Flammehemmende (FR) tilsetningsstoffer for polymerdispersjoner som PVAC (polyvinylacetat), styren-butadien (SBR), styrenakryl (SAE), rene akryltyper og VAE (vinylacetatetylen) fokuserer vanligvis på halogenfrie, giftfrie og vannkompatible systemer siden disse bindemidlene først og fremst brukes i vannbaserte belegg og lim.
Flammehemmende tilsetningsstoffer for polymerdispergeringer
Målet med disse tilsetningsstoffene er å avbryte forbrenningssyklusen, vanligvis ved å danne en beskyttende forkullingsbarriere eller frigjøre ikke-brennbare gasser. De vanligste typene tilsetningsstoffer for disse vannbaserte systemene er uorganisk og svellende typer:
| Tilsetningsstoffklasse | Eksempler | Mekanisme | Kompatibilitet | Gjeldende dispersjoner |
| Uorganiske hydroksider | Aluminiumtrihydrat (ATH), magnesiumhydroksid (Mg(OH)2 eller MH) | Endoterm nedbrytning, frigjør vanndamp som kjøler ned flammen og fortynner brennbare gasser. Fungerer som fyllstoff og røykdempende middel. | Utmerket kompatibilitet, giftfri og miljøvennlig. | PVAC, VAE, styrenakryl, ren akryl, SBR. VAE er angitt som kompatibel med ATH og MH. |
| Selvoppsvulmende systemer | Ammoniumpolyfosfat (APP), pentaerytritol, melamin. Brukes ofte i synergi med andre midler som Ekspanderbar grafitt (EG). | Danner en oppsvulmet, isolerende røyelag (intumescens) ved oppvarming, noe som fungerer som en fysisk barriere mot varme- og oksygenoverføring. | Krever nøye formulering for å sikre dispersjonsstabilitet og filmens endelige integritet. APP/EG-systemer viser utmerket synergi. | Spesielt effektivt for Styrenakryl (SAE) for å oppnå høy FR-klassifisering (f.eks. UL-94 V-0). Brukes på tvers av alle typer. |
| Fosfor-/nitrogenbasert | Ulike halogenfrie vannbaserte brannhemmere (f.eks. spesifikke flytende fosfater, Synthro-Nyl type tilsetningsstoffer). | Virker i kondensert fase (fremmer forkulling) og/eller gassfase (radikalslukking). | God kompatibilitet oppnås med spesialiserte vannbaserte formuleringer. | Alle typer, ofte markedsført som halogenfri løsninger. |
| Halogenert FR | F.eks. bromerte forbindelser. | Frigjør halogenradikaler i gassfasen og slukker flammen. | Mindre vanlig nå på grunn av miljø- og toksisitetsproblemer. | Brukes når høy ytelse er avgjørende, men unngås vanligvis i moderne vannbaserte lakker. |
Flammehemmende (FR) tilsetningsstoffer for polymerdispersjoner som PVAC (polyvinylacetat), styren-butadien (SBR), styrenakryl (SAE), rene akryltyper og VAE (vinylacetatetylen) fokuserer vanligvis på halogenfrie, giftfrie og vannkompatible systemer siden disse bindemidlene først og fremst brukes i vannbaserte belegg og lim.
