Conversione della formulazione per pelle in PVC ignifuga senza alogeni

Conversione della formulazione per pelle in PVC ignifuga senza alogeni

Introduzione

Il cliente produce pelle in PVC ignifuga e, in precedenza, triossido di antimonio (Sb₂O₃). Ora punta a eliminare l'Sb₂O₃ e a passare a ritardanti di fiamma privi di alogeni. La formulazione attuale include PVC, DOP, EPOXY, BZ-500, ST, HICOAT-410 e antimonio. Il passaggio da una formulazione di pelle in PVC a base di antimonio a un sistema ritardante di fiamma privo di alogeni rappresenta un significativo aggiornamento tecnologico. Questo passaggio non solo è conforme alle normative ambientali sempre più severe (ad esempio, RoHS, REACH), ma migliora anche l'immagine "green" del prodotto e la sua competitività sul mercato.

Sfide principali

1. Perdita dell'effetto sinergico:
   • Di per sé, l'Sb₂O₃ non è un potente ritardante di fiamma, ma mostra eccellenti effetti sinergici con il cloro nel PVC, migliorando significativamente l'efficienza. La rimozione dell'antimonio richiede la ricerca di un sistema alternativo privo di alogeni che replichi questa sinergia.
2. Efficienza di ritardanza di fiamma:
   • I ritardanti di fiamma privi di alogeni spesso richiedono carichi maggiori per ottenere classificazioni di ritardanti di fiamma equivalenti (ad esempio, UL94 V-0), il che può influire sulle proprietà meccaniche (morbidezza, resistenza alla trazione, allungamento), sulle prestazioni di lavorazione e sui costi.
3. Caratteristiche della pelle in PVC:
   • La pelle in PVC richiede eccellenti caratteristiche di morbidezza, sensazione al tatto, finitura superficiale (goffratura, lucentezza), resistenza agli agenti atmosferici, resistenza alla migrazione e flessibilità alle basse temperature. La nuova formulazione deve mantenere o eguagliare queste proprietà.
4. Prestazioni di elaborazione:
   • Elevati carichi di riempitivi privi di alogeni (ad esempio, ATH) possono influire sul flusso di fusione e sulla stabilità della lavorazione.
5. Considerazioni sui costi:
   • Alcuni ritardanti di fiamma senza alogeni ad alta efficienza sono costosi e richiedono un equilibrio tra prestazioni e costi.

Strategia di selezione per sistemi ritardanti di fiamma senza alogeni (per pelle artificiale in PVC)

1. Ritardanti di fiamma primari – Idrossidi metallici

• Triidrossido di alluminio (ATH):
  • Il più comune e conveniente.
  • Meccanismo: decomposizione endotermica (~200°C), con rilascio di vapore acqueo per diluire i gas infiammabili e l'ossigeno, formando al contempo uno strato superficiale protettivo.
  • Svantaggi: bassa efficienza, elevato carico richiesto (40–70 phr), riduzione significativa di morbidezza, allungamento e lavorabilità; bassa temperatura di decomposizione.
• Idrossido di magnesio (MDH):
  • Temperatura di decomposizione più elevata (~340°C), più adatta alla lavorazione del PVC (160–200°C).
  • Svantaggi: sono necessari carichi elevati simili (40–70 phr); costo leggermente superiore rispetto all'ATH; può avere un maggiore assorbimento di umidità.

Strategia:

• Preferire MDH o una miscela ATH/MDH (ad esempio 70/30) per bilanciare costi, adattabilità alla temperatura di lavorazione e resistenza alla fiamma.
• L'ATH/MDH trattato in superficie (ad esempio, accoppiato a silano) migliora la compatibilità con il PVC, attenua il degrado delle proprietà e aumenta la resistenza alla fiamma.

2. Sinergici ritardanti di fiamma

Per ridurre i carichi primari di ritardanti di fiamma e migliorare l'efficienza, sono essenziali i sinergici:

• Ritardanti di fiamma al fosforo e all'azoto: ideali per sistemi in PVC privi di alogeni.
  • Polifosfato di ammonio (APP): favorisce la carbonizzazione, formando uno strato isolante intumescente.
    • Nota: utilizzare gradi resistenti alle alte temperature (ad esempio, Fase II, >280 °C) per evitare la decomposizione durante la lavorazione. Alcuni APP possono influire sulla trasparenza e sulla resistenza all'acqua.
  • Dietilfosfinato di alluminio (ADP): altamente efficiente, basso carico (5–20 phr), impatto minimo sulle proprietà, buona stabilità termica.
    • Svantaggio: costo più elevato.
  • Esteri fosforici (ad esempio RDP, BDP, TCPP): agiscono come ritardanti di fiamma plastificanti.
    • Pro: Doppia funzione (plastificante + ritardante di fiamma).
    • Contro: le molecole piccole (ad esempio, TCPP) possono migrare/volatilizzarsi; RDP/BDP hanno un'efficienza di plastificazione inferiore a DOP e possono ridurre la flessibilità a bassa temperatura.
• Borato di zinco (ZB):
  • Economico, multifunzionale (ritardante di fiamma, soppressore di fumo, promotore di carbonizzazione, antigoccia). Sinergizza bene con i sistemi ATH/MDH e fosforo-azoto. Carico tipico: 3–10 phr.
• Stannato di zinco/idrossistannato:
  • Eccellenti soppressori di fumo e ritardanti di fiamma sinergici, in particolare per polimeri contenenti cloro (ad esempio, PVC). Possono sostituire parzialmente il ruolo sinergico dell'antimonio. Carico tipico: 2–8 phr.
• Composti di molibdeno (ad esempio, MoO₃, molibdato di ammonio):
  • Potenti soppressori di fumo con sinergia ritardante di fiamma. Carico tipico: 2–5 phr.
• Nano riempitivi (ad esempio, nanoargilla):
  • Carichi bassi (3–8 phr) migliorano la resistenza alla fiamma (formazione di carbonizzazione, riduzione della velocità di rilascio del calore) e le proprietà meccaniche. La dispersione è fondamentale.

