Analyse et optimisation de la formulation ignifuge pour les revêtements en PVC

Analyse et optimisation de la formulation ignifuge pour les revêtements en PVC

Le client, fabricant de tentes en PVC, souhaite appliquer un revêtement ignifuge. La formule actuelle se compose de 60 parts de résine PVC, 40 parts de TOTM, 30 parts d'hypophosphite d'aluminium (à 40 % de phosphore), 10 parts de MCA, 8 parts de borate de zinc et de dispersants. Cependant, l'efficacité ignifuge est insuffisante et la dispersion des agents ignifuges est également inadéquate. L'analyse des causes et une proposition d'amélioration de la formule sont présentées ci-dessous.

I. Principales raisons de la faible résistance au feu

1. Système ignifuge déséquilibré avec de faibles effets synergiques

• Hypophosphite d'aluminium en excès (30 parties) :
  Bien que l'hypophosphite d'aluminium soit un retardateur de flamme efficace à base de phosphore (40 % de phosphore), un ajout excessif (> 25 parties) peut entraîner :
• Une forte augmentation de la viscosité du système, rendant la dispersion difficile et formant des points chauds agglomérés qui accélèrent la combustion (« effet de mèche »).
• Réduction de la ténacité du matériau et altération des propriétés de formation de film dues à une charge inorganique excessive.
• Teneur élevée en MCA (10 parties) :
  Le MCA (à base d'azote) est généralement utilisé comme synergiste. Lorsque le dosage dépasse 5 parties, il a tendance à migrer en surface, saturant l'efficacité du retardateur de flamme et pouvant interférer avec d'autres retardateurs de flamme.
• Manque de synergistes clés :
  Bien que le borate de zinc ait des effets de suppression de fumée, l'absence de composés à base d'antimoine (par exemple, le trioxyde d'antimoine) ou d'oxyde métallique (par exemple, l'hydroxyde d'aluminium) empêche la formation d'un système synergique « phosphore-azote-antimoine », ce qui entraîne une ignifugeance en phase gazeuse insuffisante.

2. Inadéquation entre le choix du plastifiant et les objectifs de retardement de flamme

• Le TOTM (trioctyl trimellitate) possède des propriétés ignifuges limitées :
  Le TOTM présente une excellente résistance à la chaleur, mais son efficacité en matière de retardement de flamme est bien moindre que celle des esters de phosphate (par exemple, le TOTP). Pour les applications exigeant une haute résistance au feu, comme les revêtements de tentes, le TOTM ne permet pas d'obtenir une carbonisation et une barrière à l'oxygène suffisantes.
• Quantité totale de plastifiant insuffisante (seulement 40 parties) :
  La résine PVC nécessite généralement 60 à 75 parties de plastifiant pour une plastification complète. Une faible teneur en plastifiant entraîne une viscosité à l'état fondu élevée, aggravant ainsi les problèmes de dispersion du retardateur de flamme.

3. Système de dispersion inefficace entraînant une distribution inégale du retardateur de flamme

• Le dispersant actuel peut être un type à usage général (par exemple, acide stéarique ou cire de PE), qui est inefficace contre les retardateurs de flamme inorganiques à forte concentration (hypophosphite d'aluminium + borate de zinc totalisant 48 parties), ce qui provoque :
• Agglomération de particules ignifuges, créant des points faibles localisés dans le revêtement.
• Mauvaise fluidité de la matière fondue lors du traitement, générant une chaleur de cisaillement qui déclenche une décomposition prématurée.

4. Faible compatibilité entre les retardateurs de flamme et le PVC

• Les matériaux inorganiques comme l'hypophosphite d'aluminium et le borate de zinc présentent des différences de polarité importantes avec le PVC. Sans modification de surface (par exemple, par des agents de couplage silane), une séparation de phases se produit, réduisant ainsi l'efficacité ignifuge.

II. Approche de conception de base

1. Remplacer le plastifiant primaire par du TOTP

• Tirez parti de son excellente résistance intrinsèque au feu (teneur en phosphore ≈9%) et de son effet plastifiant.

