مستربچ بازدارنده شعله برای PA: انواع، استانداردها و راهنمای پردازش

چرا پلی پروپیلن نسبت به بسیاری از پلاستیک ها کندتر شعله سخت تر است؟

پلی پروپیلن در انتهای جدول لیگ مقاومت در برابر آتش برای ترموپلاستیک های کالا قرار دارد. شاخص محدود کننده اکسیژن (LOI) در حدود 17 تا 18 درصد است که به این معنی است که به راحتی در هوای معمولی مشتعل می شود و احتراق را به راحتی حفظ می کند. بدتر از آن، هنگام سوزاندن می چکد - این قطرات شعله ور می توانند آتش های ثانویه را شعله ور کنند و PP بدون عملیات شعله را به یک خطر واقعی در محفظه های الکتریکی، فضای داخلی خودرو و پانل های ساختمان تبدیل کنند. دلیل آن ساختاری است: PP یک پلیمر هیدروکربنی خالص است که هیچ اتم نیتروژن، فسفر یا هالوژن در ستون فقرات آن تعبیه نشده است، بنابراین مانند برخی رزین‌های مهندسی، هیچ شیمی خود محدودکننده‌ای را برای آتش سوزی به ارمغان نمی‌آورد.

در کنار این چالش، PP در دماهای نسبتاً پایین (معمولاً 180 تا 240 درجه سانتیگراد) در مقایسه با پلی آمیدها یا پلی استرها پردازش می شود، که سازگاری ترکیبات شیمیایی بازدارنده شعله را محدود می کند - برخی از افزودنی های FR در دماهای نزدیک به پنجره پردازش PP تجزیه می شوند. و بر خلاف پلی آمید، PP غیرقطبی است، که باعث می شود از نظر شیمیایی تمایلی به پیوند یا پخش کامل برخی از مواد افزودنی FR نداشته باشد. مستربچ بازدارنده شعله برای PP برای حل چالش شیمی و چالش پردازش به طور همزمان مهندسی شده است: فعال‌های FR از قبل در یک رزین حامل سازگار با PP پراکنده می‌شوند، به شکل گلوله ارائه می‌شوند و برای کار در پنجره پردازش باریک PP بدون تجزیه زودرس یا جداسازی فاز بهینه شده‌اند.

شیمی اصلی FR مورد استفاده در PP Masterbatch - و زمان استفاده از هر کدام

همه مستربچ های مقاوم در برابر شعله پلی پروپیلن از شیمی فعال یکسانی استفاده نمی کنند. سیستم صحیح به درجه اشتعال پذیری هدف شما، درجه PP که در حال اجرا هستید، روش پردازش و اینکه آیا بازار نهایی شما نیاز به انطباق بدون هالوژن دارد بستگی دارد. در اینجا یک تفکیک عملی از رویکردهای اصلی آورده شده است:

سیستم های برم دار با سینرژیست آنتیموان تری اکسید

ثابت ترین مسیر هالوژنه از ترکیباتی مانند دکابرومودی فنیل اتان (DBDPE) ترکیب شده با تری اکسید آنتیموان (ATO) به عنوان هم افزایی استفاده می کند. ترکیب برم، گاز برومید هیدروژن را در طول احتراق آزاد می کند، که رادیکال های آزاد را که باعث واکنش زنجیره ای شعله در فاز گاز می شود، از بین می برد. تری اکسید آنتیموان این اثر را با تبدیل HBr به گونه های هالید آنتیموان فعال تر تقویت می کند. مستربچ های بروم دار برای PP به صورت تجاری در غلظت های فعال بسیار بالا در دسترس هستند - برخی از فرمول ها به 80-87٪ محتوای فعال ترکیبی می رسند - که امکان رتبه بندی V-2 یا V-0 را در نسبت های نسبتا پایین کاهش می دهد (گاهی اوقات به 2-5٪ وزنی در ترکیب نهایی). این مبادله مقرراتی است: سیستم‌های FR برم دار به طور فزاینده‌ای توسط RoHS، REACH و مشخصات OEM شیمی سبز، به ویژه در بازارهای اتحادیه اروپا و ژاپن، محدود یا حذف می‌شوند.

سیستم های مقاوم در برابر شعله (IFR).

