Analýza a optimalizácia zloženia spomaľovačov horenia pre PVC nátery

Analýza a optimalizácia zloženia spomaľovačov horenia pre PVC nátery

Klient vyrába PVC stany a potrebuje naniesť náter spomaľujúci horenie. Súčasné zloženie pozostáva zo 60 dielov PVC živice, 40 dielov TOTM, 30 dielov fosfornanu hlinitého (so 40 % obsahom fosforu), 10 dielov MCA, 8 dielov boritanu zinočnatého a disperzných činidiel. Účinnosť spomaľovania horenia je však slabá a disperzia spomaľovačov horenia je tiež nedostatočná. Nižšie je uvedená analýza dôvodov a navrhovaná úprava zloženia.

I. Hlavné dôvody slabej spomaľovania horenia

1. Nevyvážený systém spomaľovača horenia so slabými synergickými účinkami

• Nadbytok hypofosfanu hlinitého (30 dielov):
  Hoci je hypofosfit hlinitý účinným spomaľovačom horenia na báze fosforu (obsah fosforu 40 %), nadmerné pridanie (> 25 dielov) môže viesť k:
• Prudký nárast viskozity systému, čo sťažuje disperziu a vytvára aglomerované horúce miesta, ktoré urýchľujú horenie („knôtový efekt“).
• Znížená húževnatosť materiálu a zhoršené filmotvorné vlastnosti v dôsledku nadmerného množstva anorganického plniva.
• Vysoký obsah MCA (10 dielov):
  MCA (na báze dusíka) sa zvyčajne používa ako synergista. Keď dávka presiahne 5 dielov, má tendenciu migrovať na povrch, čím sa nasýti účinnosť spomaľovača horenia a potenciálne interferuje s inými spomaľovačmi horenia.
• Nedostatok kľúčových synergistov:
  Hoci boritan zinočnatý má účinky potláčajúce dym, absencia zlúčenín na báze antimónu (napr. oxid antimonitý) alebo oxidov kovov (napr. hydroxid hlinitý) zabraňuje tvorbe synergického systému „fosfor-dusík-antimón“, čo vedie k nedostatočnej retardácii horenia v plynnej fáze.

2. Nesúlad medzi výberom zmäkčovadla a cieľmi spomaľovania horenia

• TOTM (trioktyl trimelitát) má obmedzenú retardáciu horenia:
  TOTM vyniká v tepelnej odolnosti, ale je oveľa menej účinný v spomaľovaní horenia v porovnaní s fosfátovými estermi (napr. TOTP). Pre aplikácie s vysokou spomaľovaním horenia, ako sú nátery stanov, TOTM nemôže poskytnúť dostatočné schopnosti zuhoľnatenia a kyslíkovej bariéry.
• Nedostatočné celkové množstvo plastifikátora (iba 40 dielov):
  PVC živica zvyčajne vyžaduje 60 – 75 dielov zmäkčovadla na úplnú plastifikáciu. Nízky obsah zmäkčovadla vedie k vysokej viskozite taveniny, čo ďalej zhoršuje problémy s disperziou spomaľovača horenia.

3. Neúčinný disperzný systém vedúci k nerovnomernému rozloženiu spomaľovača horenia

• Súčasné dispergačné činidlo môže byť univerzálneho typu (napr. kyselina stearová alebo PE vosk), ktoré je neúčinné pre vysoko zaťažené anorganické spomaľovače horenia (fosforečnan hlinitý + boritan zinočnatý spolu 48 dielov), čo spôsobuje:
• Aglomerácia častíc spomaľovača horenia, ktorá vytvára lokalizované slabé miesta v nátere.
• Slabý tok taveniny počas spracovania, čo vytvára šmykové teplo, ktoré spôsobuje predčasný rozklad.

4. Slabá kompatibilita medzi spomaľovačmi horenia a PVC

• Anorganické materiály ako fosfornan hlinitý a boritan zinočnatý majú v porovnaní s PVC výrazné rozdiely v polarite. Bez modifikácie povrchu (napr. silánovými kopulačnými činidlami) dochádza k fázovému oddeleniu, čo znižuje účinnosť spomaľovača horenia.

II. Prístup k základnému návrhu

1. Nahraďte primárny plastifikátor TOTP

• Využite jeho vynikajúcu vnútornú retardáciu horenia (obsah fosforu ≈9 %) a plastifikačný účinok.

