Analyse und Optimierung von Flammschutzmittelformulierungen für PVC-Beschichtungen

Analyse und Optimierung von Flammschutzmittelformulierungen für PVC-Beschichtungen

Der Kunde stellt PVC-Zelte her und benötigt eine flammhemmende Beschichtung. Die aktuelle Rezeptur besteht aus 60 Teilen PVC-Harz, 40 Teilen TOTM, 30 Teilen Aluminiumhypophosphit (mit 40 % Phosphorgehalt), 10 Teilen MCA, 8 Teilen Zinkborat sowie Dispergiermitteln. Die Flammschutzwirkung ist jedoch unzureichend, und auch die Dispergierung der Flammschutzmittel ist mangelhaft. Im Folgenden werden die Gründe analysiert und eine Anpassung der Rezeptur vorgeschlagen.

I. Hauptgründe für die mangelhafte Flammwidrigkeit

1. Unausgewogenes Flammschutzsystem mit schwachen Synergieeffekten

• Überschüssiges Aluminiumhypophosphit (30 Teile):
  Obwohl Aluminiumhypophosphit ein effizientes, phosphorbasiertes Flammschutzmittel ist (40 % Phosphorgehalt), kann eine übermäßige Zugabe (>25 Teile) zu Folgendem führen:
• Ein starker Anstieg der Systemviskosität erschwert die Dispersion und führt zur Bildung von agglomerierten Hotspots, die die Verbrennung beschleunigen („Dochteffekt“).
• Verminderte Materialzähigkeit und beeinträchtigte Filmbildungseigenschaften aufgrund eines Überschusses an anorganischen Füllstoffen.
• Hoher MCA-Gehalt (10 Teile):
  MCA (stickstoffbasiert) wird typischerweise als Synergist eingesetzt. Bei einer Dosierung von mehr als 5 Teilen neigt es dazu, an die Oberfläche zu wandern, die Flammschutzwirkung zu sättigen und möglicherweise andere Flammschutzmittel zu beeinträchtigen.
• Fehlen wichtiger Synergisten:
  Während Zinkborat rauchunterdrückende Wirkungen hat, verhindert das Fehlen von Antimonverbindungen (z. B. Antimontrioxid) oder Metalloxidverbindungen (z. B. Aluminiumhydroxid) die Bildung eines synergistischen „Phosphor-Stickstoff-Antimon“-Systems, was zu einer unzureichenden Flammschutzwirkung in der Gasphase führt.

2. Diskrepanz zwischen Weichmacherwahl und Flammschutzzielen

• TOTM (Trioctyltrimellitat) besitzt nur eine begrenzte Flammschutzwirkung:
  TOTM zeichnet sich durch hohe Hitzebeständigkeit aus, ist aber im Vergleich zu Phosphatestern (z. B. TOTP) deutlich weniger flammhemmend. Für Anwendungen mit hohen Anforderungen an den Flammschutz, wie z. B. Zeltbeschichtungen, bietet TOTM keine ausreichende Verkohlung und Sauerstoffbarriere.
• Unzureichender Gesamtweichmacher (nur 40 Teile):
  PVC-Harz benötigt typischerweise 60–75 Teile Weichmacher für eine vollständige Plastifizierung. Ein niedriger Weichmachergehalt führt zu einer hohen Schmelzviskosität, was die Dispersionsprobleme der Flammschutzmittel weiter verschärft.

3. Ineffektives Dispersionssystem führt zu ungleichmäßiger Flammschutzmittelverteilung

• Das derzeitige Dispergiermittel ist möglicherweise ein Universaldispergiermittel (z. B. Stearinsäure oder PE-Wachs), das bei hohen Konzentrationen anorganischer Flammschutzmittel (Aluminiumhypophosphit + Zinkborat insgesamt 48 Teile) unwirksam ist und Folgendes verursacht:
• Agglomeration von Flammschutzmittelpartikeln, wodurch lokale Schwachstellen in der Beschichtung entstehen.
• Schlechter Schmelzfluss während der Verarbeitung, wodurch Scherkräfte entstehen, die eine vorzeitige Zersetzung auslösen.

4. Schlechte Kompatibilität zwischen Flammschutzmitteln und PVC

• Anorganische Materialien wie Aluminiumhypophosphit und Zinkborat weisen signifikante Polaritätsunterschiede zu PVC auf. Ohne Oberflächenmodifizierung (z. B. mit Silan-Haftvermittlern) kommt es zur Phasentrennung, wodurch die Flammschutzwirkung verringert wird.

II. Kern des Designansatzes

1. Ersetzen Sie den primären Weichmacher durch TOTP

• Nutzen Sie seine hervorragenden intrinsischen Flammschutzeigenschaften (Phosphorgehalt ≈9%) und seine weichmachende Wirkung.

