Anàlisi i optimització de la formulació ignífuga per a recobriments de PVC

Anàlisi i optimització de la formulació ignífuga per a recobriments de PVC

El client fabrica tendes de PVC i necessita aplicar un recobriment ignífug. La fórmula actual consta de 60 parts de resina de PVC, 40 parts de TOTM, 30 parts d'hipofosfit d'alumini (amb un contingut de fòsfor del 40%), 10 parts de MCA, 8 parts de borat de zinc, juntament amb dispersants. Tanmateix, el rendiment ignífug és deficient i la dispersió dels ignífugs també és inadequada. A continuació es mostra una anàlisi dels motius i una proposta d'ajust a la fórmula.

I. Raons principals de la baixa resistència a la flama

1. Sistema ignífug desequilibrat amb efectes sinèrgics febles

• Excés d'hipofosfit d'alumini (30 parts):
  Tot i que l'hipofosfit d'alumini és un retardant de flama eficient a base de fòsfor (40% de contingut de fòsfor), l'addició excessiva (> 25 parts) pot provocar:
• Un augment brusc de la viscositat del sistema, que dificulta la dispersió i forma punts calents aglomerats que acceleren la combustió ("efecte metxa").
• Reducció de la tenacitat del material i deteriorament de les propietats formadores de pel·lícula a causa d'un excés de farciment inorgànic.
• Alt contingut en MCA (10 parts):
  L'MCA (a base de nitrogen) s'utilitza normalment com a sinergista. Quan la dosi supera les 5 parts, tendeix a migrar a la superfície, saturant l'eficiència ignífuga i potencialment interferint amb altres ignífugs.
• Manca de sinèrgics clau:
  Tot i que el borat de zinc té efectes supressors de fum, l'absència de compostos a base d'antimoni (per exemple, triòxid d'antimoni) o d'òxid metàl·lic (per exemple, hidròxid d'alumini) impedeix la formació d'un sistema sinèrgic de "fòsfor-nitrogen-antimoni", la qual cosa resulta en una resistència a la flama en fase gasosa insuficient.

2. Desajust entre la selecció del plastificant i els objectius de retard de flama

• El TOTM (trimel·litat de trioctil) té una resistència a la flama limitada:
  El TOTM destaca en resistència a la calor, però és molt menys eficaç en retard de flama en comparació amb els èsters de fosfat (per exemple, el TOTP). Per a aplicacions d'alta retard de flama, com ara els recobriments de tendes de campanya, el TOTM no pot proporcionar prou capacitats de carbonització i barrera a l'oxigen.
• Plastificant total insuficient (només 40 parts):
  La resina de PVC normalment requereix entre 60 i 75 parts de plastificant per a una plastificació completa. Un baix contingut de plastificant provoca una viscositat elevada de la fosa, cosa que agreuja encara més els problemes de dispersió dels retardants de flama.

3. Sistema de dispersió ineficaç que provoca una distribució desigual del ignífug

• El dispersant actual pot ser d'ús general (per exemple, àcid esteàric o cera de PE), que no és eficaç per a retardants de flama inorgànics d'alta càrrega (hipofosfit d'alumini + borat de zinc en un total de 48 parts), causant:
• Aglomeració de partícules ignífugues, creant punts febles localitzats al recobriment.
• Flux deficient de la massa fosa durant el processament, generant calor de cisallament que desencadena una descomposició prematura.

4. Mala compatibilitat entre els retardants de flama i el PVC

• Els materials inorgànics com l'hipofosfit d'alumini i el borat de zinc presenten diferències de polaritat significatives amb el PVC. Sense modificació superficial (per exemple, agents d'acoblament de silà), es produeix una separació de fases, cosa que redueix l'eficiència ignífuga.

II. Enfocament del disseny central

1. Substituir el plastificant primari per TOTP

• Aprofita la seva excel·lent resistència a la flama intrínseca (contingut de fòsfor ≈9%) i el seu efecte plastificant.

2. Optimitzar les ràtios i sinergies ignífugues

• Conservar l'hipofosfit d'alumini com a font principal de fòsfor, però reduir significativament la seva dosi per millorar la dispersió i minimitzar l'"efecte metxa".
• Conservar el borat de zinc com a sinergista clau (que promou la carbonització i la supressió del fum).
• Conservar l'MCA com a sinergista de nitrogen però reduir la dosi per evitar la migració.
• Introduirhidròxid d'alumini ultrafí (ATH)com a component multifuncional:
• Resistent a la flama:Descomposició endotèrmica (deshidratació), refredament i dilució de gasos inflamables.
• Supressió de fum:Redueix significativament la generació de fum.
• Farciment:Redueix costos (en comparació amb altres retardants de flama).
• Dispersió i flux millorats (grau ultrafí):Més fàcil de dispersar que l'ATH convencional, minimitzant l'augment de la viscositat.

3. Solucions sòlides per a problemes de dispersió

• Augmentar significativament el contingut de plastificant:Assegureu la plastificació completa del PVC i reduïu la viscositat del sistema.
• Utilitzeu superdispersants d'alta eficiència:Dissenyat específicament per a pols inorgàniques d'alta càrrega i fàcilment aglomerables (hipofosfit d'alumini, ATH).
• Optimitzar el processament (la premescla és fonamental):Assegureu-vos de mullar i dispersar completament els retardants de flama.

4. Assegureu l'estabilitat bàsica del processament

• Afegiu-hi suficients estabilitzadors tèrmics i lubricants adequats.

III. Fórmula revisada de PVC ignífug

IV. Notes i punts clau de la fórmula

1. TOTP és la base fonamental

• 65–75 partsgaranteix:
• Plastificació completa: el PVC requereix prou plastificant per a la formació d'una pel·lícula suau i contínua.
• Reducció de la viscositat: crítica per millorar la dispersió de retardants de flama inorgànics d'alta càrrega.
• Retardant de flama intrínseca: el TOTP en si mateix és un plastificant ignífug altament eficaç.