2. Optimiser les ratios et la synergie des retardateurs de flamme

• Conserver l’hypophosphite d’aluminium comme principale source de phosphore, mais réduire considérablement son dosage afin d’améliorer la dispersion et de minimiser « l’effet de mèche ».
• Conserver le borate de zinc comme synergiste clé (favorisant la carbonisation et la suppression de la fumée).
• Conserver le MCA comme synergiste de l'azote, mais réduire son dosage pour éviter sa migration.
• Introduirehydroxyde d'aluminium ultrafin (ATH)en tant que composant multifonctionnel :
• Ignifugation :Décomposition endothermique (déshydratation), refroidissement et dilution des gaz inflammables.
• Suppression de la fumée :Réduit considérablement la production de fumée.
• Remplissage :Réduit les coûts (comparativement aux autres retardateurs de flamme).
• Dispersion et fluidité améliorées (grade ultrafin) :Plus facile à disperser que l'ATH conventionnel, minimisant ainsi l'augmentation de la viscosité.

3. Des solutions efficaces aux problèmes de dispersion

• Augmenter significativement la teneur en plastifiant :Assurer une plastification complète du PVC et réduire la viscosité du système.
• Utiliser des superdispersants à haute efficacité :Spécialement conçu pour les poudres inorganiques à forte charge et facilement agglomérantes (hypophosphite d'aluminium, ATH).
• Optimiser le processus (le prémélange est essentiel) :Assurer un mouillage et une dispersion complets des retardateurs de flamme.

4. Garantir la stabilité du traitement de base

• Ajouter suffisamment de stabilisateurs thermiques et de lubrifiants appropriés.

III. Formule révisée du PVC ignifuge

IV. Formules et points clés

1. TOTP est la base fondamentale

• 65 à 75 piècesassure :
• Plastification complète : le PVC nécessite une quantité suffisante de plastifiant pour la formation d'un film souple et continu.
• Réduction de la viscosité : essentielle pour améliorer la dispersion des retardateurs de flamme inorganiques à forte concentration.
• Ignifugation intrinsèque : le TOTP est lui-même un plastifiant ignifuge très efficace.

2. Synergie ignifuge

• Synergie PNB-Al :L'hypophosphite d'aluminium (P) et le MCA (N) assurent une synergie PN de base. Le borate de zinc (B, Zn) améliore la carbonisation et la réduction des fumées. L'ATH (Al) ultrafin procure un refroidissement endothermique important et contribue également à la réduction des fumées. Le TOTP apporte du phosphore. L'ensemble forme un système synergique multi-éléments.
• Le rôle d'ATH :L'ajout de 25 à 35 parties d'ATH ultrafin contribue fortement à l'ignifugation et à la réduction des fumées. Sa décomposition endothermique absorbe la chaleur, tandis que la vapeur d'eau libérée dilue l'oxygène et les gaz inflammables.L'ATH ultrafin et traité en surface est essentielafin de minimiser l'impact de la viscosité et d'améliorer la compatibilité avec le PVC.
• Hypophosphite d'aluminium réduit :Diminué de 30 à 15-20 parties pour alléger la charge du système tout en maintenant l'apport en phosphore.
• MCA réduit :Réduit de 10 à 4-6 parties pour éviter la migration.

3. Solution de dispersion – Essentielle à la réussite

• Superdispersant (3 à 4 parties) :Indispensable pour la manipulation du système à charge élevée (50 à 70 parties de charges inorganiques au total !), difficile à disperser (hypophosphite d'aluminium + ATH ultrafin + borate de zinc).Les dispersants ordinaires (par exemple, le stéarate de calcium, la cire PE) sont insuffisants !Investissez dans des superdispersants à haute efficacité et utilisez-les en quantités adéquates.
• Teneur en plastifiant (65 à 75 parties) :Comme indiqué ci-dessus, cela réduit la viscosité globale, créant ainsi un environnement plus favorable à la dispersion.
• Lubrifiants (1 à 2 parties) :L'association de lubrifiants internes et externes assure une bonne fluidité lors du mélange et de l'enrobage, évitant ainsi l'adhérence.

