Analys och optimering av flamskyddsmedelsformulering för PVC-beläggningar

Analys och optimering av flamskyddsmedelsformulering för PVC-beläggningar

Kunden tillverkar PVC-tält och behöver applicera en flamskyddsmedelsbeläggning. Den nuvarande formeln består av 60 delar PVC-harts, 40 delar TOTM, 30 delar aluminiumhypofosfit (med 40 % fosforhalt), 10 delar MCA, 8 delar zinkborat, tillsammans med dispergeringsmedel. Flamskyddsmedlets prestanda är dock dålig, och spridningen av flamskyddsmedlen är också otillräcklig. Nedan följer en analys av orsakerna och ett förslag till justering av formeln.

I. Huvudorsaker till dålig flamskyddsförmåga

1. Obalanserat flamskyddssystem med svaga synergistiska effekter

• Överskott av aluminiumhypofosfit (30 delar):
  Även om aluminiumhypofosfit är ett effektivt fosforbaserat flamskyddsmedel (40 % fosforhalt), kan överdriven tillsats (>25 delar) leda till:
• En kraftig ökning av systemets viskositet, vilket försvårar dispersion och bildar agglomererade heta punkter som accelererar förbränning ("vekeeffekt").
• Minskad materialseghet och försämrade filmbildande egenskaper på grund av överskott av oorganiskt fyllmedel.
• Högt MCA-innehåll (10 delar):
  MCA (kvävebaserat) används vanligtvis som synergist. När doseringen överstiger 5 delar tenderar det att migrera till ytan, vilket mättar flamskyddsmedlets effektivitet och potentiellt stör andra flamskyddsmedel.
• Brist på viktiga synergister:
  Medan zinkborat har rökdämpande effekter, förhindrar avsaknaden av antimonbaserade (t.ex. antimontrioxid) eller metalloxidföreningar (t.ex. aluminiumhydroxid) bildandet av ett synergistiskt "fosfor-kväve-antimon"-system, vilket resulterar i otillräcklig flamskyddsförmåga i gasfas.

2. Bristande överensstämmelse mellan val av mjukgörare och mål för flamskyddsmedel

• TOTM (trioktyltrimellitat) har begränsad flamskyddsförmåga:
  TOTM utmärker sig i värmebeständighet men är betydligt mindre effektivt när det gäller flamskydd jämfört med fosfatestrar (t.ex. TOTP). För tillämpningar med hög flamskyddsförmåga, som tältbeläggningar, kan TOTM inte ge tillräckliga förkolnings- och syrebarriäregenskaper.
• Otillräcklig mängd mjukgörare totalt (endast 40 delar):
  PVC-harts kräver vanligtvis 60–75 delar mjukgörare för fullständig mjukgöring. Lågt mjukgörarinnehåll leder till hög smältviskositet, vilket ytterligare förvärrar problem med spridning av flamskyddsmedel.

3. Ineffektivt dispersionssystem som leder till ojämn fördelning av flamskyddsmedel

• Det nuvarande dispergeringsmedlet kan vara av universaltyp (t.ex. stearinsyra eller PE-vax), vilket är ineffektivt för oorganiska flamskyddsmedel med hög belastning (aluminiumhypofosfit + zinkborat totalt 48 delar), vilket orsakar:
• Agglomeration av flamskyddsmedelspartiklar, vilket skapar lokaliserade svaga punkter i beläggningen.
• Dåligt smältflöde under bearbetning, vilket genererar skjuvvärme som utlöser för tidig nedbrytning.

4. Dålig kompatibilitet mellan flamskyddsmedel och PVC

• Oorganiska material som aluminiumhypofosfit och zinkborat har betydande polaritetsskillnader jämfört med PVC. Utan ytmodifiering (t.ex. silankopplingsmedel) sker fasseparation, vilket minskar flamskyddsmedlets effektivitet.

