Halogenfri flammehemmende formulering for TPU-beleggsystem ved bruk av DMF-løsningsmiddel
For TPU-beleggsystemer som bruker dimetylformamid (DMF) som løsemiddel, krever bruk av aluminiumhypofosfitt (AHP) og sinkborat (ZB) som flammehemmere systematisk evaluering. Nedenfor er en detaljert analyse og implementeringsplan:
I. Mulighetsanalyse av aluminiumhypofosfitt (AHP)
1. Flammehemmende mekanisme og fordeler
- Mekanisme:
- Dekomponerer ved høye temperaturer for å generere fosforsyre og metafosforsyre, noe som fremmer dannelse av forkulling i TPU (kondensert fase flammehemming).
- Frigjør PO·-radikaler for å avbryte forbrenningskjedereaksjoner (gassfaseflammehemming).
- Fordeler:
- Halogenfri, lav røykutvikling, lav giftighet, i samsvar med RoHS/REACH.
- God termisk stabilitet (dekomponeringstemperatur ≈300 °C), egnet for TPU-tørkeprosesser (typisk <150 °C).
2. Utfordringer og løsninger ved bruk av applikasjoner
| Utfordring | Løsning |
| Dårlig spredning i DMF | Bruk overflatemodifisert AHP (f.eks. silankoblingsmiddel KH-550). Fordispersjonsprosess: Kulemølle AHP med DMF og dispergeringsmiddel (f.eks. BYK-110) til partikkelstørrelse <5 μm. |
| Høyt lastekrav (20–30 %) | Synergistisk kombinasjon med ZB eller melamincyanurat (MCA) for å redusere totalmengden til 15–20 %. |
| Redusert beleggtransparens | Bruk AHP i nanostørrelse (partikkelstørrelse <1 μm) eller bland med transparente flammehemmere (f.eks. organiske fosfater). |
3. Anbefalt formulering og prosess
- Eksempelformulering:
- TPU/DMF-base: 100 phr
- Overflatemodifisert AHP: 20 phr
- Sinkborat (ZB): 5 phr (synergi for røykdemping)
- Dispergeringsmiddel (BYK-110): 1,5 phr
- Prosessnøkkelpunkter:
- Forbland AHP med dispergeringsmiddel og delvis DMF under høy skjærkraft (≥3000 rpm, 30 min), og bland deretter med TPU-slurry.
- Tørking etter påføring: 120–150 °C, forleng tiden med 10 % for å sikre fullstendig DMF-fordampning.
II. Mulighetsanalyse av sinkborat (ZB)
1. Flammehemmende mekanisme og fordeler
- Mekanisme:
- Danner et B₂O₃-glasslag ved høye temperaturer, og blokkerer oksygen og varme (flammehemming i kondensert fase).
- Frigjør bundet vann (~13 %), fortynner brennbare gasser og kjøler ned systemet.
- Fordeler:
- Sterk synergistisk effekt med AHP eller aluminiumtrihydroksid (ATH).
- Utmerket røykdemping, ideell for applikasjoner med lav røykproduksjon.
2. Utfordringer og løsninger ved bruk av applikasjoner
| Utfordring | Løsning |
| Dårlig dispersjonsstabilitet | Bruk ZB i nanostørrelse (<500 nm) og fuktemidler (f.eks. TegoDispers 750W). |
| Lav flammehemmende effektivitet (høy belastning nødvendig) | Brukes som synergist (5–10 %) med primære flammehemmere (f.eks. AHP eller organisk fosfor). |
| Redusert beleggfleksibilitet | Kompenser med myknere (f.eks. DOP eller polyesterpolyoler). |
3. Anbefalt formulering og prosess
- Eksempelformulering:
- TPU/DMF-base: 100 phr
- Nanostørrelse ZB: 8 phr
- AHP: 15 phr
- Fuktmiddel (Tego 750W): 1 phr
- Prosessnøkkelpunkter:
- Forhåndsdisperger ZB i DMF via kulefresing (partikkelstørrelse ≤2 μm) før blanding med TPU-slurry.
- Forleng tørketiden (f.eks. 30 min) for å unngå at restfuktighet påvirker flammehemmingen.
III. Synergistisk evaluering av AHP + ZB-systemet
1. Synergistiske flammehemmende effekter
- Gassfase- og kondensertfasesynergi:
- AHP gir fosfor til forkulling, mens ZB stabiliserer forkullingslaget og undertrykker etterglød.
- Kombinert LOI: 28–30 %, UL94 V-0 (1,6 mm) oppnåelig.
- Røykdemping:
- ZB reduserer røykutslipp med >50 % (konekalorimetertest).
2. Anbefalinger for ytelsesbalansering
- Kompensasjon for mekanisk eiendom:
- Tilsett 2–3 % TPU-mykner (f.eks. polykaprolaktonpolyol) for å opprettholde fleksibiliteten (forlengelse >300 %).
- Bruk ultrafine pulver (AHP/ZB <2μm) for å minimere tap av strekkfasthet.
- Prosessstabilitetskontroll:
- Oppretthold slammeviskositeten på 2000–4000 cP (Brookfield RV, spindel 4, 20 o/min) for jevnt belegg.
IV. Sammenligning med løsemiddelbaserte flytende flammehemmere
| Parameter | AHP + ZB-system | Flytende fosfor-nitrogen FR (f.eks. Levagard 4090N) |
| Laster | 20–30 % | 15–25 % |
| Dispersjonsvanskelighet | Krever forbehandling (høy skjærkraft/overflatemodifisering) | Direkte oppløsning, ingen dispersjon nødvendig |
| Koste | Lav (~3–5 dollar/kg) | Høy (~10–15 dollar/kg) |
| Miljøpåvirkning | Halogenfri, lav toksisitet | Kan inneholde halogener (produktavhengig) |
| Beleggtransparens | Halvgjennomsiktig til ugjennomsiktig | Svært gjennomsiktig |
V. Anbefalte implementeringstrinn
- Testing i laboratorieskala:
- Evaluer AHP/ZB individuelt og i kombinasjon (gradientbelastning: 10 %, 15 %, 20 %).
- Vurder dispersjonsstabilitet (ingen sedimentasjon etter 24 timer), viskositetsendringer og beleggets ensartethet.
- Validering i pilotskala:
- Optimaliser tørkeforholdene (tid/temperatur) og test flammehemming (UL94, LOI) og mekaniske egenskaper.
- Sammenlign kostnader: Hvis AHP+ZB reduserer kostnadene med >30 % vs. flytende FR-er, er det økonomisk levedyktig.
- Oppskaleringsforberedelse:
- Samarbeide med leverandører for å utvikle forhåndsdispergerte AHP/ZB-masterbatcher (DMF-baserte) for forenklet produksjon.
VI. Konklusjon
Med kontrollerte dispersjonsprosesser kan AHP og ZB tjene som effektive flammehemmere for TPU/DMF-belegg, forutsatt at:
- Overflatemodifisering + høyskjærdispersjonbrukes for å forhindre partikkelagglomerasjon.
- AHP (primær) + ZB (synergist)balanserer effektivitet og kostnader.
- Tilhøy gjennomsiktighet/fleksibilitetkrav er flytende fosfor-nitrogen-FR-er (f.eks. Levagard 4090N) fortsatt å foretrekke.
Sichuan Taifeng New Flame Retardant Co., Ltd. (ISO og REACH)
Email: lucy@taifeng-fr.com
Publiseringstid: 22. mai 2025
