Análise e otimização da formulação retardante de chama para revestimentos de PVC

Análise e otimização da formulação retardante de chama para revestimentos de PVC

O cliente fabrica tendas de PVC e precisa aplicar um revestimento retardante de chamas. A fórmula atual consiste em 60 partes de resina de PVC, 40 partes de TOTM, 30 partes de hipofosfito de alumínio (com 40% de fósforo), 10 partes de MCA, 8 partes de borato de zinco, além de dispersantes. No entanto, o desempenho retardante de chamas é insatisfatório e a dispersão dos retardantes de chamas também é inadequada. Abaixo, segue uma análise das causas e uma proposta de ajuste para a fórmula.

I. Principais razões para a baixa resistência ao fogo

1. Sistema retardante de chamas desequilibrado com efeitos sinérgicos fracos

• Hipofosfito de alumínio em excesso (30 partes):
  Embora o hipofosfito de alumínio seja um retardante de chama eficiente à base de fósforo (40% de teor de fósforo), a adição excessiva (>25 partes) pode levar a:
• Um aumento acentuado na viscosidade do sistema dificulta a dispersão e forma pontos quentes aglomerados que aceleram a combustão ("efeito pavio").
• Redução da resistência do material e comprometimento das propriedades de formação de filme devido ao excesso de carga inorgânica.
• Alto teor de MCA (10 partes):
  O MCA (à base de nitrogênio) é normalmente usado como sinergista. Quando a dosagem excede 5 partes, tende a migrar para a superfície, saturando a eficiência do retardante de chama e potencialmente interferindo com outros retardantes de chama.
• Falta de sinergistas-chave:
  Embora o borato de zinco tenha efeitos supressores de fumaça, a ausência de compostos à base de antimônio (por exemplo, trióxido de antimônio) ou de óxido metálico (por exemplo, hidróxido de alumínio) impede a formação de um sistema sinérgico de “fósforo-nitrogênio-antimônio”, resultando em retardância de chama insuficiente na fase gasosa.

2. Incompatibilidade entre a seleção de plastificantes e os objetivos de retardância à chama

• O TOTM (trimelitato de trioctila) possui propriedades retardantes de chama limitadas:
  O TOTM se destaca na resistência ao calor, mas é muito menos eficaz na retardação de chamas em comparação com os ésteres de fosfato (por exemplo, TOTP). Para aplicações que exigem alta retardação de chamas, como revestimentos de tendas, o TOTM não oferece capacidade suficiente de carbonização e barreira ao oxigênio.
• Quantidade insuficiente de plastificante total (apenas 40 partes):
  A resina de PVC normalmente requer de 60 a 75 partes de plastificante para plastificação completa. Um baixo teor de plastificante leva a uma alta viscosidade da massa fundida, agravando ainda mais os problemas de dispersão do retardante de chama.

3. Sistema de dispersão ineficaz que leva à distribuição irregular do retardante de chamas.

• O dispersante atual pode ser de uso geral (por exemplo, ácido esteárico ou cera PE), que é ineficaz para retardantes de chama inorgânicos de alta concentração (hipofosfito de alumínio + borato de zinco, totalizando 48 partes), causando:
• Aglomeração de partículas retardantes de chama, criando pontos fracos localizados no revestimento.
• Má fluidez do material fundido durante o processamento, gerando calor por cisalhamento que desencadeia a decomposição prematura.

4. Má compatibilidade entre retardantes de chama e PVC

• Materiais inorgânicos como o hipofosfito de alumínio e o borato de zinco apresentam diferenças significativas de polaridade com o PVC. Sem modificação da superfície (por exemplo, com agentes de acoplamento de silano), ocorre separação de fases, reduzindo a eficiência da ação retardante de chamas.

II. Abordagem Central de Design

1. Substitua o plastificante primário por TOTP.

• Aproveite suas excelentes propriedades intrínsecas de retardância à chama (teor de fósforo ≈9%) e seu efeito plastificante.

