Анализ и оптимизация рецептуры огнезащитного состава для ПВХ-покрытий

Анализ и оптимизация рецептуры огнезащитного состава для ПВХ-покрытий

Клиент производит палатки из ПВХ и нуждается в нанесении огнезащитного покрытия. Текущая формула включает 60 частей ПВХ-смолы, 40 частей TOTM, 30 частей гипофосфита алюминия (с содержанием фосфора 40%), 10 частей MCA, 8 частей бората цинка, а также диспергирующие добавки. Однако огнезащитные свойства состава низкие, а диспергирующие свойства антипиренов также недостаточны. Ниже представлен анализ причин и предлагаемое изменение формулы.

I. Основные причины плохой огнестойкости

1. Несбалансированная система огнезащиты со слабым синергетическим эффектом

• Избыток гипофосфита алюминия (30 частей):
  Хотя гипофосфит алюминия является эффективным антипиреном на основе фосфора (содержание фосфора 40%), чрезмерное его добавление (>25 частей) может привести к:
• Резкое увеличение вязкости системы, затрудняющее диспергирование и образующее агломерированные горячие точки, ускоряющие горение («эффект фитиля»).
• Снижение прочности материала и ухудшение пленкообразующих свойств из-за чрезмерного содержания неорганического наполнителя.
• Высокое содержание МКА (10 частей):
  МКА (на основе азота) обычно используется в качестве синергиста. При дозировке более 5 частей он имеет тенденцию мигрировать к поверхности, снижая эффективность антипирена и потенциально мешая другим антипиренам.
• Отсутствие ключевых синергистов:
  Хотя борат цинка обладает дымоподавляющим эффектом, отсутствие соединений на основе сурьмы (например, триоксида сурьмы) или оксидов металлов (например, гидроксида алюминия) препятствует образованию синергетической системы «фосфор-азот-сурьма», что приводит к недостаточной газофазной огнестойкости.

2. Несоответствие между выбором пластификатора и целями огнестойкости

• ТОТМ (триоктилтримеллитат) имеет ограниченную огнестойкость:
  TOTM отличается превосходной термостойкостью, но значительно менее эффективен в плане огнестойкости по сравнению с фосфатными эфирами (например, TOTP). Для применений, требующих высокой огнестойкости, таких как покрытия для палаток, TOTM не обеспечивает достаточной защиты от обугливания и проникновения кислорода.
• Недостаточное количество пластификатора (всего 40 частей):
  Для полной пластификации ПВХ-смолы обычно требуется 60–75 частей пластификатора. Низкое содержание пластификатора приводит к высокой вязкости расплава, что ещё больше усугубляет проблемы с диспергированием антипиренов.

3. Неэффективная система дисперсии, приводящая к неравномерному распределению антипирена

• Текущий диспергатор может быть универсальным (например, стеариновая кислота или полиэтиленовый воск), который неэффективен для неорганических антипиренов с высокой нагрузкой (гипофосфит алюминия + борат цинка в общем количестве 48 частей), вызывая:
• Агломерация частиц антипирена, приводящая к появлению локальных слабых мест в покрытии.
• Плохая текучесть расплава во время обработки, в результате чего выделяется сдвиговое тепло, вызывающее преждевременное разложение.

4. Плохая совместимость антипиренов с ПВХ

• Неорганические материалы, такие как гипофосфит алюминия и борат цинка, имеют существенные различия в полярности с ПВХ. Без модификации поверхности (например, с использованием силановых связующих агентов) происходит фазовое разделение, что снижает огнезащитную эффективность.

II. Основной подход к проектированию

1. Заменить первичный пластификатор на TOTP

• Используйте его отличную внутреннюю огнестойкость (содержание фосфора ≈9%) и пластифицирующий эффект.

2. Оптимизация соотношения антипиренов и синергии

• Сохранить гипофосфит алюминия в качестве основного источника фосфора, но значительно уменьшить его дозировку, чтобы улучшить дисперсию и минимизировать «эффект фитиля».
• Сохранить борат цинка как ключевой синергист (способствующий обугливанию и подавлению дыма).
• Сохранить МКА как синергист азота, но уменьшить его дозировку для предотвращения миграции.
• Представлятьультрадисперсный гидроксид алюминия (ATH)как многофункциональный компонент:
• Огнестойкость:Эндотермическое разложение (дегидратация), охлаждение и разбавление горючих газов.
• Подавление дыма:Значительно снижает дымообразование.
• Наполнитель:Снижает затраты (по сравнению с другими антипиренами).
• Улучшенная дисперсия и текучесть (ультрадисперсный класс):Легче диспергируется, чем обычный ATH, что сводит к минимуму увеличение вязкости.

3. Эффективные решения проблем дисперсии

• Значительно увеличить содержание пластификатора:Обеспечить полную пластификацию ПВХ и снизить вязкость системы.
• Используйте высокоэффективные супердиспергаторы:Специально разработан для высоконагруженных, легко агломерируемых неорганических порошков (гипофосфит алюминия, ATH).
• Оптимизация обработки (предварительное смешивание имеет решающее значение):Обеспечить тщательное смачивание и распыление антипиренов.

4. Обеспечьте базовую стабильность обработки

• Добавьте достаточное количество термостабилизаторов и соответствующих смазочных материалов.

III. Изменённая формула огнестойкого ПВХ

IV. Примечания к формуле и ключевые моменты

1. TOTP — это основа

• 65–75 частейобеспечивает:
• Полная пластификация: для образования мягкой, сплошной пленки ПВХ требуется достаточное количество пластификатора.
• Снижение вязкости: имеет решающее значение для улучшения дисперсии высоконагруженных неорганических антипиренов.
• Собственная огнестойкость: TOTP сам по себе является высокоэффективным огнезащитным пластификатором.

