Phân tích và tối ưu hóa công thức chống cháy cho lớp phủ PVC

Phân tích và tối ưu hóa công thức chống cháy cho lớp phủ PVC

Khách hàng sản xuất lều bạt PVC và cần phủ lớp chống cháy. Công thức hiện tại bao gồm 60 phần nhựa PVC, 40 phần TOTM, 30 phần nhôm hypophosphite (hàm lượng phốt pho 40%), 10 phần MCA, 8 phần kẽm borat, cùng với chất phân tán. Tuy nhiên, hiệu suất chống cháy kém, và khả năng phân tán chất chống cháy cũng không đạt yêu cầu. Dưới đây là phân tích nguyên nhân và đề xuất điều chỉnh công thức.

I. Nguyên nhân cốt lõi của khả năng chống cháy kém

1. Hệ thống chống cháy không cân bằng với hiệu ứng hiệp đồng yếu

• Nhôm hypophotphit dư thừa (30 phần):
  Mặc dù nhôm hypophosphite là chất chống cháy gốc phốt pho hiệu quả (hàm lượng phốt pho 40%), nhưng việc bổ sung quá mức (>25 phần) có thể dẫn đến:
• Độ nhớt của hệ thống tăng đột ngột, khiến quá trình phân tán trở nên khó khăn và hình thành các điểm nóng kết tụ làm tăng tốc độ cháy (“hiệu ứng bấc”).
• Độ dẻo dai của vật liệu giảm và khả năng tạo màng bị suy giảm do chất độn vô cơ quá mức.
• Hàm lượng MCA cao (10 phần):
  MCA (gốc nitơ) thường được sử dụng như một chất hiệp đồng. Khi liều lượng vượt quá 5 phần, nó có xu hướng di chuyển lên bề mặt, làm bão hòa hiệu quả chống cháy và có khả năng gây nhiễu các chất chống cháy khác.
• Thiếu các tác nhân chủ chốt:
  Mặc dù kẽm borat có tác dụng ngăn khói, nhưng việc không có hợp chất gốc antimon (ví dụ: antimon trioxide) hoặc oxit kim loại (ví dụ: nhôm hydroxide) sẽ ngăn cản sự hình thành hệ thống hiệp đồng “phospho-nitơ-antimon”, dẫn đến khả năng chống cháy ở pha khí không đủ.

2. Sự không phù hợp giữa việc lựa chọn chất hóa dẻo và mục tiêu chống cháy

• TOTM (trioctyl trimellitate) có khả năng chống cháy hạn chế:
  TOTM vượt trội về khả năng chịu nhiệt nhưng lại kém hiệu quả hơn nhiều trong việc chống cháy so với các este phosphate (ví dụ: TOTP). Đối với các ứng dụng có khả năng chống cháy cao như lớp phủ lều, TOTM không thể cung cấp đủ khả năng chống cháy và ngăn oxy.
• Tổng chất hóa dẻo không đủ (chỉ có 40 phần):
  Nhựa PVC thường cần 60–75 phần chất hóa dẻo để đạt được độ dẻo hoàn toàn. Hàm lượng chất hóa dẻo thấp dẫn đến độ nhớt nóng chảy cao, làm trầm trọng thêm các vấn đề về phân tán chất chống cháy.

3. Hệ thống phân tán không hiệu quả dẫn đến phân phối chất chống cháy không đều

• Chất phân tán hiện tại có thể là loại có mục đích chung (ví dụ, axit stearic hoặc sáp PE), không hiệu quả đối với chất chống cháy vô cơ có tải trọng cao (nhôm hypophosphite + kẽm borat tổng cộng 48 phần), gây ra:
• Sự kết tụ của các hạt chống cháy, tạo ra các điểm yếu cục bộ trên lớp phủ.
• Dòng chảy nóng chảy kém trong quá trình xử lý, tạo ra nhiệt cắt gây ra hiện tượng phân hủy sớm.

4. Khả năng tương thích kém giữa chất chống cháy và PVC

• Các vật liệu vô cơ như nhôm hypophotphit và kẽm borat có sự khác biệt đáng kể về độ phân cực so với PVC. Nếu không có sự biến đổi bề mặt (ví dụ: tác nhân liên kết silan), hiện tượng tách pha sẽ xảy ra, làm giảm hiệu quả chống cháy.

II. Phương pháp thiết kế cốt lõi

1. Thay thế chất hóa dẻo chính bằng TOTP

• Tận dụng khả năng chống cháy nội tại tuyệt vời của nó (hàm lượng phốt pho ≈9%) và hiệu ứng dẻo hóa.