2. Otimizar as proporções e a sinergia dos retardantes de chama.

• Mantenha o hipofosfito de alumínio como principal fonte de fósforo, mas reduza significativamente sua dosagem para melhorar a dispersão e minimizar o "efeito pavio".
• Mantenha o borato de zinco como um sinergista fundamental (promovendo a carbonização e a supressão da fumaça).
• Mantenha o MCA como sinergista de nitrogênio, mas reduza sua dosagem para evitar a migração.
• Introduzirhidróxido de alumínio ultrafino (ATH)como um componente multifuncional:
• Retardante de chamas:Decomposição endotérmica (desidratação), resfriamento e diluição de gases inflamáveis.
• Supressão de fumaça:Reduz significativamente a geração de fumaça.
• Enchimento:Reduz custos (em comparação com outros retardantes de chama).
• Dispersão e fluidez aprimoradas (grau ultrafino):Mais fácil de dispersar do que o ATH convencional, minimizando o aumento da viscosidade.

3. Soluções eficazes para problemas de dispersão

• Aumentar significativamente o teor de plastificante:Garantir a plastificação completa do PVC e reduzir a viscosidade do sistema.
• Utilize superdispersantes de alta eficiência:Projetado especificamente para pós inorgânicos de alta concentração e fácil aglomeração (hipofosfito de alumínio, ATH).
• Otimizar o processamento (a pré-mistura é fundamental):Assegure a completa umectação e dispersão dos retardantes de chama.

4. Garantir a estabilidade básica do processamento

• Adicione estabilizadores térmicos em quantidade suficiente e lubrificantes adequados.

III. Fórmula revisada de PVC retardante de chamas

IV. Notas sobre fórmulas e pontos-chave

1. TOTP é a base fundamental.

• 65–75 partesgarante:
• Plastificação completa: o PVC requer plastificante suficiente para a formação de um filme macio e contínuo.
• Redução da viscosidade: Essencial para melhorar a dispersão de retardantes de chama inorgânicos em altas concentrações.
• Retardamento de chama intrínseco: o próprio TOTP é um plastificante retardante de chama altamente eficaz.

2. Sinergia retardante de chamas

• Sinergia PNB-Al:O hipofosfito de alumínio (P) + MCA (N) proporcionam sinergia básica de PN. O borato de zinco (B, Zn) intensifica a carbonização e a supressão de fumaça. O ATH ultrafino (Al) oferece resfriamento endotérmico massivo e supressão de fumaça. O TOTP também contribui com fósforo. Isso cria um sistema sinérgico multielementar.
• O papel da ATH:A fração ultrafina de 25 a 35 partes de ATH contribui significativamente para a resistência à chama e a supressão de fumaça. Sua decomposição endotérmica absorve calor, enquanto o vapor de água liberado dilui o oxigênio e os gases inflamáveis.A ATH ultrafina e com tratamento de superfície é fundamental.Para minimizar o impacto da viscosidade e melhorar a compatibilidade com o PVC.
• Hipofosfito de alumínio reduzido:Reduzida de 30 para 15-20 partes para aliviar a carga do sistema, mantendo a contribuição do fósforo.
• MCA reduzido:Reduziu-se de 10 para 4 a 6 partes para evitar a migração.

3. Solução de dispersão – Essencial para o sucesso

• Superdispersante (3–4 partes):Essencial para lidar com o sistema de alta carga (50 a 70 partes de cargas inorgânicas no total!), de difícil dispersão (hipofosfito de alumínio + ATH ultrafino + borato de zinco).Os dispersantes comuns (ex.: estearato de cálcio, cera PE) são insuficientes!Invista em superdispersantes de alta eficiência e utilize quantidades adequadas.
• Teor de plastificante (65–75 partes):Conforme mencionado acima, reduz a viscosidade geral, criando um ambiente mais favorável à dispersão.
• Lubrificantes (1–2 partes):A combinação de lubrificantes internos e externos garante boa fluidez durante a mistura e o revestimento, evitando que o produto grude.

