Analýza a optimalizace složení zpomalovačů hoření pro PVC povlaky

Analýza a optimalizace složení zpomalovačů hoření pro PVC povlaky

Klient vyrábí PVC stany a potřebuje na ně aplikovat nátěr zpomalující hoření. Současné složení se skládá z 60 dílů PVC pryskyřice, 40 dílů TOTM, 30 dílů fosfornanu hlinitého (s obsahem fosforu 40 %), 10 dílů MCA, 8 dílů boritanu zinečnatého a dispergačních činidel. Účinnost zpomalujícího hoření je však nízká a disperze zpomalovačů hoření je také nedostatečná. Níže je uvedena analýza důvodů a návrh úpravy složení.

I. Hlavní příčiny špatné zpomalení hoření

1. Nevyvážený systém zpomalovačů hoření se slabými synergickými účinky

• Nadbytek hypofosfanu hlinitého (30 dílů):
  Přestože je hypofosfornan hlinitý účinným zpomalovačem hoření na bázi fosforu (obsah fosforu 40 %), nadměrné přidání (> 25 dílů) může vést k:
• Prudký nárůst viskozity systému, což ztěžuje disperzi a vytváří aglomerované horká místa, která urychlují hoření („knotový efekt“).
• Snížená houževnatost materiálu a zhoršené filmotvorné vlastnosti v důsledku nadměrného množství anorganického plniva.
• Vysoký obsah MCA (10 dílů):
  MCA (na bázi dusíku) se obvykle používá jako synergista. Pokud dávka překročí 5 dílů, má tendenci migrovat k povrchu, čímž snižuje účinnost zpomalovače hoření a potenciálně interferuje s jinými zpomalovači hoření.
• Nedostatek klíčových synergistů:
  Zatímco boritan zinečnatý má účinky potlačující kouř, absence sloučenin na bázi antimonu (např. oxid antimonitý) nebo oxidů kovů (např. hydroxid hlinitý) zabraňuje tvorbě synergického systému „fosfor-dusík-antimon“, což má za následek nedostatečnou retardaci hoření v plynné fázi.

2. Nesoulad mezi výběrem změkčovadla a cíli v oblasti zpomalování hoření

• TOTM (trioktyl trimellitát) má omezenou nehořlavost:
  TOTM vyniká v tepelné odolnosti, ale je mnohem méně účinný v oblasti zpomalování hoření ve srovnání s fosfátovými estery (např. TOTP). Pro aplikace s vysokou zpomalovací schopností hoření, jako jsou nátěry stanů, nemůže TOTM poskytnout dostatečné schopnosti zuhelnatění a kyslíkové bariéry.
• Nedostatečné množství změkčovadla (pouze 40 dílů):
  PVC pryskyřice obvykle vyžaduje 60–75 dílů změkčovadla pro úplnou plastifikaci. Nízký obsah změkčovadla vede k vysoké viskozitě taveniny, což dále zhoršuje problémy s disperzí zpomalovače hoření.

3. Neúčinný disperzní systém vedoucí k nerovnoměrnému rozložení zpomalovače hoření

• Současný disperzní prostředek může být univerzálního typu (např. kyselina stearová nebo PE vosk), který je neúčinný pro vysoce koncentrované anorganické zpomalovače hoření (fosforečnan hlinitý + boritan zinečnatý celkem 48 dílů) a způsobuje:
• Aglomerace částic zpomalovače hoření, která vytváří lokální slabá místa v povlaku.
• Špatný tok taveniny během zpracování, generování smykového tepla, které spouští předčasný rozklad.

4. Špatná kompatibilita mezi zpomalovači hoření a PVC

• Anorganické materiály, jako je fosfornan hlinitý a boritan zinečnatý, mají oproti PVC značné rozdíly v polaritě. Bez modifikace povrchu (např. silanovými vazebnými činidly) dochází k fázové separaci, což snižuje účinnost zpomalovače hoření.

II. Přístup k základnímu návrhu

1. Nahraďte primární změkčovadlo TOTP

• Využijte jeho vynikající vnitřní nehořlavost (obsah fosforu ≈9 %) a plastifikační účinek.

