Formuleringskonvertering för halogenfritt flamskyddsmedel av PVC-läder

Formuleringskonvertering för halogenfritt flamskyddsmedel av PVC-läder

Introduktion

Kunden producerar flamskyddat PVC-läder och tidigare använd antimontrioxid (Sb₂O₃). De strävar nu efter att eliminera Sb₂O₃ och byta till halogenfria flamskyddsmedel. Den nuvarande formuleringen inkluderar PVC, DOP, EPOXY, BZ-500, ST, HICOAT-410 och antimon. Övergången från en antimonbaserad PVC-läderformulering till ett halogenfritt flamskyddssystem innebär en betydande teknisk uppgradering. Denna övergång uppfyller inte bara allt strängare miljöföreskrifter (t.ex. RoHS, REACH) utan förbättrar också produktens "gröna" image och marknadskonkurrenskraft.

Viktiga utmaningar

1. Förlust av synergistisk effekt:
   • Sb₂O₃ är inte ett starkt flamskyddsmedel i sig självt, men uppvisar utmärkta synergistiska flamskyddseffekter med klor i PVC, vilket avsevärt förbättrar effektiviteten. Att ta bort antimon kräver att man hittar ett alternativt halogenfritt system som replikerar denna synergi.
2. Flamskyddseffektivitet:
   • Halogenfria flamskyddsmedel kräver ofta högre belastningar för att uppnå motsvarande flamskyddsklassificeringar (t.ex. UL94 V-0), vilket kan påverka mekaniska egenskaper (mjukhet, draghållfasthet, töjning), bearbetningsprestanda och kostnad.
3. Egenskaper för PVC-läder:
   • PVC-läder kräver utmärkt mjukhet, känsla, ytfinish (prägling, glans), väderbeständighet, migrationsbeständighet och flexibilitet vid låga temperaturer. Den nya formuleringen måste bibehålla eller nära matcha dessa egenskaper.
4. Bearbetningsprestanda:
   • Höga halter av halogenfria fyllmedel (t.ex. ATH) kan påverka smältflödet och bearbetningsstabiliteten.
5. Kostnadsöverväganden:
   • Vissa högeffektiva halogenfria flamskyddsmedel är dyra, vilket kräver en balans mellan prestanda och kostnad.

Urvalsstrategi för halogenfria flamskyddssystem (för PVC-konstläder)

1. Primära flamskyddsmedel – Metallhydroxider

• Aluminiumtrihydroxid (ATH):
  • Vanligast, kostnadseffektivt.
  • Mekanism: Endotermisk nedbrytning (~200 °C), vilket frigör vattenånga som späder ut brandfarliga gaser och syre samtidigt som ett skyddande ytskikt bildas.
  • Nackdelar: Låg effektivitet, hög belastningskrav (40–70 phr), minskar mjukhet, töjning och bearbetbarhet avsevärt; sönderdelningstemperaturen är låg.
• Magnesiumhydroxid (MDH):
  • Högre sönderdelningstemperatur (~340 °C), bättre lämpad för PVC-bearbetning (160–200 °C).
  • Nackdelar: Liknande höga belastningar (40–70 phr) behövs; något högre kostnad än ATH; kan ha högre fuktabsorption.

Strategi:

• Föredra MDH eller en ATH/MDH-blandning (t.ex. 70/30) för att balansera kostnad, anpassningsförmåga till bearbetningstemperatur och flamskyddsförmåga.
• Ytbehandlad (t.ex. silankopplad) ATH/MDH förbättrar kompatibiliteten med PVC, mildrar egenskapsförsämring och förstärker flamskyddsförmågan.

2. Flamskyddssynergister

För att minska belastningen av primära flamskyddsmedel och förbättra effektiviteten är synergister avgörande:

• Fosfor-kväve flamskyddsmedel: Idealiska för halogenfria PVC-system.
  • Ammoniumpolyfosfat (APP): Främjar förkolning och bildar ett svällande isolerande lager.
    • Obs: Använd högtemperaturbeständiga kvaliteter (t.ex. fas II, >280 °C) för att undvika sönderfall under bearbetning. Vissa APP-produkter kan påverka transparens och vattenbeständighet.
  • Aluminiumdietylfosfinat (ADP): Mycket effektivt, låg belastning (5–20 phr), minimal påverkan på egenskaper, god termisk stabilitet.
    • Nackdel: Högre kostnad.
  • Fosfatestrar (t.ex. RDP, BDP, TCPP): Fungerar som mjukgörande flamskyddsmedel.
    • Fördelar: Dubbel roll (mjukgörare + flamskyddsmedel).
    • Nackdelar: Små molekyler (t.ex. TCPP) kan migrera/förångas; RDP/BDP har lägre mjukgörande effektivitet än DOP och kan minska flexibiliteten vid låg temperatur.
• Zinkborat (ZB):
  • Lågkostnadseffektiv, multifunktionell (flamskyddsmedel, rökdämpande medel, förkolningsfrämjare, droppdämpande medel). Synergiserar väl med ATH/MDH och fosfor-kvävesystem. Typisk belastning: 3–10 ph.
• Zinkstannat/hydroxistannat:
  • Utmärkta rökdämpande och flamskyddande synergister, särskilt för klorinnehållande polymerer (t.ex. PVC). Kan delvis ersätta antimons synergistiska roll. Typisk belastning: 2–8 ph.
• Molybdenföreningar (t.ex. MoO₃, ammoniummolybdat):
  • Starka rökdämpare med flamskyddssynergi. Typisk belastning: 2–5 ph.
• Nanofyllmedel (t.ex. nanolera):
  • Låga belastningar (3–8 phr) förbättrar flamskyddet (bildning av förkolning, minskad värmeavgivningshastighet) och de mekaniska egenskaperna. Dispersion är avgörande.

