Analiza i optymalizacja formulacji środków zmniejszających palność powłok PVC

Analiza i optymalizacja formulacji środków zmniejszających palność powłok PVC

Klient produkuje namioty z PVC i potrzebuje nałożyć powłokę uniepalniającą. Obecna formuła składa się z 60 części żywicy PVC, 40 części TOTM, 30 części podfosforynu glinu (z 40% zawartością fosforu), 10 części MCA, 8 części boranu cynku oraz dyspergatorów. Jednak właściwości uniepalniające są słabe, a dyspersja środków uniepalniających jest również niewystarczająca. Poniżej przedstawiono analizę przyczyn i proponowaną modyfikację formuły.

I. Główne przyczyny słabej ognioodporności

1. Niezrównoważony układ zmniejszający palność o słabym działaniu synergistycznym

• Nadmiar podfosforynu glinu (30 części):
  Chociaż podfosforyn glinu jest skutecznym środkiem zmniejszającym palność na bazie fosforu (zawartość fosforu 40%), jego nadmierne dodanie (>25 części) może prowadzić do:
• Nagły wzrost lepkości układu, utrudniający dyspersję i tworzący skupiska gorących punktów, które przyspieszają spalanie („efekt knota”).
• Obniżona wytrzymałość materiału i pogorszenie właściwości tworzenia powłoki z powodu nadmiernej ilości wypełniacza nieorganicznego.
• Wysoka zawartość MCA (10 części):
  MCA (na bazie azotu) jest zazwyczaj stosowany jako synergista. Gdy dawka przekracza 5 części, ma tendencję do migracji na powierzchnię, obniżając skuteczność środka zmniejszającego palność i potencjalnie zakłócając działanie innych środków zmniejszających palność.
• Brak kluczowych synergistów:
  Chociaż boran cynku ma właściwości tłumiące dym, brak związków na bazie antymonu (np. trójtlenku antymonu) lub tlenków metali (np. wodorotlenku glinu) zapobiega tworzeniu się układu synergistycznego „fosfor-azot-antymon”, co skutkuje niewystarczającą ognioodpornością w fazie gazowej.

2. Niedopasowanie między wyborem plastyfikatora a celami dotyczącymi ognioodporności

• TOTM (trimellitian trioktylu) ma ograniczoną zdolność zmniejszania palności:
  TOTM charakteryzuje się doskonałą odpornością na ciepło, ale jest znacznie mniej skuteczny w zmniejszaniu palności w porównaniu z estrami fosforanowymi (np. TOTP). W zastosowaniach wymagających wysokiej ognioodporności, takich jak powłoki namiotowe, TOTM nie zapewnia wystarczającej odporności na zwęglanie i bariery tlenowej.
• Niewystarczająca ilość plastyfikatora całkowitego (tylko 40 części):
  Żywica PVC wymaga zazwyczaj 60–75 części plastyfikatora do pełnej plastyfikacji. Niska zawartość plastyfikatora prowadzi do wysokiej lepkości stopu, co dodatkowo pogarsza problemy z dyspersją środków zmniejszających palność.

3. Nieskuteczny system dyspersji prowadzący do nierównomiernego rozprowadzania środka zmniejszającego palność

• Obecny środek dyspergujący może być środkiem ogólnego przeznaczenia (np. kwas stearynowy lub wosk polietylenowy), który jest nieskuteczny w przypadku silnie stężonych nieorganicznych środków zmniejszających palność (podfosforyn glinu + boran cynku w sumie 48 części), powodując:
• Aglomeracja cząstek środka zmniejszającego palność, powodująca powstawanie lokalnych słabych punktów w powłoce.
• Słaby przepływ stopu w trakcie przetwarzania, generujący ciepło ścinające, które powoduje przedwczesny rozkład.

4. Słaba kompatybilność między środkami zmniejszającymi palność a PVC

• Materiały nieorganiczne, takie jak podfosforyn glinu i boran cynku, wykazują znaczne różnice polarności w stosunku do PVC. Bez modyfikacji powierzchni (np. silanowych środków sprzęgających) następuje rozdzielenie faz, co zmniejsza skuteczność środków zmniejszających palność.

II. Podstawowe podejście projektowe

1. Wymień główny plastyfikator na TOTP

• Wykorzystaj jego doskonałe właściwości trudnopalne (zawartość fosforu ≈9%) i efekt plastyfikujący.

