Analisis dan Optimasi Formulasi Tahan Api untuk Pelapis PVC

Analisis dan Optimasi Formulasi Tahan Api untuk Pelapis PVC

Klien memproduksi tenda PVC dan perlu menerapkan lapisan tahan api. Formula saat ini terdiri dari 60 bagian resin PVC, 40 bagian TOTM, 30 bagian aluminium hipofosfit (dengan kandungan fosfor 40%), 10 bagian MCA, 8 bagian seng borat, beserta dispersan. Namun, kinerja tahan apinya buruk, dan dispersi bahan tahan apinya juga tidak memadai. Berikut adalah analisis alasan dan usulan penyesuaian formula.

I. Alasan Utama untuk Ketahanan Api yang Buruk

1. Sistem Penghambat Api yang Tidak Seimbang dengan Efek Sinergis yang Lemah

• Aluminium hipofosfit berlebih (30 bagian):
  Meskipun aluminium hipofosfit merupakan penghambat api berbasis fosfor yang efisien (kandungan fosfor 40%), penambahan yang berlebihan (>25 bagian) dapat menyebabkan:
• Peningkatan viskositas sistem yang tajam, membuat penyebaran menjadi sulit dan membentuk titik panas yang menggumpal yang mempercepat pembakaran (“efek sumbu”).
• Berkurangnya ketangguhan material dan terganggunya sifat pembentuk film akibat bahan pengisi anorganik yang berlebihan.
• Kandungan MCA tinggi (10 bagian):
  MCA (berbasis nitrogen) biasanya digunakan sebagai sinergis. Ketika dosisnya melebihi 5 bagian, zat ini cenderung bermigrasi ke permukaan, menjenuhkan efisiensi penghambat api dan berpotensi mengganggu penghambat api lainnya.
• Kurangnya sinergis utama:
  Meskipun seng borat memiliki efek penekan asap, tidak adanya senyawa berbasis antimon (misalnya, antimon trioksida) atau oksida logam (misalnya, aluminium hidroksida) mencegah pembentukan sistem sinergis “fosfor-nitrogen-antimon”, sehingga mengakibatkan kurangnya penghambatan nyala fase gas.

2. Ketidaksesuaian antara Pemilihan Plasticizer dan Tujuan Penghambat Api

• TOTM (trioctyl trimellitate) memiliki ketahanan api yang terbatas:
  TOTM unggul dalam ketahanan panas tetapi jauh kurang efektif dalam penghambatan api dibandingkan dengan ester fosfat (misalnya, TOTP). Untuk aplikasi dengan ketahanan api tinggi seperti pelapis tenda, TOTM tidak dapat memberikan kemampuan pengarangan dan penghalang oksigen yang memadai.
• Total plasticizer tidak mencukupi (hanya 40 bagian):
  Resin PVC biasanya membutuhkan 60–75 bagian plasticizer untuk mencapai plastisisasi penuh. Kandungan plasticizer yang rendah menyebabkan viskositas leleh yang tinggi, yang semakin memperparah masalah dispersi penghambat api.

3. Sistem Dispersi yang Tidak Efektif Menyebabkan Distribusi Penghambat Api yang Tidak Merata

• Dispersan saat ini mungkin merupakan jenis serbaguna (misalnya, asam stearat atau lilin PE), yang tidak efektif untuk penghambat api anorganik beban tinggi (aluminium hipofosfit + seng borat dengan total 48 bagian), yang menyebabkan:
• Penggumpalan partikel penghambat api, menciptakan titik lemah lokal pada lapisan.
• Aliran lelehan yang buruk selama pemrosesan, menghasilkan panas geser yang memicu dekomposisi dini.

4. Kompatibilitas yang Buruk Antara Penghambat Api dan PVC

• Bahan anorganik seperti aluminium hipofosfit dan seng borat memiliki perbedaan polaritas yang signifikan dengan PVC. Tanpa modifikasi permukaan (misalnya, agen penggandeng silana), terjadi pemisahan fasa, yang mengurangi efisiensi penghambat api.

II. Pendekatan Desain Inti

1. Ganti Plasticizer Primer dengan TOTP

• Memanfaatkan ketahanan api intrinsiknya yang sangat baik (kandungan fosfor ≈9%) dan efek plastisisasi.