مستربچ بازدارنده شعله اشتعال آور برای PP فناوری غالب بدون هالوژن برای قالب گیری تزریقی PP و کاربردهای اکستروژن است. سیستم‌های IFR از سه جزء عملکردی ساخته شده‌اند که با هم کار می‌کنند: یک منبع اسید (معمولاً پلی فسفات آمونیوم، APP یا هیپوفسفیت آلومینیوم)، یک منبع کربن (عامل ذغال‌کننده، مانند پنتا اریتریتول یا مشتقات آن)، و یک منبع گاز (عامل دمنده، مانند ملامین یا ملامین پلی‌فسفات). هنگامی که در معرض گرما قرار می گیرند، این اجزا به ترتیب واکنش نشان می دهند: منبع اسیدی منبع کربن را کم آب می کند تا یک زغال کربنی تشکیل دهد، در حالی که منبع گاز گازهای غنی از نیتروژن غیر قابل احتراق (NH3، CO2) را آزاد می کند که باعث می شود ذغال به یک کف غلیظ تبدیل شود. این لایه ذغال سنگی به عنوان یک مانع فیزیکی عمل می کند - پلیمر زیرین را از گرما عایق می کند، تامین اکسیژن را قطع می کند و از انتشار مواد فرار قابل احتراق بیشتر جلوگیری می کند. مستربچ های IFR برای PP معمولاً برای دستیابی به عملکرد UL 94 V-0 به سطوح بارگیری 20 تا 30 درصد در ترکیب نهایی نیاز دارند که بالاتر از جایگزین های برم دار است، اما مشخصات بدون هالوژن بازارهایی را باز می کند که گریدهای برم شده نمی توانند به آنها دسترسی پیدا کنند.

سیستم های هم افزایی فسفر-نیتروژن (P/N).

یک رویکرد بدون هالوژن تصفیه شده تر، مواد فعال مبتنی بر فسفر (مانند دی اتیل فسفینات آلومینیوم یا فسفونات های آلی) را با ترکیبات نیتروژن (ملامین سیانورات یا ملامین پلی فسفات) در یک مستربچ ترکیب می کند. اجزای P و N به طور هم افزایی کار می کنند: فسفر باعث تشکیل ذغال در فاز متراکم می شود در حالی که نیتروژن باعث رقت شدن فاز گاز و خنک شدن گرماگیر می شود. در PP پر نشده، سیستم‌های P/N می‌توانند V-2 را در سطوح بارگیری کمتر از 2 تا 8 درصد وزنی در صورت فرمول‌بندی کارآمد به دست آورند، که آنها را در میان مقرون‌به‌صرفه‌ترین گزینه‌های بدون هالوژن برای درجه‌بندی آتش متوسط ​​قرار می‌دهد. برای عملکرد V-0، بارگیری 15 تا 25 درصد معمولی تر است. این سیستم‌ها پایداری حرارتی خوبی را در پنجره پردازش PP و انتشار دود کم ارائه می‌دهند - یک ویژگی مهم فزاینده در کاربردهای ساختمانی و خودرو.

سیستم های هیدروکسید معدنی

هیدروکسید منیزیم (MDH) و تری هیدرات آلومینیوم (ATH) از طریق تجزیه گرماگیر، بازدارندگی شعله را فراهم می کنند - آنها گرما را جذب کرده و بخار آب را آزاد می کنند، پلیمر را خنک می کنند و گازهای قابل احتراق را رقیق می کنند. آنها برای محیط زیست بی خطر هستند و دود بسیار کمی تولید می کنند. اشکال اصلی PP سطح بارگذاری است: دستیابی به عملکرد مفید آتش معمولاً به محتوای معدنی 40-65٪ در ترکیب نهایی نیاز دارد که به شدت استحکام کششی، ازدیاد طول و جریان مذاب را به خطر می اندازد. مستربچ های FR مبتنی بر مواد معدنی برای PP عمدتاً در کاربردهای کابل کشی و کاربردهای هالوژن صفر با دود کم (LSZH) استفاده می شود که در آن سمیت دود نگرانی اصلی است و برخی از خواص مکانیکی به خطر می افتد.

عملکرد مستربچ FR در درجات مختلف PP

پلی پروپیلن یک ماده واحد نیست - طیف وسیعی از نمرات را با ساختارهای مولکولی متفاوت، رفتار جریان مذاب و ویژگی های احتراق در بر می گیرد. همان مستربچ FR بسته به درجه PP که در آن ترکیب شده است، می تواند عملکرد بسیار متفاوتی داشته باشد.

