تحلیل و بهینه‌سازی فرمولاسیون ضد شعله برای پوشش‌های PVC

تحلیل و بهینه‌سازی فرمولاسیون ضد شعله برای پوشش‌های PVC

مشتری چادرهای PVC تولید می‌کند و نیاز به اعمال پوشش ضد شعله دارد. فرمول فعلی شامل ۶۰ قسمت رزین PVC، ۴۰ قسمت TOTM، ۳۰ قسمت هیپوفسفیت آلومینیوم (با ۴۰٪ فسفر)، ۱۰ قسمت MCA، ۸ قسمت بورات روی، به همراه پراکنده‌سازها است. با این حال، عملکرد ضد شعله ضعیف است و پراکندگی بازدارنده‌های شعله نیز ناکافی است. در زیر تجزیه و تحلیل دلایل و اصلاح پیشنهادی فرمول ارائه شده است.

دلایل اصلی برای مقاومت ضعیف در برابر شعله

۱. سیستم بازدارنده شعله نامتعادل با اثرات هم افزایی ضعیف

• هیپوفسفیت آلومینیوم بیش از حد (30 قسمت):
  اگرچه هیپوفسفیت آلومینیوم یک بازدارنده شعله مبتنی بر فسفر کارآمد است (محتوای فسفر 40٪)، افزودن بیش از حد (بیش از 25 قسمت) می‌تواند منجر به موارد زیر شود:
• افزایش شدید ویسکوزیته سیستم، که پراکندگی را دشوار می‌کند و نقاط داغ متراکمی را تشکیل می‌دهد که سوختن را تسریع می‌کنند ("اثر فتیله‌ای").
• کاهش چقرمگی ماده و اختلال در خواص تشکیل فیلم به دلیل پرکننده معدنی بیش از حد.
• محتوای بالای MCA (10 قسمت):
  MCA (مبتنی بر نیتروژن) معمولاً به عنوان یک عامل سینرژیست استفاده می‌شود. وقتی دوز از 5 قسمت بیشتر شود، تمایل به مهاجرت به سطح دارد و کارایی بازدارنده شعله را اشباع می‌کند و به طور بالقوه با سایر بازدارنده‌های شعله تداخل ایجاد می‌کند.
• فقدان هم‌افزایی‌های کلیدی:
  در حالی که بورات روی اثرات مهار دود دارد، عدم وجود ترکیبات آنتیموان (مثلاً تری اکسید آنتیموان) یا اکسید فلزی (مثلاً هیدروکسید آلومینیوم) از تشکیل سیستم هم افزایی "فسفر-نیتروژن-آنتیموان" جلوگیری می‌کند و در نتیجه باعث کندسوزی ناکافی در فاز گازی می‌شود.

۲. عدم تطابق بین انتخاب نرم‌کننده و اهداف بازدارندگی شعله

• TOTM (تری‌اکتیل تری‌ملیتات) خاصیت ضد شعله محدودی دارد:
  TOTM در مقاومت حرارتی عالی است اما در مقایسه با استرهای فسفات (مثلاً TOTP) در بازدارندگی شعله بسیار ضعیف‌تر عمل می‌کند. برای کاربردهای با بازدارندگی شعله بالا مانند پوشش‌های چادر، TOTM نمی‌تواند قابلیت‌های زغال‌زایی و ممانعت‌کنندگی اکسیژن کافی را ارائه دهد.
• کل نرم‌کننده ناکافی (فقط ۴۰ قسمت):
  رزین PVC معمولاً برای نرم‌سازی کامل به ۶۰ تا ۷۵ قسمت نرم‌کننده نیاز دارد. مقدار کم نرم‌کننده منجر به ویسکوزیته مذاب بالا می‌شود و مشکلات پراکندگی بازدارنده شعله را تشدید می‌کند.