2. Zoptymalizuj współczynniki zmniejszające palność i synergię

• Zachowaj podfosforyn glinu jako główne źródło fosforu, ale znacznie zmniejsz jego dawkę, aby poprawić dyspersję i zminimalizować „efekt knota”.
• Zachowaj boran cynku jako kluczowy synergista (wspomagający zwęglanie i tłumienie dymu).
• Zachowaj MCA jako synergistę azotu, ale zmniejsz jego dawkę, aby zapobiec migracji.
• Wprowadzićultradrobny wodorotlenek glinu (ATH)jako składnik wielofunkcyjny:
• Ognioodporność:Rozkład endotermiczny (odwodnienie), chłodzenie i rozcieńczanie gazów palnych.
• Tłumienie dymu:Znacznie zmniejsza wytwarzanie dymu.
• Podsadzkarz:Niższe koszty (w porównaniu z innymi środkami zmniejszającymi palność).
• Ulepszona dyspersja i przepływ (gatunek ultradrobny):Łatwiejszy do rozproszenia niż konwencjonalny ATH, minimalizujący wzrost lepkości.

3. Solidne rozwiązania problemów z dyspersją

• Znacznie zwiększa zawartość plastyfikatora:Zapewnij pełną plastyczność PVC i zmniejsz lepkość układu.
• Użyj superdyspergatorów o wysokiej wydajności:Specjalnie zaprojektowany do dużych ilości łatwo aglomerujących się proszków nieorganicznych (podfosforyn glinu, ATH).
• Zoptymalizuj przetwarzanie (wstępne mieszanie jest kluczowe):Zapewnić dokładne zwilżenie i rozproszenie środków zmniejszających palność.

4. Zapewnij podstawową stabilność przetwarzania

• Dodaj odpowiednią ilość stabilizatorów cieplnych i właściwych środków smarnych.

III. Zmieniona formuła PVC o właściwościach trudnopalnych

IV. Uwagi dotyczące formuły i kluczowe punkty

1. TOTP jest podstawą

• 65–75 częścizapewnia:
• Pełna plastyczność: PVC wymaga odpowiedniej ilości plastyfikatora, aby utworzyć miękką, ciągłą folię.
• Obniżenie lepkości: kluczowe dla poprawy dyspersji wysokoskoncentrowanych nieorganicznych środków zmniejszających palność.
• Wrodzona ognioodporność: TOTP jest wysoce skutecznym plastyfikatorem zmniejszającym palność.

2. Synergia zmniejszająca palność

• Synergia PNB-Al:Podfosforyn glinu (P) + MCA (N) zapewniają synergię zasadowego PN. Boran cynku (B, Zn) wspomaga zwęglanie i tłumienie dymu. Ultradrobny ATH (Al) zapewnia intensywne chłodzenie endotermiczne i tłumienie dymu. TOTP dostarcza również fosfor. Tworzy to wieloelementowy system synergiczny.
• Rola ATH:25–35 części ultradrobnego ATH jest głównym czynnikiem zmniejszającym palność i dymoszczelności. Jego endotermiczny rozkład pochłania ciepło, a uwolniona para wodna rozcieńcza tlen i gazy palne.Ultradrobna i powierzchniowo obrobiona ATH jest kluczowaw celu zminimalizowania wpływu lepkości i poprawy kompatybilności z PVC.
• Zredukowany podfosforyn glinu:Zmniejszono z 30 do 15–20 części, aby odciążyć układ, utrzymując jednocześnie wkład fosforu.
• Obniżona MCA:Zmniejszono liczbę części z 10 do 4–6, aby zapobiec migracji.

3. Rozwiązanie dyspersyjne – kluczowe dla sukcesu

• Superdyspergator (3–4 części):Niezbędny do obsługi układów o dużym obciążeniu (50–70 części łącznie wypełniaczy nieorganicznych!), trudnych do zdyspergowania (podfosforyn glinu + ultradrobny ATH + boran cynku).Zwykłe dyspergatory (np. stearynian wapnia, wosk PE) są niewystarczające!Zainwestuj w wysoce wydajne superdyspergatory i stosuj odpowiednie ich ilości.
• Zawartość plastyfikatora (65–75 części):Jak wyżej, zmniejsza ogólną lepkość, tworząc lepsze środowisko do dyspersji.
• Smar (1–2 części):Połączenie wewnętrznych i zewnętrznych środków smarnych zapewnia dobry przepływ podczas mieszania i powlekania, zapobiegając przywieraniu.