2. Optimalkan Rasio Penghambat Api dan Sinergi

• Pertahankan aluminium hipofosfit sebagai sumber inti fosfor tetapi kurangi dosisnya secara signifikan untuk meningkatkan dispersi dan meminimalkan “efek sumbu.”
• Pertahankan seng borat sebagai sinergis utama (meningkatkan pembakaran dan penekanan asap).
• Pertahankan MCA sebagai sinergis nitrogen tetapi kurangi dosisnya untuk mencegah migrasi.
• Memperkenalkanaluminium hidroksida ultrahalus (ATH)sebagai komponen multifungsi:
• Tahan api:Dekomposisi endotermik (dehidrasi), pendinginan, dan pengenceran gas yang mudah terbakar.
• Penekanan asap:Mengurangi timbulnya asap secara signifikan.
• Pengisi:Menurunkan biaya (dibandingkan dengan bahan penghambat api lainnya).
• Peningkatan dispersi dan aliran (kelas ultrafine):Lebih mudah didispersikan daripada ATH konvensional, meminimalkan peningkatan viskositas.

3. Solusi Kuat untuk Masalah Dispersi

• Meningkatkan kandungan plasticizer secara signifikan:Pastikan plastisisasi PVC penuh dan kurangi viskositas sistem.
• Gunakan super-dispersan efisiensi tinggi:Dirancang khusus untuk bubuk anorganik berbeban berat dan mudah menggumpal (aluminium hipofosfit, ATH).
• Optimalkan pemrosesan (pencampuran awal sangat penting):Pastikan pembasahan dan penyebaran bahan penghambat api dilakukan secara menyeluruh.

4. Pastikan Stabilitas Pemrosesan Dasar

• Tambahkan penstabil panas yang cukup dan pelumas yang sesuai.

III. Formula PVC Tahan Api yang Direvisi

IV. Catatan Rumus dan Poin-Poin Penting

1. TOTP adalah Fondasi Inti

• 65–75 bagianmemastikan:
• Plastisisasi penuh: PVC membutuhkan plasticizer yang cukup untuk pembentukan film yang lembut dan berkesinambungan.
• Pengurangan viskositas: Penting untuk meningkatkan penyebaran zat penghambat api anorganik berbeban tinggi.
• Ketahanan api intrinsik: TOTP sendiri merupakan plasticizer penghambat api yang sangat efektif.

2. Sinergi Penghambat Api

• Sinergi PNB-Al:Aluminium hipofosfit (P) + MCA (N) memberikan sinergi basa PN. Seng borat (B, Zn) meningkatkan pembakaran dan pengurangan asap. ATH (Al) ultrafine memberikan pendinginan endotermik dan pengurangan asap yang masif. TOTP juga menyumbang fosfor. Hal ini menciptakan sistem sinergis multi-elemen.
• Peran ATH:25–35 bagian ATH ultrafine merupakan kontributor utama penghambat api dan pemadaman asap. Dekomposisi endotermiknya menyerap panas, sementara uap air yang dilepaskan mengencerkan oksigen dan gas yang mudah terbakar.ATH yang sangat halus dan dirawat permukaannya sangat pentinguntuk meminimalkan dampak viskositas dan meningkatkan kompatibilitas PVC.
• Aluminium hipofosfit tereduksi:Diturunkan dari 30 menjadi 15–20 bagian untuk meringankan beban sistem sambil mempertahankan kontribusi fosfor.
• MCA yang dikurangi:Diturunkan dari 10 menjadi 4–6 bagian untuk mencegah migrasi.

3. Solusi Dispersi – Penting untuk Keberhasilan

• Super-dispersan (3–4 bagian):Penting untuk menangani beban tinggi (total 50–70 bagian pengisi anorganik!), sistem yang sulit didispersikan (aluminium hipofosfit + ATH ultrahalus + seng borat).Dispersan biasa (misalnya kalsium stearat, lilin PE) tidak mencukupi!Berinvestasilah pada super-dispersan efisiensi tinggi dan gunakan dalam jumlah yang cukup.
• Kandungan plasticizer (65–75 bagian):Seperti di atas, mengurangi viskositas keseluruhan, menciptakan lingkungan yang lebih baik untuk dispersi.
• Pelumas (1–2 bagian):Kombinasi pelumas internal/eksternal memastikan aliran yang baik selama pencampuran dan pelapisan, mencegah lengket.