2. Optimalizácia pomerov a synergie spomaľovačov horenia

• Ako hlavný zdroj fosforu si ponechajte hypofosfornan hlinitý, ale výrazne znížte jeho dávkovanie, aby sa zlepšila disperzia a minimalizoval „efekt knôtu“.
• Zachovajte boritan zinočnatý ako kľúčový synergista (podporujúci zuhoľnatenie a potlačenie dymenia).
• Zachovajte MCA ako synergist dusíka, ale znížte jeho dávkovanie, aby ste zabránili migrácii.
• Predstaviťultrajemný hydroxid hlinitý (ATH)ako multifunkčný komponent:
• Odolnosť voči horeniu:Endotermický rozklad (dehydratácia), ochladzovanie a riedenie horľavých plynov.
• Potlačenie dymu:Výrazne znižuje tvorbu dymu.
• Plnivo:Znižuje náklady (v porovnaní s inými retardérmi horenia).
• Zlepšená disperzia a tok (ultrajemná trieda):Ľahšie sa disperguje ako konvenčný ATH, čím sa minimalizuje zvýšenie viskozity.

3. Silné riešenia problémov s rozptylom

• Výrazne zvýšiť obsah zmäkčovadla:Zabezpečte úplnú plastifikáciu PVC a znížte viskozitu systému.
• Používajte vysokoúčinné superdisperzanty:Špeciálne navrhnuté pre vysoko zaťažiteľné, ľahko aglomerované anorganické prášky (hypofosforečnan hlinitý, ATH).
• Optimalizujte spracovanie (predmiešanie je kľúčové):Zabezpečte dôkladné navlhčenie a rozptýlenie spomaľovačov horenia.

4. Zabezpečte základnú stabilitu spracovania

• Pridajte dostatočné množstvo tepelných stabilizátorov a vhodných mazív.

III. Revidované zloženie PVC s retardérom horenia

IV. Poznámky k vzorcom a kľúčové body

1. TOTP je základná nadácia

• 65 – 75 dielovzabezpečuje:
• Úplná plastifikácia: PVC vyžaduje dostatočné množstvo plastifikátora na vytvorenie mäkkého, súvislého filmu.
• Zníženie viskozity: Rozhodujúce pre zlepšenie disperzie vysoko zaťažených anorganických spomaľovačov horenia.
• Vnútorná retardácia horenia: TOTP samotný je vysoko účinný plastifikátor spomaľujúci horenie.

2. Synergia spomaľovača horenia

• Synergia PNB-Al:Hypofosfát hlinitý (P) + MCA (N) poskytujú synergiu základného PN. Boritan zinočnatý (B, Zn) zlepšuje zuhoľnatenie a potlačenie dymu. Ultrajemný ATH (Al) ponúka masívne endotermické chladenie a potlačenie dymu. TOTP tiež prispieva fosforom. To vytvára viacprvkový synergický systém.
• Úloha ATH:25 – 35 dielov ultrajemného ATH významne prispieva k spomaľovaniu horenia a potlačeniu dymu. Jeho endotermický rozklad absorbuje teplo, zatiaľ čo uvoľnená vodná para riedi kyslík a horľavé plyny.Ultrajemný a povrchovo upravený ATH je kritickýminimalizovať vplyv viskozity a zlepšiť kompatibilitu s PVC.
• Redukovaný hypofosfan hlinitý:Znížené z 30 na 15–20 dielov, aby sa zmiernila záťaž systému a zároveň zachoval podiel fosforu.
• Znížená MCA:Znížené z 10 na 4–6 dielov, aby sa zabránilo migrácii.

3. Disperzný roztok – kľúčový pre úspech

• Superdisperzné činidlo (3–4 diely):Nevyhnutný na manipuláciu s vysoko zaťaženým (50 – 70 dielov anorganických plnív celkovo!) a ťažko dispergovateľným systémom (fosforečnan hlinitý + ultrajemný ATH + boritan zinočnatý).Bežné dispergačné činidlá (napr. stearát vápenatý, PE vosk) sú nedostatočné!Investujte do vysokoúčinných superdisperzných prostriedkov a používajte ich v dostatočnom množstve.
• Obsah zmäkčovadla (65 – 75 dielov):Ako je uvedené vyššie, znižuje celkovú viskozitu a vytvára lepšie prostredie pre disperziu.
• Mazivá (1–2 diely):Kombinácia vnútorných/vonkajších mazív zaisťuje dobrý tok počas miešania a nanášania, čím zabraňuje lepeniu.