مورد PP بازیافتی سزاوار توجه ویژه است. از آنجایی که الزامات پایداری ترکیبات بیشتری را به سمت rPP سوق می دهد، تنوع مواد اولیه بازیافتی باعث می شود عملکرد FR کمتر قابل پیش بینی باشد. آلاینده‌های موجود در rPP - رنگ‌های باقی‌مانده، سایر پلیمرها، تثبیت‌کننده‌های پردازش از استفاده قبلی - می‌توانند با فعال‌های FR به روش‌های غیرقابل پیش‌بینی تعامل داشته باشند، یا اثربخشی آنها را کاهش دهند یا تخریب را تسریع کنند. هنگام فرمول بندی مستربچ FR به پلی پروپیلن بازیافتی، قبل از قفل کردن در سطح بارگیری، برای آزمایش گسترده تر در چندین دسته rPP برنامه ریزی کنید.

دستیابی به UL 94 V-0 در PP: آنچه در واقع نیاز دارد

UL 94 V-0 در پلی پروپیلن قابل دستیابی است - اما به طور قابل توجهی سخت تر از پلی آمید یا پلی استر است و به رویکردی دقیق تر از استفاده ساده از مستربچ FR با کارایی بالا در یک بارگذاری سخاوتمندانه نیاز دارد. تمایل طبیعی PP به ذوب قطره ای مانع اصلی است: حتی اگر شعله را به سرعت خاموش کنید، قطرات شعله ور که نشانگر پنبه زیر نمونه آزمایش را مشتعل می کند باعث خرابی خودکار V-0 می شود.

کنترل رفتار چکه نیاز به یک عامل ضد چکه در فرمولاسیون دارد. پرکاربردترین گزینه پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) با 0.3 تا 1.0 درصد وزنی است - PTFE در مذاب PP فیبریل می شود و شبکه ای ایجاد می کند که ویسکوزیته مذاب را در نقطه چکاندن افزایش می دهد و از ریزش قطرات شعله ور جلوگیری می کند. برخی از سیستم های IFR از طریق تشکیل سریع ذغال، رفتار ضد چکه را ترکیب می کنند، که سطح سوزاندن را قبل از تشکیل قطره سفت می کند، اما IFR مستقل بدون عوامل ضد چکه اغلب V-1 را به جای V-0 در PP به دست می آورد. فرمول مرجع برای UL 94 V-0 بدون هالوژن در PP استاندارد معمولاً شامل موارد زیر است:

• بازدارنده شعله 20 تا 30 در ساعت (IFR) - منبع اسیدی منبع گاز منبع کربن
• 10-20 phr هیدروکسید منیزیم به عنوان تثبیت کننده ذغال ثانویه و سرکوب کننده دود
• 5-1.0 phr PTFE عامل ضد چکه
• روان کننده phr 5-1.0 (به عنوان مثال، استئارات روی) برای حفظ جریان در یک ترکیب با بار زیاد
• آنتی اکسیدان 2-0.5 phr برای محافظت از PP در برابر تخریب حرارتی در طول پردازش

پردازش این نوع ترکیب به یک اکسترودر دو مارپیچ با مشخصات دمایی بین 180 تا 220 درجه سانتیگراد - بالاتر از نقطه ذوب PP اما کمتر از دمای شروع تجزیه مواد فعال FR - نیاز دارد. دویدن گرمتر از 230 درجه سانتیگراد با PP بارگذاری شده با IFR باعث آزاد شدن زودهنگام گاز، ایجاد حباب، نقص سطح و کاهش کیفیت زغال در طول آزمایش آتش واقعی می شود.

فیبر PP و کاربردهای نبافته: یک مشکل FR کاملاً متفاوت

استفاده از مستربچ بازدارنده شعله در تولید الیاف PP و منسوجات نبافته محدودیت هایی را ایجاد می کند که برای قالب گیری تزریقی یا اکستروژن پروفیل اعمال نمی شود. ریسندگی الیاف به اندازه ذرات افزودنی، تغییرات ویسکوزیته مذاب و هر گونه مواد شیمیایی که فرآیند کشیدن مداوم را مختل کند، بسیار حساس است. مستربچ‌های استاندارد IFR که برای قالب‌گیری تزریقی طراحی شده‌اند، اغلب برای کاربردهای فیبر مناسب نیستند - اندازه ذرات آن‌ها خیلی بزرگ است، نیازهای بارگذاری بالای آن‌ها ویسکوزیته مذاب را فراتر از محدوده قابل چرخش افزایش می‌دهد، و محتوای معدنی می‌تواند باعث شکستن رشته در طول کشیدن شود.