II. Kärndesignmetod

1. Ersätt primär mjukgörare med TOTP

• Utnyttja dess utmärkta inneboende flamskyddsförmåga (fosforhalt ≈9 %) och mjukgörande effekt.

2. Optimera flamskyddsmedelsförhållanden och synergi

• Behåll aluminiumhypofosfit som huvudkälla till fosfor men minska doseringen avsevärt för att förbättra spridningen och minimera "vekeeffekten".
• Behåll zinkborat som en viktig synergist (främjar förkolning och rökundertryckning).
• Behåll MCA som kvävesynergist men minska doseringen för att förhindra migration.
• Införaultrafin aluminiumhydroxid (ATH)som en multifunktionell komponent:
• Flamskydd:Endotermisk nedbrytning (uttorkning), kylning och utspädning av brandfarliga gaser.
• Rökdämpning:Minskar rökutvecklingen avsevärt.
• Fyllmedel:Sänker kostnaderna (jämfört med andra flamskyddsmedel).
• Förbättrad spridning och flöde (ultrafina kvaliteter):Lättare att dispergera än konventionell ATH, vilket minimerar viskositetsökningen.

3. Starka lösningar för spridningsproblem

• Öka mjukgörarhalten avsevärt:Säkerställ fullständig PVC-mjukgöring och minska systemets viskositet.
• Använd högeffektiva superdispergeringsmedel:Speciellt utformad för högbelastade, lätt agglomererade oorganiska pulver (aluminiumhypofosfit, ATH).
• Optimera bearbetningen (förblandning är avgörande):Säkerställ noggrann vätning och spridning av flamskyddsmedel.

4. Säkerställ grundläggande bearbetningsstabilitet

• Tillsätt tillräckligt med värmestabilisatorer och lämpliga smörjmedel.

III. Reviderad flamskyddsmedelsformel för PVC

IV. Formelnoteringar och huvudpunkter

1. TOTP är kärngrunden

• 65–75 delarsäkerställer:
• Fullständig mjukgöring: PVC kräver tillräckligt med mjukgörare för mjuk, kontinuerlig filmbildning.
• Viskositetsreduktion: Avgörande för att förbättra dispersionen av oorganiska flamskyddsmedel med hög belastning.
• Inneboende flamskyddsförmåga: TOTP i sig är en mycket effektiv flamskyddsmjukgörare.

2. Flamskyddssynergi

• PNB-Al-synergi:Aluminiumhypofosfit (P) + MCA (N) ger synergi mellan bas-PN. Zinkborat (B, Zn) förbättrar förkolning och rökreducering. Ultrafin ATH (Al) erbjuder massiv endotermisk kylning och rökreducering. TOTP bidrar också med fosfor. Detta skapar ett synergistiskt system med flera element.
• ATH:s roll:25–35 delar ultrafin ATH bidrar i hög grad till flamskydd och rökundertryckning. Dess endoterma nedbrytning absorberar värme, medan frigjord vattenånga späder ut syre och brandfarliga gaser.Ultrafin och ytbehandlad ATH är avgörandeför att minimera viskositetspåverkan och förbättra PVC-kompatibiliteten.
• Reducerad aluminiumhypofosfit:Sänkt från 30 till 15–20 delar för att minska systembelastningen samtidigt som fosforbidraget bibehålls.
• Minskad MCA:Sänkt från 10 till 4–6 delar för att förhindra migration.

3. Dispersionslösning – avgörande för framgång

• Superdispergeringsmedel (3–4 delar):Viktigt för hantering av det högbelastade (50–70 delar oorganiska fyllmedel totalt!) och svårdispergerbara systemet (aluminiumhypofosfit + ultrafin ATH + zinkborat).Vanliga dispergeringsmedel (t.ex. kalciumstearat, PE-vax) är otillräckliga!Investera i högeffektiva superdispergeringsmedel och använd tillräckliga mängder.
• Mjukgörarinnehåll (65–75 delar):Som ovan minskar den den totala viskositeten, vilket skapar en bättre miljö för dispersion.
• Smörjmedel (1–2 delar):En kombination av interna/externa smörjmedel säkerställer bra flöde under blandning och applicering, vilket förhindrar klibbning.