2. Optimalizace poměrů a synergie zpomalovačů hoření

• Jako hlavní zdroj fosforu si zachovejte hypofosfan hlinitý, ale výrazně snižte jeho dávkování, abyste zlepšili disperzi a minimalizovali „knotový efekt“.
• Zachovat boritan zinečnatý jako klíčový synergista (podporující zuhelnatění a potlačení kouře).
• Zachovat MCA jako synergistu dusíku, ale snížit jeho dávkování, aby se zabránilo migraci.
• Představitultrajemný hydroxid hlinitý (ATH)jako multifunkční komponenta:
• Odolnost proti hoření:Endotermický rozklad (dehydratace), ochlazování a ředění hořlavých plynů.
• Potlačení kouře:Výrazně snižuje tvorbu kouře.
• Plnivo:Snižuje náklady (ve srovnání s jinými zpomalovači hoření).
• Zlepšená disperze a tekutost (ultrajemná jakost):Snadněji se disperguje než konvenční ATH, minimalizuje se tak nárůst viskozity.

3. Silná řešení problémů s rozptylem

• Výrazně zvyšte obsah změkčovadla:Zajistěte úplnou plastifikaci PVC a snižte viskozitu systému.
• Používejte vysoce účinné superdisperzní činidla:Speciálně navrženo pro vysoce zatížitelné, snadno aglomerované anorganické prášky (fosforečnan hlinitý, ATH).
• Optimalizace zpracování (předběžné míchání je zásadní):Zajistěte důkladné navlhčení a rozptýlení zpomalovačů hoření.

4. Zajistěte základní stabilitu zpracování

• Přidejte dostatečné množství tepelných stabilizátorů a vhodných maziv.

III. Revidované složení PVC s nehořlavou úpravou

IV. Poznámky k receptuře a klíčové body

1. TOTP je základní nadace

• 65–75 dílůzajišťuje:
• Plná plastifikace: PVC vyžaduje dostatečné množství plastifikátoru pro vytvoření měkkého, souvislého filmu.
• Snížení viskozity: Rozhodující pro zlepšení disperze vysoce účinných anorganických zpomalovačů hoření.
• Vnitřní zpomalení hoření: TOTP sám o sobě je vysoce účinný změkčovadlo zpomalující hoření.

2. Synergie zpomalovačů hoření

• Synergie PNB-Al:Fosfornan hlinitý (P) + MCA (N) poskytují synergii základního PN. Boritan zinečnatý (B, Zn) zlepšuje zuhelnatění a potlačení kouře. Ultrajemný ATH (Al) nabízí masivní endotermické chlazení a potlačení kouře. TOTP také přispívá fosforem. To vytváří víceprvkový synergický systém.
• Úloha ATH:25–35 dílů ultrajemného ATH významně přispívá k nehořlavosti a potlačení kouře. Jeho endotermický rozklad absorbuje teplo, zatímco uvolněná vodní pára ředí kyslík a hořlavé plyny.Ultrajemný a povrchově upravený ATH je zásadníminimalizovat vliv viskozity a zlepšit kompatibilitu s PVC.
• Redukovaný hypofosfan hlinitý:Sníženo z 30 na 15–20 dílů pro snížení zátěže systému při zachování podílu fosforu.
• Snížená MCA:Sníženo z 10 na 4–6 dílů, aby se zabránilo migraci.

3. Disperzní řešení – klíčové pro úspěch

• Superdisperzní činidlo (3–4 díly):Nezbytný pro manipulaci s vysoce zatížitelným (celkem 50–70 dílů anorganických plniv!) a obtížně dispergovatelným systémem (fosforečnan hlinitý + ultrajemný ATH + boritan zinečnatý).Běžné dispergační činidla (např. stearát vápenatý, PE vosk) jsou nedostatečné!Investujte do vysoce účinných superdisperzních prostředků a používejte je v dostatečném množství.
• Obsah změkčovadla (65–75 dílů):Jak je uvedeno výše, snižuje celkovou viskozitu a vytváří lepší prostředí pro disperzi.
• Maziva (1–2 díly):Kombinace vnitřních/vnějších maziv zajišťuje dobrý tok během míchání a nanášení a zabraňuje přilepování.