4. Pengolahan – Protokol Pra-Pencampuran yang Ketat

• Langkah 1 (Campuran bubuk anorganik kering):
• Tambahkan aluminium hipofosfit, ATH ultrahalus, seng borat, MCA, dan semua super-dispersan ke dalam mixer berkecepatan tinggi.
• Aduk pada suhu 80–90°C selama 8–10 menit. Tujuan: Memastikan super-dispersan melapisi setiap partikel secara menyeluruh, memecah aglomerat.Waktu dan suhu sangatlah penting!
• Langkah 2 (Pembentukan bubur):
• Tambahkan sebagian besar TOTP (misalnya, 70–80%), semua penstabil panas, dan pelumas internal ke dalam campuran dari Langkah 1.
• Aduk pada suhu 90–100°C selama 5–7 menit hingga membentuk bubur tahan api yang seragam dan mudah mengalir. Pastikan bubuk terbasahi sepenuhnya oleh plasticizer.
• Langkah 3 (Tambahkan PVC dan komponen yang tersisa):
• Tambahkan resin PVC, sisa TOTP, pelumas eksternal (dan antioksidan/penstabil UV, jika ditambahkan pada tahap ini).
• Campur pada suhu 100–110°C selama 7–10 menit hingga mencapai “titik kering” (mengalir bebas, tidak ada gumpalan).Hindari pencampuran yang berlebihan untuk mencegah degradasi PVC.
• Pendinginan:Buang dan dinginkan campuran hingga <50°C untuk mencegah penggumpalan.

5. Pemrosesan Selanjutnya

• Gunakan campuran kering yang didinginkan untuk kalenderisasi atau pelapisan.
• Kontrol suhu pemrosesan secara ketat (suhu leleh yang disarankan ≤170–175°C) untuk menghindari kegagalan stabilisator atau dekomposisi dini bahan penghambat api (misalnya, ATH).

V. Hasil yang Diharapkan dan Tindakan Pencegahan

• Tahan api:Dibandingkan dengan formula asli (TOTM + aluminium hipofosfit/MCA tinggi), formula revisi ini (TOTP + rasio P/N/B/Al yang dioptimalkan) akan meningkatkan ketahanan api secara signifikan, terutama dalam kinerja pembakaran vertikal dan pemadaman asap. Standar target seperti CPAI-84 untuk tenda. Uji kunci: ASTM D6413 (pembakaran vertikal).
• Penyebaran:Super-dispersant + plasticizer tinggi + pra-pencampuran yang dioptimalkan akan meningkatkan dispersi secara signifikan, mengurangi penggumpalan dan meningkatkan keseragaman pelapisan.
• Kemampuan proses:TOTP dan pelumas yang memadai harus memastikan kelancaran pemrosesan, tetapi memantau viskositas dan lengket selama produksi aktual.
• Biaya:TOTP dan super-dispersan memang mahal, tetapi aluminium hipofosfit dan MCA yang direduksi dapat mengimbangi sebagian biaya. ATH relatif murah.

Pengingat Penting:

• Uji coba skala kecil terlebih dahulu!Uji di lab dan sesuaikan berdasarkan bahan aktual (terutama kinerja ATH dan super-dispersant) dan peralatan.
• Pemilihan bahan:
• ATH:Harus menggunakan grade ultrafine (D50 ≤2µm) yang telah diberi perlakuan permukaan (misalnya, silana). Hubungi pemasok untuk rekomendasi yang kompatibel dengan PVC.
• Super-dispersan:Harus menggunakan jenis yang berefisiensi tinggi. Beri tahu pemasok tentang aplikasinya (PVC, pengisi anorganik beban tinggi, penghambat api bebas halogen).
• TOTP:Pastikan kualitas tinggi.
• Pengujian:Lakukan uji ketahanan api yang ketat sesuai standar target. Evaluasi juga ketahanan terhadap penuaan/air (penting untuk tenda luar ruangan!). Penstabil UV dan antioksidan sangat penting.

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