2. Flammschutzmittelverhältnisse und Synergien optimieren

• Aluminiumhypophosphit soll als zentrale Phosphorquelle beibehalten, seine Dosierung jedoch deutlich reduziert werden, um die Dispersion zu verbessern und den Dochteffekt zu minimieren.
• Zinkborat sollte als wichtiger Synergist beibehalten werden (Förderung der Verkohlung und Unterdrückung der Rauchentwicklung).
• MCA sollte als Stickstoffsynergist beibehalten, jedoch die Dosierung reduziert werden, um eine Migration zu verhindern.
• Einführenultrafeines Aluminiumhydroxid (ATH)als multifunktionale Komponente:
• Flammschutz:Endotherme Zersetzung (Dehydratisierung), Abkühlung und Verdünnung brennbarer Gase.
• Rauchbekämpfung:Verringert die Rauchentwicklung erheblich.
• Füllstoff:Senkt die Kosten (im Vergleich zu anderen Flammschutzmitteln).
• Verbesserte Dispersion und Fließfähigkeit (ultrafeine Qualität):Lässt sich leichter dispergieren als herkömmliches ATH, wodurch der Viskositätsanstieg minimiert wird.

3. Starke Lösungen für Dispersionsprobleme

• den Weichmachergehalt deutlich erhöhen:Gewährleisten Sie eine vollständige PVC-Weichmachung und reduzieren Sie die Systemviskosität.
• Verwenden Sie hocheffiziente Superdispersionsmittel:Speziell entwickelt für hochbelastbare, leicht agglomerierende anorganische Pulver (Aluminiumhypophosphit, ATH).
• Verarbeitung optimieren (Vormischen ist entscheidend):Für eine gründliche Benetzung und Verteilung der Flammschutzmittel sorgen.

4. Sicherstellung der grundlegenden Verarbeitungsstabilität

• Fügen Sie ausreichend Wärmestabilisatoren und geeignete Schmierstoffe hinzu.

III. Überarbeitete flammhemmende PVC-Formel

IV. Formelhinweise und Kernpunkte

1. TOTP ist die Kerngrundlage

• 65–75 Teilegewährleistet:
• Vollständige Weichmachung: PVC benötigt ausreichend Weichmacher für die Bildung eines weichen, durchgehenden Films.
• Viskositätsreduzierung: Entscheidend für die Verbesserung der Dispersion von anorganischen Flammschutzmitteln in hohen Konzentrationen.
• Eigene Flammschutzwirkung: TOTP selbst ist ein hochwirksamer flammhemmender Weichmacher.

2. Synergie der Flammschutzmittel

• PNB-Al-Synergie:Aluminiumhypophosphit (P) und MCA (N) bilden die Grundlage für die PN-Synergie. Zinkborat (B, Zn) verstärkt die Verkohlung und unterdrückt die Rauchentwicklung. Ultrafeines ATH (Al) sorgt für eine starke endotherme Kühlung und Rauchunterdrückung. TOTP liefert zusätzlich Phosphor. Dadurch entsteht ein synergistisches Mehrelementsystem.
• Die Rolle von ATH:25–35 Teile ultrafeines ATH tragen wesentlich zur Flammschutzwirkung und Rauchunterdrückung bei. Seine endotherme Zersetzung absorbiert Wärme, während der freigesetzte Wasserdampf Sauerstoff und brennbare Gase verdünnt.Ultrafeines und oberflächenbehandeltes ATH ist von entscheidender Bedeutung.um den Einfluss der Viskosität zu minimieren und die PVC-Kompatibilität zu verbessern.
• Reduziertes Aluminiumhypophosphit:Die Anzahl wurde von 30 auf 15–20 Teile reduziert, um die Systembelastung zu verringern und gleichzeitig den Phosphorbeitrag beizubehalten.
• Reduzierte MCA:Um eine Migration zu verhindern, wurde die Anzahl von 10 auf 4–6 Teile reduziert.

3. Dispersionslösung – Entscheidend für den Erfolg

• Superdispersionsmittel (3–4 Teile):Unentbehrlich für die Handhabung des hochbeladenen (50–70 Teile anorganische Füllstoffe insgesamt!), schwer zu dispergierenden Systems (Aluminiumhypophosphit + ultrafeines ATH + Zinkborat).Gewöhnliche Dispergiermittel (z. B. Calciumstearat, PE-Wachs) reichen nicht aus!Investieren Sie in hocheffiziente Superdispersionsmittel und verwenden Sie ausreichende Mengen.
• Weichmachergehalt (65–75 Teile):Wie bereits erwähnt, wird dadurch die Gesamtviskosität reduziert, wodurch ein besseres Umfeld für die Dispersion geschaffen wird.
• Schmierstoffe (1–2 Teile):Eine Kombination aus internen und externen Schmierstoffen gewährleistet einen guten Durchfluss beim Mischen und Beschichten und verhindert so ein Anhaften.