4. Traitement – ​​Protocole de prémélange strict

• Étape 1 (Mélange à sec de poudres inorganiques) :
• Ajouter l'hypophosphite d'aluminium, l'ATH ultrafin, le borate de zinc, le MCA et tous les super-dispersants dans un mélangeur à grande vitesse.
• Mélanger à 80–90 °C pendant 8 à 10 minutes. Objectif : garantir que le superdispersant enrobe complètement chaque particule, brisant ainsi les agglomérats.Le temps et la température sont essentiels !
• Étape 2 (Formation de la boue) :
• Ajoutez la majeure partie du TOTP (par exemple, 70 à 80 %), tous les stabilisateurs thermiques et les lubrifiants internes au mélange de l'étape 1.
• Mélanger à 90–100 °C pendant 5 à 7 minutes pour obtenir une suspension ignifuge homogène et fluide. S'assurer que les poudres sont entièrement humidifiées par les plastifiants.
• Étape 3 (Ajouter le PVC et les composants restants) :
• Ajouter la résine PVC, le TOTP restant, les lubrifiants externes (et les antioxydants/stabilisateurs UV, si ajoutés à ce stade).
• Mélanger à 100–110°C pendant 7 à 10 minutes jusqu’à atteindre le « point sec » (fluide, sans grumeaux).Évitez de trop mélanger pour prévenir la dégradation du PVC.
• Refroidissement:Décharger et refroidir le mélange à <50°C pour éviter la formation de grumeaux.

5. Traitement ultérieur

• Utiliser le mélange sec refroidi pour le calandrage ou le revêtement.
• Contrôler strictement la température de traitement (température de fusion recommandée ≤170–175°C) pour éviter la défaillance du stabilisateur ou la décomposition prématurée des retardateurs de flamme (par exemple, ATH).

V. Résultats attendus et précautions

• Ignifugation :Comparée à la formule originale (TOTM + hypophosphite d'aluminium/MCA à haute teneur), cette formule révisée (TOTP + rapports P/N/B/Al optimisés) devrait améliorer significativement la résistance au feu, notamment en termes de combustion verticale et de réduction des fumées. Normes cibles : CPAI-84 pour les tentes. Test clé : ASTM D6413 (combustion verticale).
• Dispersion:Un superdispersant associé à un plastifiant à haute concentration et à un prémélange optimisé devrait grandement améliorer la dispersion, réduisant ainsi l'agglomération et améliorant l'uniformité du revêtement.
• Faisabilité :Un TOTP et des lubrifiants adéquats devraient assurer un traitement sans encombre, mais il convient de surveiller la viscosité et l'adhérence pendant la production proprement dite.
• Coût:Le TOTP et les superdispersants sont coûteux, mais l'hypophosphite d'aluminium réduit et le MCA permettent de compenser une partie de ces coûts. L'ATH est relativement peu coûteux.

Rappels importants :

• Des essais à petite échelle d'abord !Effectuer des tests en laboratoire et ajuster en fonction des matériaux réels (en particulier les performances de l'ATH et du superdispersant) et de l'équipement.
• Sélection des matériaux :
• ATH :Il est impératif d'utiliser des grains ultrafins (D50 ≤ 2 µm) traités en surface (par exemple, au silane). Consultez vos fournisseurs pour obtenir des recommandations concernant la compatibilité avec le PVC.
• Superdispersants :Il est impératif d'utiliser des produits à haute efficacité. Informez les fournisseurs de l'application (PVC, charges inorganiques à haute teneur, retardateurs de flamme sans halogène).
• TOTP :Garantir une qualité élevée.
• Essai:Effectuer des tests rigoureux de résistance au feu conformément aux normes cibles. Évaluer également la résistance au vieillissement et à l'eau (essentielle pour les tentes d'extérieur !). Les stabilisateurs UV et les antioxydants sont indispensables.

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