Analyse en optimalisatie van vlamvertragende formuleringen voor PVC-coatings

Analyse en optimalisatie van vlamvertragende formuleringen voor PVC-coatings

De klant produceert PVC-tenten en moet een vlamvertragende coating aanbrengen. De huidige formule bestaat uit 60 delen PVC-hars, 40 delen TOTM, 30 delen aluminiumhypofosfiet (met 40% fosfor), 10 delen MCA, 8 delen zinkboraat en dispergeermiddelen. De vlamvertragende werking is echter slecht en de dispersie van de vlamvertragers is ook onvoldoende. Hieronder vindt u een analyse van de redenen en een voorstel voor een aanpassing van de formule.

I. Belangrijkste redenen voor slechte vlamvertraging

1. Onevenwichtig vlamvertragend systeem met zwakke synergetische effecten

• Overmatig aluminiumhypofosfiet (30 delen):
  Hoewel aluminiumhypofosfiet een efficiënte vlamvertrager op basis van fosfor is (40% fosforgehalte), kan een overmatige toevoeging (>25 delen) leiden tot:
• Een sterke toename van de viscositeit van het systeem, waardoor de dispersie moeilijk wordt en er samengeklonterde hotspots ontstaan ​​die de verbranding versnellen (‘wick-effect’).
• Verminderde taaiheid van het materiaal en verminderde filmvormende eigenschappen vanwege een overmaat aan anorganische vulstof.
• Hoog MCA-gehalte (10 delen):
  MCA (op basis van stikstof) wordt doorgaans gebruikt als synergist. Wanneer de dosering hoger is dan 5 delen, neigt het naar het oppervlak te migreren, waardoor de vlamvertragende werking wordt aangetast en mogelijk andere vlamvertragers worden verstoord.
• Gebrek aan belangrijke synergisten:
  Zinkboraat heeft weliswaar een rookonderdrukkende werking, maar de afwezigheid van verbindingen op basis van antimoon (bijv. antimoontrioxide) of metaaloxide (bijv. aluminiumhydroxide) voorkomt de vorming van een synergetisch “fosfor-stikstof-antimoon”-systeem, wat resulteert in onvoldoende vlamvertraging in de gasfase.

2. Mismatch tussen de selectie van weekmakers en de doelstellingen op het gebied van vlamvertraging

• TOTM (trioctyltrimellitaat) heeft een beperkte vlamvertragende werking:
  TOTM blinkt uit in hittebestendigheid, maar is veel minder effectief in vlamvertraging dan fosfaatesters (bijv. TOTP). Voor toepassingen met een hoge vlamvertragende werking, zoals tentcoatings, biedt TOTM onvoldoende verkoling en zuurstofbarrière.
• Onvoldoende totale weekmaker (slechts 40 delen):
  PVC-hars heeft doorgaans 60-75 delen weekmaker nodig voor volledige plastificering. Een laag weekmakergehalte leidt tot een hoge smeltviscositeit, wat de verspreidingsproblemen van vlamvertragers verder verergert.

3. Ineffectief verspreidingssysteem dat leidt tot een ongelijkmatige verdeling van de vlamvertrager

• Het huidige dispergeermiddel kan van het type voor algemene doeleinden zijn (bijvoorbeeld stearinezuur of PE-was), dat niet effectief is voor anorganische vlamvertragers met een hoge belasting (aluminiumhypofosfiet + zinkboraat in totaal 48 delen), waardoor het volgende ontstaat:
• Ophoping van vlamvertragende deeltjes, waardoor er plaatselijke zwakke plekken in de coating ontstaan.
• Slechte smeltstroom tijdens de verwerking, waardoor er schuifwarmte ontstaat die voortijdige ontleding veroorzaakt.

4. Slechte compatibiliteit tussen vlamvertragers en PVC

• Anorganische materialen zoals aluminiumhypofosfiet en zinkboraat vertonen aanzienlijke polariteitsverschillen met PVC. Zonder oppervlaktemodificatie (bijv. silaan-koppelingsmiddelen) treedt fasescheiding op, waardoor de vlamvertragende werking afneemt.

II. Kernontwerpbenadering

1. Vervang de primaire weekmaker door TOTP

• Profiteer van de uitstekende intrinsieke vlamvertragende werking (fosforgehalte ≈9%) en het plastificerende effect.