4. Processamento – Protocolo de pré-mistura rigoroso

• Etapa 1 (Mistura a seco de pós inorgânicos):
• Adicione hipofosfito de alumínio, ATH ultrafino, borato de zinco, MCA e todos os superdispersantes a um misturador de alta velocidade.
• Misture a 80–90 °C durante 8–10 minutos. Objetivo: Garantir que o superdispersante cubra completamente cada partícula, quebrando os aglomerados.Tempo e temperatura são fatores críticos!
• Etapa 2 (Formação da pasta):
• Adicione a maior parte do TOTP (por exemplo, 70–80%), todos os estabilizadores térmicos e os lubrificantes internos à mistura da Etapa 1.
• Misture a 90–100 °C durante 5–7 minutos para formar uma pasta uniforme, fluida e retardante de chamas. Certifique-se de que os pós estejam completamente umedecidos pelos plastificantes.
• Etapa 3 (Adicionar o PVC e os componentes restantes):
• Adicione resina de PVC, o restante do TOTP, lubrificantes externos (e antioxidantes/estabilizadores UV, se adicionados nesta etapa).
• Misture a 100–110°C durante 7–10 minutos até atingir o “ponto seco” (fluidez livre, sem grumos).Evite misturar em excesso para prevenir a degradação do PVC.
• Resfriamento:Descarregue e resfrie a mistura a uma temperatura inferior a 50°C para evitar a formação de grumos.

5. Processamento subsequente

• Utilize a mistura seca e resfriada para calandragem ou revestimento.
• Controle rigorosamente a temperatura de processamento (temperatura de fusão recomendada ≤170–175°C) para evitar falhas no estabilizador ou decomposição prematura de retardantes de chama (ex.: ATH).

V. Resultados Esperados e Precauções

• Retardante de chamas:Comparada à fórmula original (TOTM + hipofosfito de alumínio/MCA de alta concentração), esta fórmula revisada (TOTP + proporções otimizadas de P/N/B/Al) deve melhorar significativamente a resistência à chama, especialmente no desempenho em queima vertical e na supressão de fumaça. Visa atender a padrões como o CPAI-84 para tendas. Testes principais: ASTM D6413 (queima vertical).
• Dispersão:A combinação de superdispersante, alto teor de plastificante e pré-mistura otimizada deve melhorar significativamente a dispersão, reduzindo a aglomeração e aumentando a uniformidade do revestimento.
• Processabilidade:A utilização adequada de TOTP (óleo, fluido e lubrificantes) deve garantir um processamento tranquilo, mas monitore a viscosidade e a aderência durante a produção real.
• Custo:O TOTP e os superdispersantes são caros, mas o hipofosfito de alumínio reduzido e o MCA compensam parte dos custos. O ATH tem um custo relativamente baixo.

Lembretes importantes:

• Primeiro, testes em pequena escala!Realizar testes em laboratório e ajustar com base nos materiais reais (especialmente no desempenho do ATH e do superdispersante) e nos equipamentos utilizados.
• Seleção de materiais:
• ATH:É necessário usar partículas ultrafinas (D50 ≤2 µm) com tratamento de superfície (por exemplo, silano). Consulte os fornecedores para obter recomendações de compatibilidade com PVC.
• Superdispersantes:É necessário utilizar materiais de alta eficiência. Informe os fornecedores sobre a aplicação (PVC, cargas inorgânicas de alta concentração, retardante de chama livre de halogênio).
• TOTP:Garantir alta qualidade.
• Testando:Realize testes rigorosos de resistência à chama de acordo com as normas estabelecidas. Avalie também a resistência ao envelhecimento e à água (fundamental para tendas de uso externo!). Estabilizadores UV e antioxidantes são essenciais.

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