Halogenfreie Flammschutzmittelformulierung für TPU-Beschichtungssysteme unter Verwendung von DMF als Lösungsmittel

Halogenfreie Flammschutzmittelformulierung für TPU-Beschichtungssysteme unter Verwendung von DMF als Lösungsmittel

Bei TPU-Beschichtungssystemen mit Dimethylformamid (DMF) als Lösungsmittel ist eine systematische Bewertung des Einsatzes von Aluminiumhypophosphit (AHP) und Zinkborat (ZB) als Flammschutzmittel erforderlich. Nachfolgend finden Sie eine detaillierte Analyse und einen Umsetzungsplan:

I. Machbarkeitsanalyse von Aluminiumhypophosphit (AHP)

1. Flammschutzmechanismus und Vorteile

• Mechanismus:
• Zersetzt sich bei hohen Temperaturen unter Bildung von Phosphorsäure und Metaphosphorsäure, was die Bildung von Kohlenstoff in TPU fördert (Flammschutzmittel in der kondensierten Phase).
• Setzt PO·-Radikale frei, um Verbrennungskettenreaktionen zu unterbrechen (Flammschutzwirkung in der Gasphase).
• Vorteile:
• Halogenfrei, raucharm, geringe Toxizität, konform mit RoHS/REACH.
• Gute thermische Stabilität (Zersetzungstemperatur ≈300°C), geeignet für TPU-Trocknungsprozesse (typischerweise <150°C).

2. Herausforderungen und Lösungen für die Anwendung

3. Empfohlene Rezeptur und Vorgehensweise

• Beispielformulierung:
• TPU/DMF-Basis: 100 phr
• Oberflächenmodifiziertes AHP: 20 phr
• Zinkborat (ZB): 5 phr (synergetische Rauchunterdrückung)
• Dispergiermittel (BYK-110): 1,5 phr
• Wichtige Prozesspunkte:
• AHP mit Dispergiermittel und teilweise DMF unter hoher Scherung (≥3000 U/min, 30 min) vormischen, dann mit TPU-Suspension vermengen.
• Trocknung nach dem Beschichten: 120-150°C, die Trocknungszeit um 10% verlängern, um eine vollständige Verdunstung des DMF zu gewährleisten.

II. Machbarkeitsanalyse von Zinkborat (ZB)

1. Flammschutzmechanismus und Vorteile

• Mechanismus:
• Bildet bei hohen Temperaturen eine B₂O₃-Glasschicht, die Sauerstoff und Wärme blockiert (Flammschutzwirkung in der kondensierten Phase).
• Setzt gebundenes Wasser (~13%) frei, verdünnt brennbare Gase und kühlt das System.
• Vorteile:
• Starker Synergieeffekt mit AHP oder Aluminiumtrihydroxid (ATH).
• Hervorragende Rauchunterdrückung, ideal für Anwendungen mit geringer Rauchentwicklung.

2. Herausforderungen und Lösungen für die Anwendung

3. Empfohlene Rezeptur und Vorgehensweise

• Beispielformulierung:
• TPU/DMF-Basis: 100 phr
• Nanogroßes ZB: 8 phr
• AHP: 15 Phr
• Netzmittel (Tego 750W): 1 ThK
• Wichtige Prozesspunkte:
• ZB wird vor dem Mischen mit der TPU-Suspension durch Kugelmahlen in DMF vordispergiert (Partikelgröße ≤2μm).
• Um zu vermeiden, dass Restfeuchtigkeit die Flammschutzwirkung beeinträchtigt, sollte die Trocknungszeit verlängert werden (z. B. 30 min).

III. Synergistische Bewertung des AHP + ZB-Systems

1. Synergistische Flammschutzwirkung

• Synergieeffekte in der Gas- und kondensierten Phase:
• AHP liefert Phosphor für die Verkohlung, während ZB die Verkohlungsschicht stabilisiert und das Nachglühen unterdrückt.
• Kombinierter LOI: 28-30%, UL94 V-0 (1,6 mm) erreichbar.
• Rauchbekämpfung:
• ZB reduziert die Rauchemission um mehr als 50 % (Kegelkalorimetertest).

2. Empfehlungen zur Leistungsbalance

• Kompensation mechanischer Eigenschaften:
• Um die Flexibilität zu erhalten (Dehnung >300%), sollten 2-3% TPU-Weichmacher (z. B. Polycaprolacton-Polyol) hinzugefügt werden.
• Um den Verlust der Zugfestigkeit zu minimieren, sollten ultrafeine Pulver (AHP/ZB <2μm) verwendet werden.
• Prozessstabilitätskontrolle:
• Für eine gleichmäßige Beschichtung sollte die Viskosität der Suspension bei 2000-4000 cP (Brookfield RV, Spindel 4, 20 U/min) liegen.

IV. Vergleich mit lösungsmittelbasierten flüssigen Flammschutzmitteln

V. Empfohlene Implementierungsschritte

1. Tests im Labormaßstab:

• Evaluieren Sie AHP/ZB einzeln und in Kombination (Gradientenbelastung: 10 %, 15 %, 20 %).
• Beurteilung der Dispersionsstabilität (keine Sedimentation nach 24 Stunden), Viskositätsänderungen und Gleichmäßigkeit der Beschichtung.

1. Validierung im Pilotmaßstab:

• Optimieren Sie die Trocknungsbedingungen (Zeit/Temperatur) und prüfen Sie die Flammschutzwirkung (UL94, LOI) und die mechanischen Eigenschaften.
• Kostenvergleich: Wenn AHP+ZB die Kosten im Vergleich zu flüssigen Flammschutzmitteln um mehr als 30 % senkt, ist es wirtschaftlich rentabel.

1. Vorbereitung der Skalierung:

• Zusammenarbeit mit Lieferanten zur Entwicklung vordispergierter AHP/ZB-Masterbatches (DMF-basiert) für eine vereinfachte Produktion.

VI. Schlussfolgerung

Bei kontrollierten Dispersionsverfahren können AHP und ZB als wirksame Flammschutzmittel für TPU/DMF-Beschichtungen dienen, vorausgesetzt:

1. Oberflächenmodifizierung + Hochscherdispersionwird angewendet, um die Agglomeration von Partikeln zu verhindern.
2. AHP (primär) + ZB (Synergist)gleicht Effizienz und Kosten aus.
3. Fürhohe Transparenz/FlexibilitätBei Erfüllung der Anforderungen bleiben flüssige Phosphor-Stickstoff-Flammschutzmittel (z. B. Levagard 4090N) vorzuziehen.

Sichuan Taifeng New Flame Retardant Co., Ltd. (ISO & REACH)

Email: lucy@taifeng-fr.com