2. Optimaliseer vlamvertragende verhoudingen en synergie

• Behoud aluminiumhypofosfiet als belangrijkste fosforbron, maar verlaag de dosering aanzienlijk om de verspreiding te verbeteren en het 'lonteffect' te minimaliseren.
• Behoud zinkboraat als belangrijke synergist (bevordert verkoling en onderdrukking van rook).
• Behoud MCA als stikstofsynergist, maar verlaag de dosering om migratie te voorkomen.
• Introducerenultrafijn aluminiumhydroxide (ATH)als multifunctioneel onderdeel:
• Vlamvertraging:Endotherme ontleding (dehydratie), afkoeling en verdunning van brandbare gassen.
• Rookonderdrukking:Vermindert de rookontwikkeling aanzienlijk.
• Vulstof:Lagere kosten (vergeleken met andere vlamvertragers).
• Verbeterde verspreiding en stroming (ultrafijne kwaliteit):Gemakkelijker te dispergeren dan conventionele ATH, waardoor de viscositeitstoename minimaal is.

3. Krachtige oplossingen voor verspreidingsproblemen

• Verhoog het gehalte aan weekmakers aanzienlijk:Zorgt voor volledige PVC-plastificatie en verlaagt de viscositeit van het systeem.
• Gebruik superdispergeermiddelen met een hoge efficiëntie:Speciaal ontworpen voor zwaar belaste, gemakkelijk klonterende anorganische poeders (aluminiumhypofosfiet, ATH).
• Optimaliseer de verwerking (voormengen is cruciaal):Zorg ervoor dat de vlamvertragers goed bevochtigd en verspreid worden.

4. Zorg voor basisverwerkingsstabiliteit

• Voeg voldoende hittestabilisatoren en geschikte smeermiddelen toe.

III. Herziene vlamvertragende PVC-formule

IV. Formule-opmerkingen en kernpunten

1. TOTP is de kernfundament

• 65–75 onderdelenzorgt voor:
• Volledige plastificatie: PVC heeft voldoende weekmaker nodig voor de vorming van een zachte, continue film.
• Viscositeitsverlaging: van cruciaal belang voor het verbeteren van de verspreiding van anorganische vlamvertragers met een hoge belasting.
• Intrinsieke vlamvertraging: TOTP is op zichzelf een zeer effectieve vlamvertragende weekmaker.

2. Vlamvertragende synergie

• PNB-Al-synergie:Aluminiumhypofosfiet (P) + MCA (N) zorgen voor een basis-PN-synergie. Zinkboraat (B, Zn) verbetert de verkoling en rookonderdrukking. Ultrafijn ATH (Al) zorgt voor een enorme endotherme koeling en rookonderdrukking. TOTP levert ook fosfor. Dit creëert een synergetisch systeem met meerdere elementen.
• Rol van ATH:25-35 delen ultrafijn ATH leveren een belangrijke bijdrage aan vlamvertraging en rookonderdrukking. De endotherme ontleding absorbeert warmte, terwijl de vrijkomende waterdamp zuurstof en brandbare gassen verdunt.Ultrafijn en oppervlaktebehandeld ATH is cruciaalom de impact op de viscositeit te minimaliseren en de PVC-compatibiliteit te verbeteren.
• Gereduceerd aluminiumhypofosfiet:Verlaagd van 30 naar 15–20 delen om de belasting van het systeem te verlichten en tegelijkertijd de fosforbijdrage te behouden.
• Verminderde MCA:Verlaagd van 10 naar 4–6 delen om migratie te voorkomen.

3. Dispersieoplossing – cruciaal voor succes

• Superdispergeermiddel (3–4 delen):Onmisbaar voor het verwerken van het systeem met een hoge belasting (50–70 delen totale anorganische vulstoffen!) en een moeilijk dispergeerbaar mengsel (aluminiumhypofosfiet + ultrafijn ATH + zinkboraat).Gewone dispergeermiddelen (bijv. calciumstearaat, PE-was) zijn niet voldoende!Investeer in zeer efficiënte superdispergeermiddelen en gebruik er voldoende van.
• Weekmakergehalte (65–75 delen):Zoals hierboven vermeld, verlaagt het de algehele viscositeit, waardoor er een betere omgeving voor verspreiding ontstaat.
• Smeermiddelen (1–2 delen):Een combinatie van interne en externe smeermiddelen zorgt voor een goede doorstroming tijdens het mengen en coaten, waardoor vastplakken wordt voorkomen.

