Formuleringskonvertering for halogenfri flammehæmmende PVC-læder

Formuleringskonvertering for halogenfri flammehæmmende PVC-læder

Indledning

Kunden producerer flammehæmmende PVC-læder og tidligere anvendt antimontrioxid (Sb₂O₃). De sigter nu mod at eliminere Sb₂O₃ og skifte til halogenfri flammehæmmere. Den nuværende formulering inkluderer PVC, DOP, EPOXY, BZ-500, ST, HICOAT-410 og antimon. Overgangen fra en antimonbaseret PVC-læderformulering til et halogenfrit flammehæmmende system repræsenterer en betydelig teknologisk opgradering. Dette skift overholder ikke kun de stadig strengere miljøbestemmelser (f.eks. RoHS, REACH), men forbedrer også produktets "grønne" image og markedskonkurrenceevne.

Vigtigste udfordringer

1. Tab af synergistisk effekt:
   • Sb₂O₃ er ikke en stærk flammehæmmer i sig selv, men udviser fremragende synergistiske flammehæmmende effekter med klor i PVC, hvilket forbedrer effektiviteten betydeligt. Fjernelse af antimon kræver at finde et alternativt halogenfrit system, der replikerer denne synergi.
2. Flammehæmmende effektivitet:
   • Halogenfri flammehæmmere kræver ofte højere belastninger for at opnå tilsvarende flammehæmmende klassificeringer (f.eks. UL94 V-0), hvilket kan påvirke mekaniske egenskaber (blødhed, trækstyrke, forlængelse), forarbejdningsydelse og omkostninger.
3. PVC-læderegenskaber:
   • PVC-læder kræver fremragende blødhed, god grebfølelse, overfladefinish (prægning, glans), vejrbestandighed, migrationsmodstand og fleksibilitet ved lave temperaturer. Den nye formulering skal opretholde eller nøje matche disse egenskaber.
4. Behandlingsydelse:
   • Høje mængder af halogenfri fyldstoffer (f.eks. ATH) kan påvirke smelteflydeevnen og forarbejdningsstabiliteten.
5. Omkostningsovervejelser:
   • Nogle højeffektive halogenfri flammehæmmere er dyre, hvilket nødvendiggør en balance mellem ydeevne og omkostninger.

Udvælgelsesstrategi for halogenfri flammehæmmende systemer (til PVC-kunstlæder)

1. Primære flammehæmmere – metalhydroxider

• Aluminiumtrihydroxid (ATH):
  • Mest almindelige, omkostningseffektive.
  • Mekanisme: Endoterm nedbrydning (~200 °C), hvorved vanddamp frigives, der fortynder brandfarlige gasser og ilt, samtidig med at der dannes et beskyttende overfladelag.
  • Ulemper: Lav effektivitet, høj belastningskrav (40-70 phr), reducerer blødhed, forlængelse og forarbejdningsevne betydeligt; nedbrydningstemperaturen er lav.
• Magnesiumhydroxid (MDH):
  • Højere nedbrydningstemperatur (~340 °C), bedre egnet til PVC-forarbejdning (160-200 °C).
  • Ulemper: Kræver tilsvarende høje belastninger (40-70 phr); lidt højere pris end ATH; kan have højere fugtabsorption.

Strategi:

• Foretræk MDH eller en ATH/MDH-blanding (f.eks. 70/30) for at afbalancere omkostninger, tilpasningsevne til procestemperatur og flammehæmning.
• Overfladebehandlet (f.eks. silankoblet) ATH/MDH forbedrer kompatibiliteten med PVC, mindsker egenskabsforringelse og øger flammehæmningen.

2. Flammehæmmende synergister

For at reducere belastningen af ​​primære flammehæmmere og forbedre effektiviteten er synergister afgørende:

• Fosfor-nitrogen flammehæmmere: Ideel til halogenfri PVC-systemer.
  • Ammoniumpolyfosfat (APP): Fremmer forkulning og danner et intumescerende isolerende lag.
    • Bemærk: Brug højtemperaturbestandige kvaliteter (f.eks. fase II, >280 °C) for at undgå nedbrydning under forarbejdning. Nogle APP'er kan påvirke gennemsigtighed og vandmodstand.
  • Aluminiumdiethylfosfinat (ADP): Meget effektiv, lav belastning (5-20 phr), minimal påvirkning af egenskaber, god termisk stabilitet.
    • Ulempe: Højere omkostninger.
  • Fosfatestere (f.eks. RDP, BDP, TCPP): Fungerer som blødgørende flammehæmmere.
    • Fordele: Dobbelt rolle (blødgører + flammehæmmer).
    • Ulemper: Små molekyler (f.eks. TCPP) kan migrere/fordampe; RDP/BDP har lavere blødgøringseffektivitet end DOP og kan reducere fleksibiliteten ved lav temperatur.
• Zinkborat (ZB):
  • Billig, multifunktionel (flammehæmmende, røgdæmpende, forkulningsfremmende, dryphæmmende). Synergistisk med ATH/MDH og fosfor-nitrogen-systemer. Typisk belastning: 3-10 phr.
• Zinkstannat/hydroxystannat:
  • Fremragende røgdæmpende midler og flammehæmmende synergister, især for klorholdige polymerer (f.eks. PVC). Kan delvist erstatte antimons synergistiske rolle. Typisk belastning: 2-8 phr.
• Molybdænforbindelser (f.eks. MoO₃, ammoniummolybdat):
  • Stærke røgdæmpende midler med flammehæmmende synergi. Typisk belastning: 2-5 ph.
• Nanofyldstoffer (f.eks. nanoler):
  • Lave belastninger (3-8 phr) forbedrer flammehæmningen (dannelse af forkulning, reduceret varmeafgivelseshastighed) og de mekaniske egenskaber. Dispersion er afgørende.