4. Spracovanie – prísny protokol predbežného miešania

• Krok 1 (Suché miešanie anorganických práškov):
• Do vysokorýchlostného mixéra pridajte hypofosfan hlinitý, ultrajemný ATH, boritan zinočnatý, MCA a všetky superdispergačné činidlá.
• Miešajte pri teplote 80 – 90 °C počas 8 – 10 minút. Cieľ: Zabezpečiť, aby superdisperzné činidlo úplne obalilo každú časticu a rozbilo aglomeráty.Čas a teplota sú kľúčové!
• Krok 2 (Tvorba suspenzie):
• Do zmesi z kroku 1 pridajte väčšinu TOTP (napr. 70 – 80 %), všetky tepelné stabilizátory a vnútorné mazivá.
• Miešajte pri teplote 90 – 100 °C počas 5 – 7 minút, kým nevznikne rovnomerná, tekutá kaša s ochranou proti ohňu. Uistite sa, že prášky sú úplne zmäkčovadlá.
• Krok 3 (Pridanie PVC a zostávajúcich komponentov):
• Pridajte PVC živicu, zvyšný TOTP, vonkajšie mazivá (a antioxidanty/UV stabilizátory, ak boli pridané v tejto fáze).
• Miešajte pri teplote 100–110 °C počas 7–10 minút, kým nedosiahnete „suchý bod“ (tekutá zmes bez hrudiek).Zabráňte nadmernému miešaniu, aby ste predišli degradácii PVC.
• Chladenie:Zmes vylejte a ochlaďte na teplotu <50 °C, aby sa zabránilo zhlukovaniu.

5. Následné spracovanie

• Vychladnutú suchú zmes použite na kalandrovanie alebo poťahovanie.
• Prísne kontrolujte teplotu spracovania (odporúčaná teplota taveniny ≤ 170 – 175 °C), aby ste predišli zlyhaniu stabilizátora alebo predčasnému rozkladu spomaľovačov horenia (napr. ATH).

V. Očakávané výsledky a preventívne opatrenia

• Odolnosť voči horeniu:V porovnaní s pôvodným zložením (TOTM + vysokofosforečnan hlinitý/MCA) by toto revidované zloženie (TOTP + optimalizované pomery P/N/B/Al) malo výrazne zlepšiť odolnosť voči horeniu, najmä pri vertikálnom horení a potlačení dymu. Cieľové normy ako CPAI-84 pre stany. Kľúčové testy: ASTM D6413 (vertikálne horenie).
• Disperzia:Superdispergačné činidlo + vysoký obsah plastifikátora + optimalizované predmiešanie by malo výrazne zlepšiť disperziu, znížiť aglomeráciu a zlepšiť rovnomernosť náteru.
• Spracovateľnosť:Dostatočný TOTP a mazivá by mali zabezpečiť hladký proces, ale počas skutočnej výroby je potrebné sledovať viskozitu a priľnavosť.
• Cena:TOTP a superdisperzanty sú drahé, ale redukovaný hypofosfan hlinitý a MCA niektoré náklady kompenzujú. ATH je relatívne lacný.

Dôležité pripomienky:

• Najprv malé pokusy!Vyskúšajte v laboratóriu a upravte na základe skutočných materiálov (najmä výkonu ATH a superdisperzných činidiel) a zariadenia.
• Výber materiálu:
• ATH:Musia sa použiť ultrajemné (D50 ≤ 2 µm) povrchovo upravené (napr. silánové) triedy. Odporúčania týkajúce sa kompatibility s PVC konzultujte s dodávateľmi.
• Superdisperzanty:Musia sa použiť vysokoúčinné typy. Informujte dodávateľov o použití (PVC, vysokopevnostné anorganické plnivá, bezhalogénová spomaľovacia úprava horenia).
• TOTP:Zabezpečte vysokú kvalitu.
• Testovanie:Vykonajte prísne testy spomaľovania horenia podľa cieľových noriem. Vyhodnoťte aj odolnosť voči starnutiu/vode (dôležité pre vonkajšie stany!). UV stabilizátory a antioxidanty sú nevyhnutné.

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