۳. سیستم پراکندگی ناکارآمد که منجر به توزیع ناهموار بازدارنده شعله می‌شود

• دیسپرس‌کننده‌ی فعلی ممکن است از نوع عمومی (مثلاً اسید استئاریک یا واکس PE) باشد که برای بازدارنده‌های شعله‌ی معدنی با بار زیاد (هیپوفسفیت آلومینیوم + بورات روی، در مجموع ۴۸ قسمت) بی‌اثر است و باعث موارد زیر می‌شود:
• تجمع ذرات مقاوم در برابر شعله، ایجاد نقاط ضعف موضعی در پوشش.
• جریان مذاب ضعیف در طول فرآیند، ایجاد گرمای برشی که باعث تجزیه زودرس می‌شود.

۴. سازگاری ضعیف بین بازدارنده‌های شعله و PVC

• مواد معدنی مانند هیپوفسفیت آلومینیوم و بورات روی اختلاف قطبیت قابل توجهی با PVC دارند. بدون اصلاح سطح (مثلاً عوامل اتصال سیلان)، جداسازی فاز رخ می‌دهد و راندمان ضد شعله را کاهش می‌دهد.

دوم. رویکرد طراحی هسته

۱. نرم‌کننده اولیه را با TOTP جایگزین کنید

• از خاصیت ذاتی عالی بازدارندگی شعله (میزان فسفر ≈9%) و اثر نرم‌کنندگی آن بهره ببرید.

۲. بهینه‌سازی نسبت‌های بازدارنده شعله و هم‌افزایی

• هیپوفسفیت آلومینیوم را به عنوان منبع اصلی فسفر حفظ کنید، اما دوز آن را به میزان قابل توجهی کاهش دهید تا پراکندگی بهبود یابد و «اثر فتیله‌ای» به حداقل برسد.
• بورات روی را به عنوان یک عامل هم‌افزایی کلیدی (که باعث افزایش زغال‌زایی و سرکوب دود می‌شود) حفظ کنید.
• MCA را به عنوان یک هم افزایی نیتروژن حفظ کنید اما دوز آن را برای جلوگیری از مهاجرت کاهش دهید.
• معرفی کنیدهیدروکسید آلومینیوم فوق ریز (ATH)به عنوان یک جزء چند منظوره:
• کندسوزی:تجزیه گرماگیر (کم آبی)، خنک سازی و رقیق سازی گازهای قابل اشتعال.
• مهار دود:به طور قابل توجهی تولید دود را کاهش می دهد.
• پرکننده:هزینه‌ها را کاهش می‌دهد (در مقایسه با سایر مواد ضد حریق).
• پراکندگی و جریان بهبود یافته (درجه فوق ریز):پخش شدن آسان‌تر نسبت به ATH معمولی، افزایش ویسکوزیته را به حداقل می‌رساند.

۳. راه‌حل‌های قوی برای مشکلات پراکندگی

• افزایش قابل توجه محتوای نرم کننده:از نرم‌سازی کامل PVC اطمینان حاصل کرده و ویسکوزیته سیستم را کاهش دهید.
• از ابرپراکنده‌کننده‌های با راندمان بالا استفاده کنید:به طور خاص برای پودرهای معدنی با بار زیاد و به راحتی آگلومره شده (هیپوفسفیت آلومینیوم، ATH) طراحی شده است.
• بهینه‌سازی فرآیند (پیش اختلاط بسیار مهم است):از خیساندن و پراکندگی کامل مواد ضد حریق اطمینان حاصل کنید.

۴. از پایداری پردازش اولیه اطمینان حاصل کنید

• به مقدار کافی تثبیت‌کننده‌های حرارتی و روان‌کننده‌های مناسب اضافه کنید.

III. فرمول PVC مقاوم در برابر شعله اصلاح شده

IV. یادداشت‌های فرمولی و نکات کلیدی

۱. TOTP بنیاد اصلی است

• ۶۵–۷۵ قسمتتضمین می‌کند:
• پلاستیک‌سازی کامل: PVC برای تشکیل فیلم نرم و پیوسته به پلاستیک‌ساز کافی نیاز دارد.
• کاهش ویسکوزیته: برای بهبود پراکندگی بازدارنده‌های شعله معدنی با بار بالا بسیار مهم است.
• خاصیت ذاتی بازدارندگی شعله: TOTP خود یک نرم‌کننده‌ی بسیار مؤثر در برابر شعله است.