3. Røgdæmpende midler

PVC producerer kraftig røg under forbrænding. Halogenfri formuleringer kræver ofte røgdæmpning. Zinkborat, zinkstannat og molybdænforbindelser er fremragende valg.

Foreslået halogenfri flammehæmmende formulering (baseret på kundens oprindelige formulering)

Mål: Opnå UL94 V-0 (1,6 mm eller tykkere), samtidig med at blødhed, forarbejdningsevne og nøgleegenskaber bevares.

Antagelser:

• Oprindelig formulering:
  • DOP: 50–70 phr (blødgører).
  • ST: Sandsynligvis stearinsyre (smøremiddel).
  • HICOAT-410: Ca/Zn-stabilisator.
  • BZ-500: Sandsynligvis et smøremiddel/proceshjælpemiddel (for at bekræfte).
  • EPOXY: Epoxideret sojabønneolie (medstabilisator/blødgører).
  • Antimon: Sb₂O₃ (skal fjernes).

1. Anbefalet formuleringsramme (pr. 100 phr PVC-harpiks)

2. Eksempelformulering (kræver optimering)

Kritiske implementeringstrin

1. Bekræft råmaterialedetaljer:
   • Afklar de kemiske identiteter afBZ-500ogST(se leverandørens datablade).
   • Bekræft nøjagtige belastninger afDOP,EPOXY, ogHICOAT-410.
   • Definer klientens krav: Målrettet flammehæmning (f.eks. UL94-tykkelse), blødhed (hårdhed), anvendelse (biler, møbler, tasker?), særlige behov (kuldebestandighed, UV-stabilitet, slidstyrke?), omkostningsgrænser.
2. Vælg specifikke flammehæmmende kvaliteter:
   • Anmod om prøver af halogenfri flammehæmmere, der er skræddersyet til PVC-læder, fra leverandører.
   • Prioriter overfladebehandlet ATH/MDH for bedre spredning.
   • Til APP skal du bruge højtemperaturbestandige kvaliteter.
   • For fosfatestere foretrækkes RDP/BDP frem for TCPP for lavere migration.
3. Test og optimering i laboratorieskala:
   • Forbered små portioner med varierende mængder (f.eks. juster MDH/APP/ZB/ZS-forholdene).
   • Blanding: Brug højhastighedsblandere (f.eks. Henschel) for ensartet dispersion. Tilsæt først væsker (blødgørere, stabilisatorer), derefter pulver.
   • Forarbejdningsforsøg: Test på produktionsudstyr (f.eks. Banbury-mixer + kalandrering). Overvåg plastificeringstid, smelteviskositet, moment, overfladekvalitet.
   • Ydelsestest:
     • Flammehæmning: UL94, LOI.
     • Mekaniske egenskaber: Hårdhed (Shore A), trækstyrke, forlængelse.
     • Blødhed/følelse i hånden: Subjektive tests + hårdhedstests.
     • Lavtemperaturfleksibilitet: Koldbøjningstest.
     • Termisk stabilitet: Congorød test.
     • Udseende: Farve, glans, prægning.
     • (Valgfrit) Røgtæthed: NBS-røgkammer.
4. Fejlfinding og afbalancering:

5. Pilot og produktion: Efter laboratorieoptimering udføres pilotforsøg for at verificere stabilitet, konsistens og omkostninger. Opskalering kun efter validering.

Konklusion

Overgangen fra antimonbaseret til halogenfri flammehæmmende PVC-læder er mulig, men kræver systematisk udvikling. Kernetilgangen kombinerer metalhydroxider (helst overfladebehandlet MDH), fosfor-nitrogen-synergister (APP eller ADP) og multifunktionelle røgdæmpende midler (zinkborat, zinkstannat). Samtidig er optimering af blødgørere, stabilisatorer, smøremidler og proceshjælpemidler afgørende.

Nøgler til succes:

1. Definer klare mål og begrænsninger (flammehæmmende egenskaber, omkostninger).
2. Vælg dokumenterede halogenfri flammehæmmere (overfladebehandlede fyldstoffer, højtemperatur-APP).
3. Udfør grundige laboratorietests (flammehæmmende egenskaber, forarbejdning).
4. Sørg for ensartet blanding og proceskompatibilitet.

   More info., you can contact lucy@taifeng-fr.com