Flammehemmende tilsetningsstoffer for polymerdispergeringer
Målet med disse tilsetningsstoffene er å avbryte forbrenningssyklusen, vanligvis ved å danne en beskyttende forkullingsbarriere eller frigjøre ikke-brennbare gasser. De vanligste typene tilsetningsstoffer for disse vannbaserte systemene er uorganisk og svellende typer:
| Tilsetningsstoffklasse | Eksempler | Mekanisme | Kompatibilitet | Gjeldende dispersjoner |
| Uorganiske hydroksider | Aluminiumtrihydrat (ATH), magnesiumhydroksid (Mg(OH)2 eller MH) | Endoterm nedbrytning, frigjør vanndamp som kjøler ned flammen og fortynner brennbare gasser. Fungerer som fyllstoff og røykdempende middel. | Utmerket kompatibilitet, giftfri og miljøvennlig. | PVAC, VAE, styrenakryl, ren akryl, SBR. VAE er angitt som kompatibel med ATH og MH. |
| Selvoppsvulmende systemer | Ammoniumpolyfosfat (APP), pentaerytritol, melamin. Brukes ofte i synergi med andre midler som Ekspanderbar grafitt (EG). | Danner en oppsvulmet, isolerende røyelag (intumescens) ved oppvarming, noe som fungerer som en fysisk barriere mot varme- og oksygenoverføring. | Krever nøye formulering for å sikre dispersjonsstabilitet og filmens endelige integritet. APP/EG-systemer viser utmerket synergi. | Spesielt effektivt for Styrenakryl (SAE) for å oppnå høy FR-klassifisering (f.eks. UL-94 V-0). Brukes på tvers av alle typer. |
| Fosfor-/nitrogenbasert | Ulike halogenfrie vannbaserte brannhemmere (f.eks. spesifikke flytende fosfater, Synthro-Nyl type tilsetningsstoffer). | Virker i kondensert fase (fremmer forkulling) og/eller gassfase (radikalslukking). | God kompatibilitet oppnås med spesialiserte vannbaserte formuleringer. | Alle typer, ofte markedsført som halogenfri løsninger. |
| Halogenert FR | F.eks. bromerte forbindelser. | Frigjør halogenradikaler i gassfasen og slukker flammen. | Mindre vanlig nå på grunn av miljø- og toksisitetsproblemer. | Brukes når høy ytelse er avgjørende, men unngås vanligvis i moderne vannbaserte lakker. |
Utfordringer i utviklingen av flammehemmende belegg
Utviklingen av effektive flammehemmende belegg byr på flere utfordringer når det gjelder formulering og ytelse:
- Opprettholdelse av fysiske og mekaniske egenskaper: Den høye andelen av flammehemmende tilsetningsstoffer (spesielt mineralske fyllstoffer som ATH/MH eller svellende komponenter) som kreves for effektiv flammehemming, kan negativt påvirke beleggets essensielle egenskaper, som f.eks:
- Mekanisk styrke/fleksibilitet: Redusert elastisitet, økt sprøhet.
- Adhesjon: Redusert bindingsstyrke til underlaget.
- Motstandsdyktighet mot vann/vær: Porøsiteten kan øke, noe som går ut over holdbarheten.
- Kompatibilitet og stabilitet i dispersjoner: FR-tilsetningsstoffet (ofte et fast pulver) må være spres lett og forblir stabile i polymeremulsjonen (dispersjonen) uten å forårsake:
- Koagulering eller flokkulering av polymerpartiklene.
- Avregning eller dårlig lagringsstabilitet.
- Skumming under behandling eller påføring.
- Nødvendig høy belastning: For å oppnå tilstrekkelig brannbeskyttelse må FR-tilsetningsstoffer ofte tilsettes i en høy konsentrasjon (høy belastning), noe som øker kostnadene og forverrer de ovennevnte eiendomskompromissene.
- Miljø- og helseproblemer: Det er en sterk drivkraft i bransjen mot Halogenfri, lite giftig og røykfattig FR-systemer. Det er en stor utfordring å erstatte effektive, men problematiske halogenerte flammehemmere med miljøvennlige alternativer som gir sammenlignbar ytelse.
- Oppnåelse av multifunksjonalitet: Moderne belegg krever ofte multifunksjonalitet (f.eks. flammehemming, korrosjonsbestandighet, selvhelbredende egenskaper, hydrofobicitet). Inkorporering av flere funksjonelle tilsetningsstoffer kan føre til konflikter hvor en egenskap kompromitteres for å oppnå en annen.
Forskjeller i flammehemmende egenskaper innen polymerer
Den iboende brennbarheten til selve basispolymeren påvirker hvilken type og mengde FR-tilsetningsstoff som er nødvendig.
- VAE (vinylacetatetylen):
- Iboende eiendom: VAE har generelt en lavere brennbarhetsindeks enn styrenakryl og styrenbutadien. Dette gjør det forholdsvis enklere og mer økonomisk å formulere med FR-tilsetningsstoffer for å oppfylle brannstandarder.
- Årsak: Tilstedeværelsen av vinylacetat komponenten, som vanligvis brenner mindre kraftig enn aromatiske strukturer, bidrar til den lavere iboende brennbarheten.
- Styren-butadien (SBR) og styren-akryl (SAE):
- Iboende eiendom: Disse polymerene, spesielt SBR og SAE, inneholder styren aromatisk hydrokarbon som er lett antennelig og produserer betydelige mengder røyk og sot når de brennes. De anses å ha en svært høy brennbarhet og en lav begrensende oksygenindeks (LOI).
- FR-krav: Denne høye brennbarheten betyr at de krever mer potente og/eller høyere belastninger av FR-tilsetningsstoffer. Oppsvulmende systemer som APP/EG er spesielt viktig for SAE for å oppnå høy brannklassifisering (f.eks. UL-94 V-0), ettersom de effektivt genererer en forkulling som isolerer det svært brannfarlige grunnmaterialet.