2. Синергия антипиренов

• Синергия PNB-Al:Гипофосфит алюминия (P) + MCA (N) обеспечивают базовую синергию PN. Борат цинка (B, Zn) усиливает обугливание и подавление дыма. Ультратонкий ATH (Al) обеспечивает мощное эндотермическое охлаждение и подавление дыма. TOTP также вносит фосфор. Это создает многоэлементную синергетическую систему.
• Роль ATH:25–35 частей ультрадисперсного АТГ вносят значительный вклад в огнестойкость и дымоподавляющие свойства. Его эндотермическое разложение поглощает тепло, а выделяющийся водяной пар разбавляет кислород и горючие газы.Ультратонкий и поверхностно обработанный ATH имеет решающее значениедля минимизации влияния вязкости и улучшения совместимости с ПВХ.
• Восстановленный гипофосфит алюминия:Уменьшено с 30 до 15–20 частей для снижения нагрузки на систему при сохранении вклада фосфора.
• Уменьшенный MCA:Уменьшено с 10 до 4–6 частей для предотвращения миграции.

3. Дисперсионный раствор – решающий фактор успеха

• Супердиспергатор (3–4 части):Необходим для работы с высоконагруженными (50–70 частей неорганических наполнителей!) и труднодиспергируемыми системами (гипофосфит алюминия + ультрадисперсный ATH + борат цинка).Обычных диспергаторов (например, стеарата кальция, полиэтиленового воска) недостаточно!Инвестируйте в высокоэффективные супердиспергаторы и используйте их в достаточных количествах.
• Содержание пластификатора (65–75 частей):Как и указано выше, снижает общую вязкость, создавая лучшую среду для дисперсии.
• Смазочные материалы (1–2 части):Сочетание внутренних и внешних смазочных материалов обеспечивает хорошую текучесть при смешивании и нанесении покрытия, предотвращая прилипание.

4. Обработка – строгий протокол предварительного смешивания

• Шаг 1 (Сухая смесь неорганических порошков):
• Добавьте гипофосфит алюминия, ультрадисперсный ATH, борат цинка, MCA и все супердиспергирующие агенты в высокоскоростной миксер.
• Перемешивать при температуре 80–90 °C в течение 8–10 минут. Цель: обеспечить полное покрытие каждой частицы супердиспергатором, разрушая агломераты.Время и температура имеют решающее значение!
• Шаг 2 (Формирование суспензии):
• Добавьте большую часть TOTP (например, 70–80%), все термостабилизаторы и внутренние смазочные вещества в смесь из шага 1.
• Перемешивайте при температуре 90–100 °C в течение 5–7 минут до образования однородной, текучей огнестойкой суспензии. Убедитесь, что порошки полностью смачиваются пластификаторами.
• Шаг 3 (Добавление ПВХ и оставшихся компонентов):
• Добавьте ПВХ-смолу, оставшийся TOTP, внешние смазочные вещества (и антиоксиданты/УФ-стабилизаторы, если они добавлены на этом этапе).
• Перемешивать при температуре 100–110 °C в течение 7–10 минут до достижения «сухой точки» (сыпучести, без комков).Избегайте чрезмерного перемешивания, чтобы предотвратить деградацию ПВХ.
• Охлаждение:Выгрузите и охладите смесь до температуры <50°C, чтобы предотвратить комкование.

5. Последующая обработка

• Охлажденную сухую смесь используйте для каландрирования или нанесения покрытия.
• Строго контролируйте температуру обработки (рекомендуемая температура расплава ≤170–175 °C), чтобы избежать разрушения стабилизатора или преждевременного разложения антипиренов (например, ATH).

V. Ожидаемые результаты и меры предосторожности

• Огнестойкость:По сравнению с исходной формулой (TOTM + высокое содержание гипофосфита алюминия/MCA), эта обновлённая формула (TOTP + оптимизированное соотношение P/N/B/Al) должна значительно улучшить огнестойкость, особенно при вертикальном горении и дымоподавлении. Соответствует стандартам, таким как CPAI-84 для палаток. Ключевые испытания: ASTM D6413 (вертикальное горение).
• Дисперсия:Супердиспергатор + высокоэффективный пластификатор + оптимизированное предварительное смешивание должны значительно улучшить дисперсию, уменьшить агломерацию и повысить однородность покрытия.
• Технологичность:Соответствующие TOTP и смазочные материалы должны обеспечивать плавный процесс, но при этом необходимо контролировать вязкость и прилипание в ходе фактического производства.
• Расходы:TOTP и супердисперсанты стоят дорого, но восстановленный гипофосфит алюминия и MCA частично компенсируют затраты. ATH относительно недорогой.

Важные напоминания:

• Сначала испытания в небольшом масштабе!Проведите лабораторные испытания и отрегулируйте состав на основе фактических материалов (особенно характеристик ATH и супердисперсантов) и оборудования.
• Выбор материала:
• АТХ:Необходимо использовать ультратонкие (D50 ≤2 мкм) марки с обработанной поверхностью (например, силаном). За рекомендациями по совместимости с ПВХ обращайтесь к поставщикам.
• Супердиспергаторы:Необходимо использовать высокоэффективные материалы. Информируйте поставщиков о применении (ПВХ, высокопрочные неорганические наполнители, безгалогенные антипирены).
• ИТОГО:Гарантируем высокое качество.
• Тестирование:Проводите тщательные испытания на огнестойкость в соответствии с целевыми стандартами. Также оцените устойчивость к старению и водостойкость (критически важно для палаток для отдыха на природе!). Обязательно используйте УФ-стабилизаторы и антиоксиданты.

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