۲. هم‌افزایی بازدارنده شعله

• هم‌افزایی PNB-Al:هیپوفسفیت آلومینیوم (P) + MCA (N) سینرژی پایه PN را فراهم می‌کنند. بورات روی (B، Zn) باعث افزایش زغال‌زایی و سرکوب دود می‌شود. ATH فوق ریز (Al) خنک‌کنندگی گرماگیر و سرکوب دود زیادی را ارائه می‌دهد. TOTP همچنین فسفر را به همراه دارد. این یک سیستم سینرژیک چند عنصری ایجاد می‌کند.
• نقش ATH:۲۵ تا ۳۵ قسمت از ATH فوق ریز، عامل اصلی در جلوگیری از شعله‌ور شدن و مهار دود است. تجزیه گرماگیر آن گرما را جذب می‌کند، در حالی که بخار آب آزاد شده، اکسیژن و گازهای قابل اشتعال را رقیق می‌کند.ATH فوق ریز و سطح آماده شده بسیار مهم استبرای به حداقل رساندن تأثیر ویسکوزیته و بهبود سازگاری با PVC.
• هیپوفسفیت آلومینیوم احیا شده:برای کاهش بار سیستم و در عین حال حفظ سهم فسفر، تعداد قسمت‌ها از ۳۰ به ۱۵-۲۰ قسمت کاهش یافت.
• کاهش MCA:برای جلوگیری از مهاجرت، تعداد قطعات از ۱۰ به ۴ تا ۶ کاهش یافت.

۳. راهکار پراکندگی - حیاتی برای موفقیت

• فوق پخش‌کننده (۳-۴ قسمت):برای کار با سیستم با بار زیاد (در مجموع ۵۰ تا ۷۰ قسمت پرکننده معدنی!)، و پراکندگی دشوار (هیپوفسفیت آلومینیوم + ATH فوق ریز + بورات روی) ضروری است.پراکنده‌کننده‌های معمولی (مثلاً کلسیم استئارات، واکس PE) کافی نیستند!روی ابرپراکنده‌کننده‌های با راندمان بالا سرمایه‌گذاری کنید و از مقادیر کافی استفاده کنید.
• محتوای نرم‌کننده (۶۵-۷۵ قسمت):همانطور که در بالا ذکر شد، ویسکوزیته کلی را کاهش می‌دهد و محیط بهتری برای پراکندگی ایجاد می‌کند.
• روان‌کننده‌ها (۱-۲ قسمت):ترکیبی از روان‌کننده‌های داخلی/خارجی، جریان‌پذیری خوب را در حین مخلوط کردن و پوشش‌دهی تضمین می‌کند و از چسبندگی جلوگیری می‌کند.

۴. پردازش - پروتکل دقیق پیش اختلاط

• مرحله 1 (پودرهای معدنی را به صورت خشک مخلوط کنید):
• هیپوفسفیت آلومینیوم، ATH فوق ریز، بورات روی، MCA و همه مواد فوق پراکنده کننده را به یک میکسر با سرعت بالا اضافه کنید.
• به مدت ۸ تا ۱۰ دقیقه در دمای ۸۰ تا ۹۰ درجه سانتیگراد مخلوط کنید. هدف: اطمینان حاصل کنید که سوپر دیسپرس کننده به طور کامل هر ذره را پوشانده و کلوخه‌ها را از بین می‌برد.زمان و دما بسیار مهم هستند!
• مرحله 2 (تشکیل دوغاب):
• بیشتر TOTP (مثلاً ۷۰ تا ۸۰ درصد)، تمام پایدارکننده‌های حرارتی و روان‌کننده‌های داخلی را به مخلوط مرحله ۱ اضافه کنید.
• به مدت ۵ تا ۷ دقیقه در دمای ۹۰ تا ۱۰۰ درجه سانتیگراد مخلوط کنید تا یک دوغاب یکنواخت و روان و مقاوم در برابر شعله تشکیل شود. مطمئن شوید که پودرها کاملاً توسط نرم‌کننده‌ها خیس شده‌اند.
• مرحله ۳ (اضافه کردن PVC و اجزای باقی مانده):
• رزین PVC، TOTP باقی مانده، روان کننده های خارجی (و آنتی اکسیدان ها/تثبیت کننده های UV، در صورت اضافه شدن در این مرحله) را اضافه کنید.
• به مدت ۷ تا ۱۰ دقیقه در دمای ۱۰۰ تا ۱۱۰ درجه سانتیگراد مخلوط کنید تا به نقطه خشک (روان و بدون گلوله شدن) برسید.برای جلوگیری از تخریب PVC، از اختلاط بیش از حد خودداری کنید.
• خنک کننده:برای جلوگیری از کلوخه شدن، مخلوط را تخلیه و تا دمای کمتر از ۵۰ درجه سانتیگراد خنک کنید.

