:
     • Flammehemming: UL94, LOI.
     • Mekaniske egenskaper: Hardhet (Shore A), strekkfasthet, forlengelse.
     • Mykhet/håndfølelse: Subjektive + hardhetstester.
     • Lavtemperaturfleksibilitet: Kaldbøyningstest.
     • Termisk stabilitet: Kongorødtest.
     • Utseende: Farge, glans, preging.
     • (Valgfritt) Røyktetthet: NBS-røykkammer.
4. Feilsøking og balansering:

5. Pilot og produksjon: Etter laboratorieoptimalisering, utfør pilotforsøk for å bekrefte stabilitet, konsistens og kostnad. Oppskalering kun etter validering.

Konklusjon

Overgang fra antimonbasert til halogenfritt flammehemmende PVC-lær er mulig, men krever systematisk utvikling. Kjernetilnærmingen kombinerer metallhydroksider (helst overflatebehandlet MDH), fosfor-nitrogen-synergister (APP eller ADP) og multifunksjonelle røykdempere (sinkborat, sinkstannat). Samtidig er optimalisering av myknere, stabilisatorer, smøremidler og prosesseringshjelpemidler avgjørende.

Nøkler til suksess:

1. Definer klare mål og begrensninger (flammehemming, egenskaper, kostnad).
2. Velg velprøvde halogenfrie flammehemmere (overflatebehandlede fyllstoffer, høytemperatur-APP).
3. Utfør grundige laboratorietester (flammehemming, egenskaper, bearbeiding).
4. Sørg for jevn blanding og prosesskompatibilitet.

   More info., you can contact lucy@taifeng-fr.com