4. Verarbeitung – Strenges Vormischprotokoll

• Schritt 1 (Trockenmischen anorganischer Pulver):
• Aluminiumhypophosphit, ultrafeines ATH, Zinkborat, MCA und alle Superdispersionsmittel werden in einen Hochgeschwindigkeitsmischer gegeben.
• Bei 80–90 °C 8–10 Minuten lang mischen. Ziel: Sicherstellen, dass das Superdispersionsmittel jedes Partikel vollständig umhüllt und Agglomerate aufbricht.Zeit und Temperatur sind entscheidend!
• Schritt 2 (Suspensionsbildung):
• Geben Sie den größten Teil des TOTP (z. B. 70–80 %), alle Wärmestabilisatoren und internen Schmierstoffe zu der Mischung aus Schritt 1 hinzu.
• Bei 90–100 °C 5–7 Minuten lang rühren, bis eine gleichmäßige, fließfähige, flammhemmende Suspension entsteht. Sicherstellen, dass die Pulver vollständig mit Weichmachern benetzt sind.
• Schritt 3 (PVC und restliche Komponenten hinzufügen):
• PVC-Harz, restliches TOTP, externe Gleitmittel (und gegebenenfalls Antioxidantien/UV-Stabilisatoren, falls in diesem Stadium hinzugefügt) hinzufügen.
• Bei 100–110 °C 7–10 Minuten lang rühren, bis der „Trockenpunkt“ erreicht ist (rieselfähig, keine Klumpen mehr).Um eine Zersetzung des PVC zu verhindern, sollte man zu viel mischen.
• Kühlung:Die Mischung entleeren und auf unter 50 °C abkühlen lassen, um ein Verklumpen zu verhindern.

5. Weiterverarbeitung

• Die abgekühlte Trockenmischung kann zum Kalandrieren oder Beschichten verwendet werden.
• Die Verarbeitungstemperatur muss strikt kontrolliert werden (empfohlene Schmelztemperatur ≤170–175°C), um ein Versagen der Stabilisatoren oder eine vorzeitige Zersetzung der Flammschutzmittel (z. B. ATH) zu vermeiden.

V. Erwartete Ergebnisse und Vorsichtsmaßnahmen

• Flammschutz:Im Vergleich zur ursprünglichen Rezeptur (TOTM + hochaluminiumhaltiges Hypophosphit/MCA) sollte diese überarbeitete Rezeptur (TOTP + optimierte P/N/B/Al-Verhältnisse) die Flammwidrigkeit, insbesondere das Verhalten bei vertikalem Brennen und die Rauchunterdrückung, deutlich verbessern. Sie zielt auf Normen wie CPAI-84 für Zelte ab. Wichtigste Prüfung: ASTM D6413 (vertikales Brennen).
• Dispersion:Superdispergiermittel + hochwirksamer Weichmacher + optimierte Vormischung sollten die Dispersion deutlich verbessern, die Agglomeration verringern und die Gleichmäßigkeit der Beschichtung erhöhen.
• Verarbeitbarkeit:Ausreichende Mengen an TOTP und Schmierstoffen sollten einen reibungslosen Prozess gewährleisten, jedoch sollten Viskosität und Verklebungen während der eigentlichen Produktion überwacht werden.
• Kosten:TOTP und Superdispersionsmittel sind teuer, jedoch gleichen reduzierte Mengen an Aluminiumhypophosphit und MCA einen Teil der Kosten aus. ATH ist vergleichsweise kostengünstig.

Wichtige Hinweise:

• Zunächst Versuche im kleinen Rahmen!Im Labor testen und auf der Grundlage der tatsächlichen Materialien (insbesondere der ATH- und Superdispersionsmittelleistung) und der vorhandenen Ausrüstung anpassen.
• Materialauswahl:
• ATH:Es müssen ultrafeine (D50 ≤ 2 µm), oberflächenbehandelte (z. B. silanisierte) Qualitäten verwendet werden. Bitte wenden Sie sich an Ihre Lieferanten, um Empfehlungen für PVC-kompatible Produkte zu erhalten.
• Superdispersionsmittel:Es müssen hocheffiziente Typen verwendet werden. Lieferanten über die Anwendung informieren (PVC, hoher Anteil anorganischer Füllstoffe, halogenfreie Flammschutzmittel).
• TOTP:Hohe Qualität gewährleisten.
• Testen:Führen Sie strenge Flammschutzprüfungen gemäß den Zielvorgaben durch. Bewerten Sie außerdem die Alterungs- und Wasserbeständigkeit (entscheidend für Outdoor-Zelte!). UV-Stabilisatoren und Antioxidantien sind unerlässlich.

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