رویکرد ارجح برای مستربچ فیبر PP FR از ترکیبات فسفینات و سیانورات ملامین (MC) در بارگیری کل FR 6 تا 15٪ استفاده می کند - به اندازه کافی کم برای حفظ کشش فیبر و در عین حال دستیابی به عملکرد آتش معنی دار. این رویکرد مقادیر LOI را بالاتر از 28٪ و رتبه های قبولی را تحت DIN 4102-1 (طبقه بندی B) و FMVSS 302 (تست سوختگی داخلی خودرو) در سطوح بارگذاری عملی نشان داده است. نیاز کلیدی پردازش این است که مستربچ FR باید با توزیع اندازه ذرات بسیار ریز تولید شود - به طور ایده آل اندازه ذرات اولیه زیر 5 میکرون برای جزء فسفینات - برای جلوگیری از شکستن فیبر در اسپینر و حفظ استحکام کششی رشته. هنگام تعیین مستربچ FR برای فیبر PP یا خط نبافته، همیشه داده های توزیع اندازه ذرات را درخواست کنید و تأیید کنید که محصول در محیط ریسندگی مذاب آزمایش شده است، نه فقط در قالب گیری تزریقی.

جایی که مستربچ بازدارنده شعله برای PP استفاده می شود - صنعت به صنعت

چشم انداز کاربرد پلی پروپیلن اصلاح شده با FR گسترده است، اما هر بخش صنعتی دارای اولویت های عملکردی متمایز است که بر سیستم مستربچ تأثیر می گذارد.

برق و الکترونیک

جعبه‌های اتصال، سیستم‌های مدیریت کابل، محفظه‌های خروجی، و اجزای دستگاه ساخته‌شده از PP نیاز به رتبه‌بندی V-2 یا V-0 و به طور فزاینده‌ای به انطباق با دمای احتراق سیم برق (GWIT) دارند – معمولاً ۷۵۰ درجه سانتی‌گراد برای لوازم الکترونیکی مصرفی. مستربچ های بروم دار از لحاظ تاریخی بر این بخش تسلط داشته اند، اما تقاضای بدون هالوژن در بین برندهای الکترونیک سطح 1 به سرعت در حال رشد است. مستربچ های هم افزایی P/N و سیستم های IFR که می توانند GWIT 750 درجه سانتی گراد را در کنار V-0 UL 94 برآورده کنند، جایگزین های اصلی بدون هالوژن هستند که برای کاربردهای اتصال دهنده و محفظه ارزیابی می شوند.

خودرو

تزئینات داخلی، اجزای زیرپوش، پوشش باتری (مخصوصاً برای پلتفرم های EV)، و مجرای سیمی در خودروها از کاربردهای اولیه PP FR هستند. مشخصات OEM خودرو اغلب به FMVSS 302 (یک آزمایش سوختگی افقی با محدودیت سرعت سوختن 102 میلی‌متر در دقیقه) در کنار UL 94 اشاره می‌کند و به طور فزاینده‌ای به مواد بدون هالوژن در تمام پلاستیک‌های داخلی برای کاهش انتشار گازهای سمی در آتش‌سوزی خودرو نیاز دارد. مستربچ‌های FR مبتنی بر IFR و P/N برای کوپلیمرهای ضربه‌ای PP، جهت ترجیحی برای ترکیب‌کننده‌های خودرویی هستند که هم ایمنی آتش و هم رعایت پایداری را هدف قرار می‌دهند.

ساخت و ساز و مصالح ساختمانی

غشاهای سقف PP، عایق لوله، روکش پانل های دیوار و ژئوتکستایل های نبافته نیاز به طبقه بندی آتش تحت EN 13501 (اروپا) یا ASTM E84 (آمریکای شمالی) دارند. این استانداردها شاخص گسترش شعله و شاخص توسعه دود را ارزیابی می‌کنند، نه فقط رفتار سوختگی عمودی UL 94 - به این معنی که سیستم‌های IFR که دود کم و انتشار محدود شعله ایجاد می‌کنند به شدت نسبت به درجه‌های هالوژنه‌ای که در UL 94 عملکرد خوبی دارند، اما در شرایط آتش واقعی گازهای خورنده و سمی تولید می‌کنند، ترجیح داده می‌شوند.