3. Rökdämpande medel

PVC producerar kraftig rök under förbränning. Halogenfria formuleringar kräver ofta rökdämpning. Zinkborat, zinkstannat och molybdenföreningar är utmärkta val.

Föreslagen halogenfri flamskyddsmedelsformulering (baserad på kundens ursprungliga formulering)

Mål: Uppnå UL94 V-0 (1,6 mm eller tjockare) med bibehållen mjukhet, bearbetbarhet och viktiga egenskaper.

Antaganden:

• Ursprunglig formulering:
  • DOP: 50–70 phr (mjukgörare).
  • ST: Troligtvis stearinsyra (smörjmedel).
  • HICOAT-410: Ca/Zn-stabilisator.
  • BZ-500: Troligtvis ett smörjmedel/processhjälpmedel (för att bekräfta).
  • EPOXI: Epoxiderad sojabönolja (samstabilisator/mjukgörare).
  • Antimon: Sb₂O₃ (ska avlägsnas).

1. Rekommenderad formuleringsram (per 100 phr PVC-harts)

2. Exempelformulering (kräver optimering)

Kritiska implementeringssteg

1. Bekräfta råmaterialuppgifter:
   • Förtydliga de kemiska identiteterna hosBZ-500ochST(se leverantörens datablad).
   • Verifiera exakta belastningar avDOP,EPOXIochHICOAT-410.
   • Definiera kundens krav: Målgrupp för flamskydd (t.ex. UL94-tjocklek), mjukhet (hårdhet), tillämpning (fordon, möbler, väskor?), speciella behov (köldbeständighet, UV-stabilitet, nötningsbeständighet?), kostnadsgränser.
2. Välj specifika flamskyddsmedelskvaliteter:
   • Begär prover på halogenfria flamskyddsmedel skräddarsydda för PVC-läder från leverantörer.
   • Prioritera ytbehandlad ATH/MDH för bättre spridning.
   • För APP, använd högtemperaturbeständiga kvaliteter.
   • För fosfatestrar, föredra RDP/BDP framför TCPP för lägre migration.
3. Testning och optimering i laboratorieskala:
   • Förbered små satser med varierande mängder (t.ex. justera MDH/APP/ZB/ZS-förhållandena).
   • Blandning: Använd höghastighetsblandare (t.ex. Henschel) för jämn dispersion. Tillsätt först vätskor (mjukgörare, stabilisatorer) och sedan pulver.
   • Bearbetningsförsök: Test på produktionsutrustning (t.ex. Banbury-mixer + kalandrering). Övervaka mjukningstid, smältviskositet, vridmoment, ytkvalitet.
   • Prestandatestning:
     • Flamskydd: UL94, LOI.
     • Mekaniska egenskaper: Hårdhet (Shore A), draghållfasthet, töjning.
     • Mjukhet/känsla: Subjektiva tester + hårdhetstester.
     • Lågtemperaturflexibilitet: Kallböjningstest.
     • Termisk stabilitet: Kongorött test.
     • Utseende: Färg, glans, prägling.
     • (Valfritt) Röktäthet: NBS-rökkammare.
4. Felsökning och balansering:

5. Pilot och produktion: Efter laboratorieoptimering, genomför pilotförsök för att verifiera stabilitet, konsekvens och kostnad. Skala upp endast efter validering.

Slutsats

Att övergå från antimonbaserat till halogenfritt flamskyddsmedel i PVC-läder är genomförbart men kräver systematisk utveckling. Kärnmetoden kombinerar metallhydroxider (helst ytbehandlad MDH), fosfor-kvävesynergister (APP eller ADP) och multifunktionella rökdämpare (zinkborat, zinkstannat). Samtidigt är det avgörande att optimera mjukgörare, stabilisatorer, smörjmedel och processhjälpmedel.

Nycklar till framgång:

1. Definiera tydliga mål och begränsningar (flamskydd, egenskaper, kostnad).
2. Välj beprövade halogenfria flamskyddsmedel (ytbehandlade fyllmedel, högtemperatur-APP).
3. Genomför rigorösa laboratorietester (flamskydd, egenskaper, bearbetning).
4. Säkerställ jämn blandning och processkompatibilitet.

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