4. Bearbetning – Strikt förblandningsprotokoll

• Steg 1 (Torrblandning av oorganiska pulver):
• Tillsätt aluminiumhypofosfit, ultrafin ATH, zinkborat, MCA och allt superdispergeringsmedel till en höghastighetsblandare.
• Blanda vid 80–90 °C i 8–10 minuter. Mål: Säkerställ att superdispergeringsmedlet täcker varje partikel helt och bryter ner agglomerat.Tid och temperatur är avgörande!
• Steg 2 (Slambildning):
• Tillsätt det mesta av TOTP (t.ex. 70–80 %), alla värmestabilisatorer och interna smörjmedel till blandningen från steg 1.
• Blanda vid 90–100 °C i 5–7 minuter för att bilda en jämn, flytande flamskyddsmedelsslamning. Se till att pulvret är helt fuktat av mjukgörare.
• Steg 3 (Tillsätt PVC och återstående komponenter):
• Tillsätt PVC-harts, resterande TOTP, externa smörjmedel (och antioxidanter/UV-stabilisatorer, om de tillsätts i detta skede).
• Blanda vid 100–110 °C i 7–10 minuter tills det når ”torrpunkten” (fritt rinnande, inga klumpar).Undvik överblandning för att förhindra nedbrytning av PVC.
• Kyl:Töm ut och kyl blandningen till <50 °C för att förhindra klumpbildning.

5. Efterföljande bearbetning

• Använd den avsvalnade torra blandningen för kalandrering eller panering.
• Kontrollera bearbetningstemperaturen strikt (rekommenderad smälttemperatur ≤170–175 °C) för att undvika stabilisatorfel eller för tidig nedbrytning av flamskyddsmedel (t.ex. ATH).

V. Förväntade resultat och försiktighetsåtgärder

• Flamskydd:Jämfört med den ursprungliga formeln (TOTM + hög aluminiumhypofosfit/MCA) bör denna reviderade formel (TOTP + optimerade P/N/B/Al-förhållanden) avsevärt förbättra flamskyddet, särskilt vad gäller prestanda vid vertikal bränning och rökundertryckning. Målgrupp: Målstandarder som CPAI-84 för tält. Viktiga tester: ASTM D6413 (vertikal bränning).
• Dispersion:Superdispergeringsmedel + högmjukgörare + optimerad förblandning bör avsevärt förbättra dispersionen, minska agglomerering och förbättra beläggningens jämnhet.
• Processbarhet:Tillräckligt med TOTP och smörjmedel bör säkerställa smidig bearbetning, men övervaka viskositet och vidhäftning under själva produktionen.
• Kosta:TOTP och superdispergeringsmedel är dyra, men reducerad aluminiumhypofosfit och MCA kompenserar för vissa kostnader. ATH är relativt billigt.

Viktiga påminnelser:

• Först småskaliga försök!Testa i labbet och justera baserat på faktiska material (särskilt ATH och superdispergeringsmedels prestanda) och utrustning.
• Materialval:
• ATH:Måste använda ultrafina (D50 ≤2µm), ytbehandlade (t.ex. silan) kvaliteter. Kontakta leverantörer för rekommendationer om PVC-kompatibla material.
• Superdispergeringsmedel:Måste använda högeffektiva typer. Informera leverantörerna om tillämpningen (PVC, oorganiska fyllnadsmedel med hög belastning, halogenfri flamskyddsmedel).
• TOTP:Säkerställ hög kvalitet.
• Testning:Genomför rigorösa flamskyddstester enligt målstandarder. Utvärdera även åldrings-/vattenbeständighet (avgörande för utomhustält!). UV-stabilisatorer och antioxidanter är viktiga.

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