4. Zpracování – Přísný protokol předběžného míchání

• Krok 1 (Suché míchání anorganických prášků):
• Do vysokorychlostního mixéru přidejte hypofosfan hlinitý, ultrajemný ATH, boritan zinečnatý, MCA a všechny superdisperzní látky.
• Míchejte při teplotě 80–90 °C po dobu 8–10 minut. Cíl: Zajistit, aby superdispergační činidlo plně pokrylo každou částici a rozbilo aglomeráty.Čas a teplota jsou klíčové!
• Krok 2 (Tvorba suspenze):
• Do směsi z kroku 1 přidejte většinu TOTP (např. 70–80 %), všechny tepelné stabilizátory a vnitřní maziva.
• Míchejte při teplotě 90–100 °C po dobu 5–7 minut, aby vznikla jednotná, tekutá nehořlavá suspenze. Ujistěte se, že prášky jsou plně smáčeny změkčovadly.
• Krok 3 (Přidání PVC a zbývajících komponentů):
• Přidejte PVC pryskyřici, zbývající TOTP, externí lubrikanty (a antioxidanty/UV stabilizátory, pokud jsou v této fázi přidány).
• Míchejte při teplotě 100–110 °C po dobu 7–10 minut, dokud nedosáhnete „suchého bodu“ (plynulý sypký materiál bez hrudek).Zabraňte nadměrnému míchání, abyste zabránili degradaci PVC.
• Chlazení:Směs vypusťte a ochlaďte na teplotu <50 °C, aby se zabránilo shlukování.

5. Následné zpracování

• Vychladlou suchou směs použijte pro kalandrování nebo potahování.
• Přísně kontrolujte teplotu zpracování (doporučená teplota taveniny ≤170–175 °C), abyste zabránili selhání stabilizátoru nebo předčasnému rozkladu zpomalovačů hoření (např. ATH).

V. Očekávané výsledky a bezpečnostní opatření

• Odolnost proti hoření:Ve srovnání s původním složením (TOTM + vysoce koncentrovaný hypofosfan hlinitý/MCA) by toto revidované složení (TOTP + optimalizované poměry P/N/B/Al) mělo výrazně zlepšit zpomalení hoření, zejména pokud jde o vertikální hoření a potlačení kouře. Cílové normy jako CPAI-84 pro stany. Klíčové testy: ASTM D6413 (vertikální hoření).
• Disperze:Superdispergační činidlo + vysoké změkčovadlo + optimalizované předmíchání by mělo výrazně zlepšit disperzi, snížit aglomeraci a zlepšit rovnoměrnost povlaku.
• Zpracovatelnost:Dostatečné množství TOTP a maziv by mělo zajistit hladký proces, ale během skutečné výroby je třeba sledovat viskozitu a lepivost.
• Náklady:TOTP a superdispergační činidla jsou drahé, ale redukovaný fosfornan hlinitý a MCA některé náklady kompenzují. ATH je relativně levný.

Důležité připomínky:

• Nejprve malé pokusy!Vyzkoušejte v laboratoři a upravte na základě skutečných materiálů (zejména výkonu ATH a superdisperzních činidel) a vybavení.
• Výběr materiálu:
• ATH:Nutné použití ultrajemných (D50 ≤2 µm) povrchově upravených (např. silanových) materiálů. Doporučení ohledně kompatibility s PVC konzultujte s dodavateli.
• Superdispergační činidla:Nutné použití vysoce účinných typů. Informujte dodavatele o použití (PVC, vysoce účinná anorganická plniva, bezhalogenová nehořlavá úprava).
• TOTP:Zajistěte vysokou kvalitu.
• Testování:Provádějte přísné testy zpomalování hoření dle cílových norem. Také vyhodnoťte odolnost proti stárnutí/vodě (důležité pro venkovní stany!). Nezbytné jsou UV stabilizátory a antioxidanty.

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