4. Przetwarzanie – ścisły protokół wstępnego mieszania

• Krok 1 (mieszanie suchych proszków nieorganicznych):
• Do miksera wysokoobrotowego dodać podfosforyn glinu, ultradrobny ATH, boran cynku, MCA i cały superdyspergator.
• Mieszaj w temperaturze 80–90°C przez 8–10 minut. Cel: Upewnij się, że superdyspergator całkowicie pokryje każdą cząsteczkę, rozbijając aglomeraty.Czas i temperatura mają kluczowe znaczenie!
• Krok 2 (Tworzenie zawiesiny):
• Do mieszanki z kroku 1 dodaj większość TOTP (np. 70–80%), wszystkie stabilizatory cieplne i wewnętrzne środki smarujące.
• Mieszaj w temperaturze 90–100°C przez 5–7 minut, aby uzyskać jednorodną, ​​płynną zawiesinę o właściwościach ognioodpornych. Upewnij się, że proszki są całkowicie zwilżone plastyfikatorami.
• Krok 3 (Dodaj PVC i pozostałe komponenty):
• Dodaj żywicę PVC, resztę TOTP, zewnętrzne środki smarne (oraz przeciwutleniacze/stabilizatory UV, jeśli zostały dodane na tym etapie).
• Mieszaj w temperaturze 100–110°C przez 7–10 minut, aż do uzyskania „punktu suchości” (gęsta masa bez grudek).Aby zapobiec degradacji PVC, należy unikać nadmiernego mieszania.
• Chłodzenie:Rozładuj i schłódź mieszaninę do temperatury <50°C, aby zapobiec jej zlepianiu.

5. Dalsze przetwarzanie

• Schłodzoną, suchą mieszankę należy wykorzystać do kalandrowania lub powlekania.
• Należy ściśle kontrolować temperaturę przetwarzania (zalecana temperatura topnienia ≤170–175°C), aby zapobiec uszkodzeniu stabilizatora lub przedwczesnemu rozkładowi środków zmniejszających palność (np. ATH).

V. Oczekiwane wyniki i środki ostrożności

• Ognioodporność:W porównaniu z pierwotną formułą (TOTM + wysoka zawartość podfosforynu glinu/MCA), ta zmodyfikowana formuła (TOTP + zoptymalizowane stosunki P/N/B/Al) powinna znacząco poprawić ognioodporność, szczególnie w zakresie odporności na palenie w pozycji pionowej i tłumienia dymu. Normy docelowe, takie jak CPAI-84 dla namiotów. Kluczowe testy: ASTM D6413 (palenie w pozycji pionowej).
• Dyspersja:Superdyspergator + wysoka zawartość plastyfikatora + zoptymalizowane mieszanie wstępne powinny znacznie poprawić dyspersję, zmniejszyć aglomerację i poprawić jednorodność powłoki.
• Przetwarzalność:Odpowiednie TOTP i środki smarne powinny zapewnić płynne przetwarzanie, ale podczas produkcji należy kontrolować lepkość i przywieranie.
• Koszt:TOTP i superdyspergatory są drogie, ale zredukowany podfosforyn glinu i MCA rekompensują część kosztów. ATH jest stosunkowo niedrogi.

Ważne przypomnienia:

• Najpierw testy na małą skalę!Przeprowadź testy w laboratorium i dostosuj je do rzeczywistych materiałów (szczególnie ATH i wydajności superdyspergatora) i sprzętu.
• Wybór materiału:
• ATH:Należy stosować gatunki ultradrobne (D50 ≤2 µm) z obróbką powierzchniową (np. silanem). Skonsultuj się z dostawcami w celu uzyskania zaleceń dotyczących zgodności z PVC.
• Superdyspergatory:Należy stosować materiały o wysokiej wydajności. Poinformuj dostawców o zastosowaniu (PCW, wypełniacze nieorganiczne o dużej zawartości wypełniaczy, bezhalogenowe środki zmniejszające palność).
• TOTP:Zapewnij wysoką jakość.
• Testowanie:Przeprowadź rygorystyczne testy ognioodporności zgodnie z docelowymi normami. Oceń również starzenie się i wodoodporność (kluczowe w przypadku namiotów zewnętrznych!). Stabilizatory UV i przeciwutleniacze są niezbędne.

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