2. Sinergia ignífuga

• Sinergia PNB-Al:L'hipofosfit d'alumini (P) + MCA (N) proporcionen sinergia de base PN. El borat de zinc (B, Zn) millora la carbonització i la supressió del fum. L'ATH ultrafí (Al) ofereix un refredament endotèrmic massiu i supressió del fum. El TOTP també contribueix amb fòsfor. Això crea un sistema sinèrgic multielemental.
• El paper de l'ATH:De 25 a 35 parts d'ATH ultrafí contribueix de manera important a la resistència a la flama i a la supressió del fum. La seva descomposició endotèrmica absorbeix la calor, mentre que el vapor d'aigua alliberat dilueix l'oxigen i els gasos inflamables.L'ATH ultrafí i tractat superficialment és críticper minimitzar l'impacte de la viscositat i millorar la compatibilitat amb el PVC.
• Hipofosfit d'alumini reduït:S'ha reduït de 30 a 15-20 parts per alleujar la càrrega del sistema i mantenir la contribució de fòsfor.
• MCA reduït:Reduït de 10 a 4–6 parts per evitar la migració.

3. Solució de dispersió: crucial per a l'èxit

• Superdispersant (3–4 parts):Essencial per gestionar el sistema d'alta càrrega (50–70 parts de farciments inorgànics en total!) i difícil de dispersar (hipofosfit d'alumini + ATH ultrafí + borat de zinc).Els dispersants ordinaris (per exemple, estearat de calci, cera de PE) són insuficients!Invertiu en superdispersants d'alta eficiència i utilitzeu quantitats adequades.
• Contingut de plastificant (65–75 parts):Com s'ha esmentat anteriorment, redueix la viscositat general, creant un millor entorn per a la dispersió.
• Lubricants (1–2 parts):Una combinació de lubricants interns/externs garanteix una bona fluïdesa durant la barreja i el recobriment, evitant que s'enganxi.

4. Processament: protocol estricte de premescla

• Pas 1 (mescla en pols inorgànica seca):
• Afegiu hipofosfit d'alumini, ATH ultrafí, borat de zinc, MCA i tots els superdispersants a un mesclador d'alta velocitat.
• Barregeu a 80–90 °C durant 8–10 minuts. Objectiu: Assegureu-vos que el superdispersant recobri completament cada partícula, trencant els aglomerats.El temps i la temperatura són crítics!
• Pas 2 (formació de fang):
• Afegiu la major part del TOTP (per exemple, 70–80%), tots els estabilitzadors tèrmics i els lubricants interns a la barreja del pas 1.
• Barregeu a 90–100 °C durant 5–7 minuts per formar una pasta uniforme, fluida i ignífuga. Assegureu-vos que les pols estiguin completament humitejades pels plastificants.
• Pas 3 (Afegir PVC i els components restants):
• Afegiu resina de PVC, el TOTP restant, lubricants externs (i antioxidants/estabilitzadors UV, si s'han afegit en aquesta fase).
• Barregeu a 100–110 °C durant 7–10 minuts fins que arribeu al "punt sec" (flux lliure, sense grumolls).Eviteu barrejar massa per evitar la degradació del PVC.
• Refrigeració:Descarregar i refredar la mescla a <50 °C per evitar que s'aglomeri.

5. Processament posterior

• Feu servir la barreja seca refredada per calandrar o recobrir.
• Controleu estrictament la temperatura de processament (temperatura de fusió recomanada ≤170–175 °C) per evitar la fallada de l'estabilitzador o la descomposició prematura dels retardants de flama (per exemple, ATH).

V. Resultats esperats i precaucions

• Resistent a la flama:En comparació amb la fórmula original (TOTM + hipofosfit/MCA d'alt contingut en alumini), aquesta fórmula revisada (TOTP + relacions P/N/B/Al optimitzades) hauria de millorar significativament la resistència a la flama, especialment en el rendiment de combustió vertical i la supressió de fum. Estàndards objectiu com el CPAI-84 per a tendes de campanya. Proves clau: ASTM D6413 (combustió vertical).
• Dispersió:El superdispersant + alt plastificant + premescla optimitzada hauria de millorar considerablement la dispersió, reduint l'aglomeració i millorant la uniformitat del recobriment.
• Processabilitat:Un TOTP i lubricants adequats haurien de garantir un processament suau, però cal controlar la viscositat i l'adherència durant la producció real.
• Cost:El TOTP i els superdispersants són cars, però la reducció d'hipofosfit d'alumini i el MCA compensen alguns costos. L'ATH té un cost relativament baix.

Recordatoris crítics:

• Primer, proves a petita escala!Proveu al laboratori i ajusteu en funció dels materials reals (especialment el rendiment de l'ATH i els superdispersants) i l'equip.
• Selecció de materials:
• ATH:Cal utilitzar qualitats ultrafines (D50 ≤2µm) amb tractament superficial (per exemple, silà). Consulteu els proveïdors per obtenir recomanacions compatibles amb PVC.
• Superdispersants:Cal utilitzar tipus d'alta eficiència. Informar els proveïdors sobre l'aplicació (PVC, farcits inorgànics d'alta càrrega, retardant de flama sense halògens).
• TOTP:Assegurar una alta qualitat.
• Proves:Realitzeu proves rigoroses de retard de flama segons els estàndards objectiu. Avalueu també la resistència a l'envelliment/aigua (crític per a les tendes de campanya per a l'aire lliure!). Els estabilitzadors UV i els antioxidants són essencials.

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