بسته بندی

PP بازدارنده شعله در ورق های راه راه، ظروف ذخیره سازی و بسته بندی های حمل و نقل الکترونیکی و کالاهای خطرناک که در آن مقررات ایمنی آتش سوزی یا مشخصات مشتری اعمال می شود، استفاده می شود. این یک بخش حساس به هزینه است که در آن عملکرد متوسط ​​V-2 در نسبت‌های پایین‌تر (2 تا 5%) معمولاً کافی است و مستربچ‌های برومه یا P/N با بارگذاری کم را به انتخاب عملی تبدیل می‌کنند.

پارامترهای پردازشی که تعیین می کنند مستربچ FR شما کار می کند یا خیر

مستربچ FR برای PP نسبت به مستربچ های استاندارد رنگی یا UV نسبت به تنوع فرآیند کمتر قابل بخشش است. پنجره باریک دمای پردازش، حساسیت بالای شیمی IFR به تاریخچه برشی و حرارتی، و تمایل PP به تخریب در شرایط اکسیداتیو، همگی نیازمند توجه بیشتر به تنظیمات فرآیند هستند.

مشخصات دما

برای ترکیبات مبتنی بر IFR، تمام مناطق بشکه را زیر 230 درجه سانتیگراد و قالب را زیر 220 درجه سانتیگراد نگه دارید. یک بررسی مفید: اگر بوی آمونیاک را در قالب استشمام کردید، MCA یا APP زودتر از موعد در بشکه تجزیه می شود - دما را 10 تا 15 درجه سانتی گراد کاهش دهید و مناطق مرده را که در آن مواد بیش از حد طولانی باقی مانده است بررسی کنید. برای مستربچ های برم دار، سقف کمی بالاتر است (تا 250 درجه سانتیگراد) اما HBr خورنده می تواند در صورت بروز تغییرات دما به تجهیزات آسیب برساند، بنابراین حفظ کنترل منطقه ثابت همچنان مهم است.

سرعت پیچ و زمان اقامت

برش بالا برای شکستن آگلومراهای مستربچ و دستیابی به توزیع یکنواخت FR مفید است. با این حال، زمان ماند بیش از حد در دما، هر دو فعال PP و FR را تخریب می کند. هدف عملی برای ترکیب دو پیچی ترکیبات FR-PP، سطح پر کردن بشکه است که اختلاط کامل را بدون ماندگاری طولانی فراهم می‌کند - نظارت بر قوام فشار مذاب به عنوان یک پروکسی برای کیفیت اختلاط. اگر فشار مذاب نوسان داشته باشد، پراکندگی ناهموار است و عملکرد FR از شات به شات ناسازگار خواهد بود.

مستربچ پیش خشک کردن

PP به خودی خود رطوبت سنجی نیست، اما بسیاری از سیستم های حامل مستربچ FR - به ویژه آنهایی که از شیمی IFR با اجزای معدنی استفاده می کنند - در طول ذخیره سازی رطوبت را جذب می کنند. رطوبت در بشکه باعث ایجاد حفره های بخار، عیوب سطحی و در بدترین حالت با توالی اسید-کربن-گاز می شود که باعث می شود شیمی IFR کار کند. مستربچ FR را در دمای 80 درجه سانتیگراد به مدت 2 تا 4 ساعت قبل از پردازش در یک خشک کن رطوبت گیر از قبل خشک کنید و موجودی کیسه ها را در انبارهای بسته شده و تحت کنترل آب و هوا بین دوره های تولید نگهداری کنید.

مطابقت با الزامات انطباق با سیستم FR راست

الزامات نظارتی و انطباق مشتری اغلب نقطه شروع - نه نقطه پایان - انتخاب مستربچ FR برای PP است. جدول زیر متداول ترین الزامات انطباق با سیستم FR را نشان می دهد که به احتمال زیاد آنها را برآورده می کند:

یک هشدار مهم: اسناد انطباق باید فرمول ترکیبی کامل را پوشش دهد، نه فقط مستربچ را به صورت مجزا. یک تامین‌کننده مستربچ ممکن است یک اعلامیه RoHS برای محصول خود ارائه دهد، اما اگر رنگ‌ها، کمک‌های پردازش یا سایر افزودنی‌هایی که مواد محدود شده را معرفی می‌کنند، اضافه کنید، ترکیب نهایی بدون توجه به وضعیت خود مستربچ مطابقت ندارد. همیشه انطباق را در سطح ترکیب نهایی با اسنادی که همه مواد تشکیل دهنده را پوشش می دهد تأیید کنید.