4. Verwerking – Strikt voormengprotocol

• Stap 1 (Droog gemengde anorganische poeders):
• Voeg aluminiumhypofosfiet, ultrafijn ATH, zinkboraat, MCA en alle superdispergeermiddelen toe aan een hogesnelheidsmenger.
• Meng 8-10 minuten bij 80-90 °C. Doel: Zorg ervoor dat het superdispergeermiddel elk deeltje volledig bedekt en agglomeraten breekt.Tijd en temperatuur zijn van cruciaal belang!
• Stap 2 (Slurryvorming):
• Voeg het grootste deel van de TOTP (bijv. 70–80%), alle hittestabilisatoren en interne smeermiddelen toe aan het mengsel uit stap 1.
• Meng 5-7 minuten bij 90-100 °C tot een uniforme, vloeibare, brandvertragende slurry. Zorg ervoor dat de poeders volledig bevochtigd zijn met weekmakers.
• Stap 3 (PVC en overige componenten toevoegen):
• Voeg PVC-hars, de resterende TOTP, externe smeermiddelen (en antioxidanten/UV-stabilisatoren, indien toegevoegd in deze fase) toe.
• Meng het mengsel bij 100–110°C gedurende 7–10 minuten totdat het “droogpunt” is bereikt (vrij stromend, geen klonten).Vermijd overmatig mengen om PVC-degradatie te voorkomen.
• Koeling:Giet het mengsel af en laat het afkoelen tot <50°C om klontering te voorkomen.

5. Vervolgverwerking

• Gebruik het afgekoelde droge mengsel voor kalanderen of coaten.
• Houd de verwerkingstemperatuur strikt in de gaten (aanbevolen smelttemperatuur ≤170–175°C) om falen van de stabilisator of voortijdige ontleding van vlamvertragers (bijv. ATH) te voorkomen.

V. Verwachte resultaten en voorzorgsmaatregelen

• Vlamvertraging:Vergeleken met de oorspronkelijke formule (TOTM + hoog aluminiumhypofosfiet/MCA) zou deze herziene formule (TOTP + geoptimaliseerde P/N/B/Al-verhoudingen) de vlamvertraging aanzienlijk moeten verbeteren, met name wat betreft verticale verbranding en rookonderdrukking. Streef naar normen zoals CPAI-84 voor tenten. Belangrijkste tests: ASTM D6413 (verticale verbranding).
• Dispersie:Superdispergeermiddel + hoge weekmaker + geoptimaliseerde voormenging zou de dispersie aanzienlijk moeten verbeteren, agglomeratie moeten verminderen en de uniformiteit van de coating moeten verbeteren.
• Verwerkbaarheid:Adequate TOTP en smeermiddelen zorgen voor een soepele verwerking, maar controleer de viscositeit en het vastplakken tijdens de daadwerkelijke productie.
• Kosten:TOTP en superdispergeermiddelen zijn duur, maar minder aluminiumhypofosfiet en MCA compenseren de kosten enigszins. ATH is relatief goedkoop.

Belangrijke herinneringen:

• Eerst proeven op kleine schaal!Voer tests uit in het laboratorium en pas het aan op basis van de daadwerkelijke materialen (met name de prestaties van ATH en superdispergeermiddelen) en de apparatuur.
• Materiaalkeuze:
• ATH:Gebruik ultrafijne (D50 ≤ 2 µm), oppervlaktebehandelde (bijv. silaan) kwaliteiten. Raadpleeg leveranciers voor aanbevelingen over PVC-compatibiliteit.
• Superdispergeermiddelen:Gebruik hoogrendementstypes. Informeer leveranciers over de toepassing (PVC, hoogbelastbare anorganische vulstoffen, halogeenvrije vlamvertragers).
• TOTP:Zorg voor hoge kwaliteit.
• Testen:Voer strenge vlamvertragingstests uit volgens de beoogde normen. Evalueer ook de verouderings- en waterbestendigheid (cruciaal voor buitententen!). UV-stabilisatoren en antioxidanten zijn essentieel.

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