2. Tối ưu hóa tỷ lệ chống cháy và hiệu quả hiệp đồng

• Giữ lại nhôm hypophosphite làm nguồn phốt pho cốt lõi nhưng giảm đáng kể liều lượng để cải thiện khả năng phân tán và giảm thiểu “hiệu ứng bấc”.
• Giữ lại kẽm borat như một chất hiệp đồng quan trọng (thúc đẩy quá trình cháy xém và ngăn khói).
• Giữ lại MCA như một chất hiệp đồng nitơ nhưng giảm liều lượng để ngăn ngừa sự di cư.
• Giới thiệunhôm hydroxit siêu mịn (ATH)như một thành phần đa chức năng:
• Khả năng chống cháy:Phân hủy thu nhiệt (mất nước), làm mát và pha loãng khí dễ cháy.
• Hệ thống dập khói:Giảm đáng kể lượng khói thải.
• Chất độn:Giảm chi phí (so với các chất chống cháy khác).
• Độ phân tán và lưu lượng được cải thiện (cấp độ siêu mịn):Dễ phân tán hơn ATH thông thường, giảm thiểu sự gia tăng độ nhớt.

3. Giải pháp mạnh mẽ cho các vấn đề phân tán

• Tăng đáng kể hàm lượng chất hóa dẻo:Đảm bảo PVC dẻo hóa hoàn toàn và giảm độ nhớt của hệ thống.
• Sử dụng chất siêu phân tán hiệu suất cao:Được thiết kế đặc biệt cho các loại bột vô cơ dễ kết tụ, chịu tải trọng cao (nhôm hypophotphit, ATH).
• Tối ưu hóa quá trình xử lý (trộn trước là rất quan trọng):Đảm bảo làm ướt và phân tán đều chất chống cháy.

4. Đảm bảo tính ổn định xử lý cơ bản

• Thêm đủ chất ổn định nhiệt và chất bôi trơn thích hợp.

III. Công thức PVC chống cháy được sửa đổi

IV. Ghi chú về công thức và các điểm chính

1. TOTP là Nền tảng cốt lõi

• 65–75 phầnđảm bảo:
• Dẻo hóa hoàn toàn: PVC cần đủ chất dẻo để tạo thành lớp màng mềm, liên tục.
• Giảm độ nhớt: Quan trọng để cải thiện khả năng phân tán chất chống cháy vô cơ có tải trọng cao.
• Khả năng chống cháy nội tại: Bản thân TOTP là chất dẻo chống cháy có hiệu quả cao.

2. Hiệu ứng cộng hưởng chống cháy

• Sự phối hợp PNB-Al:Nhôm hypophosphite (P) + MCA (N) tạo ra hiệu ứng cộng hưởng PN cơ bản. Kẽm borat (B, Zn) tăng cường khả năng cháy xém và ngăn khói. ATH siêu mịn (Al) mang lại khả năng làm mát thu nhiệt mạnh mẽ và ngăn khói. TOTP cũng bổ sung phốt pho. Điều này tạo nên một hệ thống cộng hưởng đa nguyên tố.
• Vai trò của ATH:25–35 phần ATH siêu mịn là thành phần chính góp phần chống cháy và ngăn khói. Quá trình phân hủy thu nhiệt của nó hấp thụ nhiệt, trong khi hơi nước giải phóng làm loãng oxy và các khí dễ cháy.ATH siêu mịn và được xử lý bề mặt là rất quan trọngđể giảm thiểu tác động của độ nhớt và cải thiện khả năng tương thích của PVC.
• Nhôm hypophotphit khử:Giảm từ 30 xuống 15–20 phần để giảm gánh nặng cho hệ thống trong khi vẫn duy trì lượng phốt pho đóng góp.
• Giảm MCA:Giảm từ 10 xuống còn 4–6 phần để ngăn chặn sự di cư.

3. Giải pháp phân tán – Yếu tố then chốt cho thành công

• Chất siêu phân tán (3–4 phần):Cần thiết để xử lý hệ thống khó phân tán (nhôm hypophotphit + ATH siêu mịn + kẽm borat), tải trọng cao (tổng cộng 50–70 phần chất độn vô cơ!).Các chất phân tán thông thường (ví dụ, canxi stearat, sáp PE) là không đủ!Đầu tư vào chất siêu phân tán hiệu quả cao và sử dụng liều lượng thích hợp.
• Hàm lượng chất hóa dẻo (65–75 phần):Như trên, làm giảm độ nhớt tổng thể, tạo ra môi trường tốt hơn cho quá trình phân tán.
• Chất bôi trơn (1–2 phần):Sự kết hợp giữa chất bôi trơn bên trong/bên ngoài đảm bảo độ chảy tốt trong quá trình trộn và phủ, ngăn ngừa tình trạng dính.