- PVAC (polyvinylacetat) og rene akryltyper:
- Iboende eiendom: Begge er brennbare, men ren akryl og PVAC har en tendens til å ha en iboende brennbarhet et eller annet sted mellom VAE og styrenbaserte polymerer. Rene akrylpolymerer er helt akrylholdige og svært karbonholdige, og selv om de kan ha bedre UV-stabilitet enn styrenholdige polymerer, krever de fortsatt FR-behandling for brannklassifiserte bruksområder. PVAC er kjemisk sett lik vinylacetatdelen av VAE, men uten etylenkomponenten.
- FR-krav: De reagerer lett på de vanligste FR-tilsetningsstoffene (ATH, MH, APP), og den spesifikke formuleringen avhenger i stor grad av brannkravene til det endelige bruksområdet.
Brennbarhetsindeks
Den brennbarhetsindeks er en numerisk mål som indikerer den potensielle brannfaren til et materiale. Den kvantifiserer hvor lett et materiale kan antennes og dets evne til å opprettholde forbrenningen.
En høyere brennbarhetsindeksverdi tilsvarer vanligvis et materiale som er lettere antennelig og utgjør en større brannrisiko.
Viktige kjennetegn
Brennbarhetsindeksen er et resultat av standardiserte branntester og kombinerer flere faktorer knyttet til et materiales brannegenskaper:
- Tenning: Hvor raskt materialet antennes når det utsettes for flamme eller varme.
- Flammespredning: Hvor raskt flammen sprer seg over materialets overflate.
- Varmefaktor/utløsning: Mengden varme som genereres under forbrenning.
- Brenntid: Varigheten materialet fortsetter å brenne etter at tennkilden er fjernet.
Det er viktig å merke seg at begrepet "brennbarhetsindeks" kan referere til forskjellige spesifikke standarder og skalaer, avhengig av land eller bruksområde (f.eks. byggeforskrifter, transport osv.).
Hvordan brennbarhetsindeksen fastsettes
Brennbarhetsindeksen for et materiale bestemmes gjennom standardisert branntesting protokoller. En vanlig metode, som den som er spesifisert i den australske standarden AS 1530.2, bruker en Vertikal forbrenningstest og er vanligvis beregnet på tynne, bøyelige materialer som tekstiler eller sarking (tynne plater som brukes i bygg- og anleggsbransjen).
Testmetoden AS 1530.2
- Forberedelse: En prøve av materialet monteres vertikalt på en ramme.
- Tenning: En flamme, ofte fra en varmekilde med ren alkohol, påføres bunnen av materialet i en bestemt periode.
- Måling: Flere kriterier blir observert og målt:
- Flammens høyde: Den maksimale høyden som flammen når.
- Tidspunktet for flammen: Varigheten av flammen på materialet.
- Varmefaktor: Et mål relatert til produsert varme.
- Beregning: Indeksnummeret er en beregnet resultat kombinere disse kriteriene, noe som ofte resulterer i en poengsum som varierer fra 0 til 100selv om spesifikke forskrifter kan kreve en mye lavere poengsum for at et materiale skal anses å være i samsvar med kravene (f.eks. en poengsum på 5 eller 6).
Denne indeksen brukes til å vurdere den potensielle brannfaren til et materiale under tidlig vekst av en brannog gir en kvantitativ måte å sammenligne brennbarheten til ulike materialer på.
Typiske VAE-applikasjoner
Dispersjoner av vinylacetat-etenylen (VAE)-kopolymerer er svært nyttige som bindemiddel i en lang rekke belegg og bruksområder, spesielt der fleksibilitet, sterk vedheft på polare underlag og miljøvennlighet (lav VOC) er viktige krav.
Allsidigheten skyldes innblanding av etylen, som senker polymerens glassovergangstemperatur (Tg), noe som resulterer i en myk, fleksibel film uten behov for eksterne myknere.