۵. پردازش بعدی

• از مخلوط خشک و خنک شده برای کلندرینگ یا پوشش دادن استفاده کنید.
• دمای فرآیند را به شدت کنترل کنید (دمای ذوب توصیه شده ≤170-175 درجه سانتیگراد) تا از خرابی پایدارکننده یا تجزیه زودرس مواد ضد حریق (مانند ATH) جلوگیری شود.

V. نتایج مورد انتظار و اقدامات احتیاطی

• کندسوزی:در مقایسه با فرمول اصلی (TOTM + هیپوفسفیت آلومینیوم بالا/MCA)، این فرمول اصلاح‌شده (TOTP + نسبت‌های بهینه‌شده P/N/B/Al) باید به طور قابل توجهی بازدارندگی شعله را بهبود بخشد، به خصوص در عملکرد سوزش عمودی و سرکوب دود. استانداردهای هدف مانند CPAI-84 برای چادرها. آزمایش‌های کلیدی: ASTM D6413 (سوزش عمودی).
• پراکندگی:فوق پراکنده‌ساز + نرم‌کننده‌ی قوی + پیش‌اختلاط بهینه‌شده باید پراکندگی را تا حد زیادی بهبود بخشد، تجمع را کاهش دهد و یکنواختی پوشش را بهبود بخشد.
• قابلیت پردازش:TOTP و روان‌کننده‌های کافی باید فرآیندپذیری روان را تضمین کنند، اما ویسکوزیته و چسبندگی را در طول تولید واقعی کنترل کنید.
• هزینه:TOTP و فوق پراکنده‌سازها گران هستند، اما هیپوفسفیت آلومینیوم احیا شده و MCA برخی از هزینه‌ها را جبران می‌کنند. ATH نسبتاً کم‌هزینه است.

یادآوری‌های انتقادی:

• اول آزمایش‌های کوچک!در آزمایشگاه آزمایش کنید و بر اساس مواد واقعی (به خصوص ATH و عملکرد فوق پراکنده‌ساز) و تجهیزات، تنظیمات لازم را انجام دهید.
• انتخاب مواد:
• آث:باید از گریدهای فوق ریز (D50 ≤2µm) و عملیات سطحی شده (مثلاً سیلان) استفاده شود. برای توصیه‌های سازگار با PVC با تأمین‌کنندگان مشورت کنید.
• فوق پراکنده کننده ها:باید از انواع با راندمان بالا استفاده شود. تأمین‌کنندگان را در مورد کاربرد (PVC، پرکننده‌های معدنی با بار بالا، ضد حریق بدون هالوژن) مطلع کنید.
• TOTP:کیفیت بالا را تضمین کنید.
• آزمایش:آزمایش‌های دقیق مقاومت در برابر شعله را طبق استانداردهای هدف انجام دهید. همچنین مقاومت در برابر پیری/آب (برای چادرهای فضای باز بسیار مهم است!) را ارزیابی کنید. تثبیت‌کننده‌های UV و آنتی‌اکسیدان‌ها ضروری هستند.

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