4. Xử lý – Quy trình trộn trước nghiêm ngặt

• Bước 1 (Trộn khô bột vô cơ):
• Thêm nhôm hypophotphit, ATH siêu mịn, kẽm borat, MCA và tất cả các chất siêu phân tán vào máy trộn tốc độ cao.
• Trộn ở nhiệt độ 80–90°C trong 8–10 phút. Mục tiêu: Đảm bảo chất siêu phân tán phủ kín từng hạt, phá vỡ các khối kết tụ.Thời gian và nhiệt độ rất quan trọng!
• Bước 2 (Hình thành bùn):
• Thêm phần lớn TOTP (ví dụ: 70–80%), tất cả chất ổn định nhiệt và chất bôi trơn bên trong vào hỗn hợp từ Bước 1.
• Trộn ở nhiệt độ 90–100°C trong 5–7 phút để tạo thành hỗn hợp chống cháy đồng nhất, dễ chảy. Đảm bảo bột được làm ướt hoàn toàn bằng chất hóa dẻo.
• Bước 3 (Thêm PVC và các thành phần còn lại):
• Thêm nhựa PVC, TOTP còn lại, chất bôi trơn bên ngoài (và chất chống oxy hóa/chất ổn định tia UV, nếu thêm vào ở giai đoạn này).
• Trộn ở nhiệt độ 100–110°C trong 7–10 phút cho đến khi đạt “điểm khô” (trơn chảy, không vón cục).Tránh trộn quá kỹ để tránh làm hỏng PVC.
• Làm mát:Xả và làm nguội hỗn hợp xuống <50°C để tránh vón cục.

5. Xử lý tiếp theo

• Sử dụng hỗn hợp khô đã nguội để cán hoặc phủ.
• Kiểm soát nhiệt độ xử lý một cách nghiêm ngặt (nhiệt độ nóng chảy khuyến nghị ≤170–175°C) để tránh chất ổn định bị hỏng hoặc chất chống cháy bị phân hủy sớm (ví dụ: ATH).

V. Kết quả mong đợi và biện pháp phòng ngừa

• Khả năng chống cháy:So với công thức ban đầu (TOTM + hàm lượng nhôm hypophotphit/MCA cao), công thức cải tiến này (TOTP + tỷ lệ P/N/B/Al tối ưu) sẽ cải thiện đáng kể khả năng chống cháy, đặc biệt là về hiệu suất cháy theo chiều dọc và khả năng dập tắt khói. Tiêu chuẩn mục tiêu như CPAI-84 cho lều. Các thử nghiệm chính: ASTM D6413 (cháy theo chiều dọc).
• Sự phân tán:Chất phân tán siêu cao + chất dẻo hóa cao + quá trình trộn trước được tối ưu hóa sẽ cải thiện đáng kể khả năng phân tán, giảm hiện tượng kết tụ và cải thiện độ đồng đều của lớp phủ.
• Khả năng xử lý:TOTP và chất bôi trơn đầy đủ sẽ đảm bảo quá trình xử lý diễn ra suôn sẻ, nhưng cần theo dõi độ nhớt và độ bám dính trong quá trình sản xuất thực tế.
• Trị giá:TOTP và chất siêu phân tán đắt tiền, nhưng nhôm hypophotphit khử và MCA bù đắp một phần chi phí. ATH có giá thành tương đối thấp.

Những lời nhắc nhở quan trọng:

• Đầu tiên là thử nghiệm ở quy mô nhỏ!Kiểm tra trong phòng thí nghiệm và điều chỉnh dựa trên vật liệu thực tế (đặc biệt là hiệu suất ATH và chất siêu phân tán) và thiết bị.
• Lựa chọn vật liệu:
• ATH:Phải sử dụng loại siêu mịn (D50 ≤2µm), đã được xử lý bề mặt (ví dụ: silane). Tham khảo ý kiến ​​nhà cung cấp để biết khuyến nghị tương thích với PVC.
• Chất siêu phân tán:Phải sử dụng loại hiệu suất cao. Thông báo cho nhà cung cấp về ứng dụng (PVC, chất độn vô cơ chịu tải trọng cao, chất chống cháy không chứa halogen).
• TOTP:Đảm bảo chất lượng cao.
• Kiểm tra:Tiến hành kiểm tra khả năng chống cháy nghiêm ngặt theo tiêu chuẩn mục tiêu. Đồng thời đánh giá khả năng chống lão hóa/chống nước (rất quan trọng đối với lều ngoài trời!). Chất ổn định tia UV và chất chống oxy hóa là rất cần thiết.

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