3. Soppressori di fumo

Il PVC produce fumo denso durante la combustione. Le formulazioni prive di alogeni spesso richiedono un sistema di soppressione del fumo. Il borato di zinco, lo stannato di zinco e i composti di molibdeno sono ottime scelte.

Formulazione ritardante di fiamma senza alogeni proposta (basata sulla formulazione originale del cliente)

Obiettivo: raggiungere la certificazione UL94 V-0 (1,6 mm o più spesso) mantenendo morbidezza, lavorabilità e proprietà chiave.

Ipotesi:

• Formulazione originale:
  • DOP: 50–70 phr (plastificante).
  • ST: Probabilmente acido stearico (lubrificante).
  • HICOAT-410: stabilizzatore Ca/Zn.
  • BZ-500: Probabilmente un lubrificante/coadiuvante di lavorazione (da confermare).
  • EPOXY: Olio di soia epossidato (co-stabilizzante/plastificante).
  • Antimonio: Sb₂O₃ (da rimuovere).

1. Formulazione consigliata (per 100 phr di resina PVC)

2. Esempio di formulazione (richiede ottimizzazione)

Fasi critiche dell'implementazione

1. Conferma i dettagli della materia prima:
   • Chiarire le identità chimiche diBZ-500EST(consultare le schede tecniche del fornitore).
   • Verificare i carichi esatti diDOP,EPOSSIDICA, EHICOAT-410.
   • Definire i requisiti del cliente: resistenza al fuoco (ad esempio, spessore UL94), morbidezza (durezza), applicazione (settore automobilistico, arredamento, borse?), esigenze speciali (resistenza al freddo, stabilità ai raggi UV, resistenza all'abrasione?), limiti di costo.
2. Seleziona gradi specifici di ritardante di fiamma:
   • Richiedi ai fornitori campioni di ritardanti di fiamma senza alogeni su misura per la pelle in PVC.
   • Dare priorità all'ATH/MDH trattato in superficie per una migliore dispersione.
   • Per APP, utilizzare gradi resistenti alle alte temperature.
   • Per gli esteri fosforici, preferire RDP/BDP rispetto a TCPP per una minore migrazione.
3. Test e ottimizzazione su scala di laboratorio:
   • Preparare piccoli lotti con carichi variabili (ad esempio, regolare i rapporti MDH/APP/ZB/ZS).
   • Miscelazione: utilizzare miscelatori ad alta velocità (ad esempio Henschel) per una dispersione uniforme. Aggiungere prima i liquidi (plastificanti, stabilizzanti), poi le polveri.
   • Prove di lavorazione: test su apparecchiature di produzione (ad esempio, miscelatore Banbury + calandratura). Monitoraggio del tempo di plastificazione, della viscosità del fuso, della coppia, della qualità della superficie.
   • Test delle prestazioni:
     • Resistenza al fuoco: UL94, LOI.
     • Proprietà meccaniche: durezza (Shore A), resistenza alla trazione, allungamento.
     • Morbidezza/sensazione al tatto: test soggettivi + durezza.
     • Flessibilità a bassa temperatura: prova di piegatura a freddo.
     • Stabilità termica: test del rosso Congo.
     • Aspetto: Colore, lucentezza, goffratura.
     • (Facoltativo) Densità del fumo: camera di fumo NBS.
4. Risoluzione dei problemi e bilanciamento:

5. Pilota e produzione: dopo l'ottimizzazione in laboratorio, condurre prove pilota per verificare stabilità, coerenza e costi. Procedere all'aumento di scala solo dopo la convalida.

Conclusione

La transizione dalla pelle in PVC ignifuga a base di antimonio a quella priva di alogeni è fattibile, ma richiede uno sviluppo sistematico. L'approccio di base combina idrossidi metallici (preferibilmente MDH trattato in superficie), sinergizzanti fosforo-azoto (APP o ADP) e soppressori di fumo multifunzionali (borato di zinco, stannato di zinco). Allo stesso tempo, è fondamentale ottimizzare plastificanti, stabilizzanti, lubrificanti e coadiuvanti tecnologici.

Le chiavi del successo:

1. Definire obiettivi e vincoli chiari (resistenza al fuoco, proprietà, costi).
2. Selezionare ritardanti di fiamma privi di alogeni comprovati (riempitivi trattati in superficie, APP ad alta temperatura).
3. Eseguire rigorosi test di laboratorio (resistenza al fuoco, proprietà, lavorazione).
4. Garantire una miscelazione uniforme e la compatibilità del processo.

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