Her er en oversikt over beleggene og bruksområdene der VAE er mest nyttig:
1. Arkitektoniske belegg (maling)
VAE er et ledende valg for vannbasert maling, spesielt til innvendig bruk, på grunn av den utmerkede kombinasjonen av ytelse og miljøprofil.
| Applikasjon/produkt | Viktigste VAE-fordel |
| Innvendig veggmaling (flat og halvblank) | Lav lukt og lav VOC: VAE er en viktig komponent i miljøvennlige og utslippsfrie malinger. |
| Interiørmaling med høy ytelse | Utmerket skrubbebestandighet: Gir en slitesterk film som tåler rengjøring og vask. |
| Filmdannelse ved lave temperaturer | VAE kan danne en kontinuerlig, holdbar film ved temperaturer nær 0∘C uten behov for tilsatte koalescerende løsemidler. |
| God skjuleevne (opasitet) | Bidrar til malingens evne til å dekke den underliggende overflaten effektivt, noe som ofte gjør det mulig å redusere innholdet av titandioksid. |
| Teksturerte belegg | Gir holdbarhet og fleksibilitet for tykkere, strukturerte overflater. |
| Utvendig veggbelegg | Tilbyr gode vannbestandighet og vedheft, selv om noen avanserte utvendige bruksområder kan foretrekke andre polymerer for bedre UV-bestandighet. |
2. Konstruksjon og byggematerialer
VAE er mye brukt i flytende emulsjonsform og også som en Redispergerbart polymerpulver (RDP)som blandes med tørrmørtel.
| Applikasjon/produkt | Viktigste VAE-fordel |
| Sementbaserte membraner | Fleksibilitet og sprekkmotstand: Forbedrer elastisiteten til sementbaserte produkter, slik at de bedre kan håndtere bevegelser og forhindre sprekkdannelser. |
| Flislim og fugemasse | Overlegen vedheft: Forbedrer bindingen til ulike underlag og gir bedre styrke og bearbeidbarhet. |
| Reparasjonsmørtel og sparkelmasser | Bøyestyrke og bearbeidbarhet: Forbedrer den mekaniske styrken og gjør materialet lettere å påføre. |
| Betongforsegling og tetningsmidler | Gir sterke, fleksible og vannbestandige filmer. |
3. Lim
VAEs naturlige polaritet gjør det til et eksepsjonelt bindemiddel for materialer som tre og papir.
| Applikasjon/produkt | Viktigste VAE-fordel |
| Lim for trebearbeiding | Sterk adhesjon til polare substrater: Utmerket vedheft på tre, papir og tekstiler. |
| Lim for emballasje og papir | Rask innstillingshastighet og god våtklebrighet. |
| Lim til gulvbelegg | Gir fleksibilitet og motstandsdyktighet mot fuktighet. |
4. Tekstiler og fiberduk
VAE-dispersjoner brukes som bindemiddel og overflatebehandling av tekstiler.
| Applikasjon/produkt | Viktigste VAE-fordel |
| Behandling av ikke-vevde stoffer (medisinsk, hygiene) | Fungerer som et bindemiddel for å konsolidere løse fibre, noe som forbedrer mekanisk styrke og fleksibilitet. |
| Tekstiltrykk | Fungerer som en pigmentbindemiddel for fargeekthet og vaskemotstand. |
| Teppebakside | Brukes for å binde teppefibrene og gi holdbarhet. |
Viktige ytelsesfordeler med VAE-dispersjoner
Egenskapene til VAE som gjør den så nyttig på disse områdene, er blant annet
- Fleksibilitet og utholdenhet: På grunn av etylenmonomerets interne mykgjørende effekt er filmene svært fleksible og seige uten migrasjon av eksterne mykgjørere.
- Adhesjon: Utmerket heft på en lang rekke underlag, spesielt polare materialer som tre, papir og betong.
- Miljøprofil: Vannbasert, luktsvak og hjelper formulatorer med å oppfylle standarder for lavt innhold av flyktige organiske forbindelser (VOC), noe som ofte eliminerer behovet for koalescerende midler.
- Vannbestandighet: Danner en film med god bestandighet mot vann og alkali.
Reduser eller erstatt ATH-innhold med VAE-dispersjoner
Aluminiumtrihydrat (ATH) er en mye brukt, ikke-halogenert flammehemmer, men det finnes flere alternativer, spesielt når det kreves høyere prosesseringstemperaturer eller når man ønsker andre flammehemmende mekanismer.
De primære alternativene kan grupperes i andre metallhydroksider, andre uorganiske mineraler og ikke-halogenerte organiske forbindelser.
I. Metallhydroksider (samme mekanisme, forskjellig temperatur)
Disse forbindelsene fungerer på samme måte som ATH - de brytes ned endotermt for å absorbere varme og frigjøre vanndamp, noe som kjøler ned materialet og fortynner brennbare gasser.
| Alternativ | Kjemisk formel | Nedbrytningstemperatur | Nøkkelfordel i forhold til ATH | Primære bruksområder |
| Magnesiumhydroksid (MDH) | Mg(OH)2 | ≈300-330∘C | Høyere termisk stabilitet: Kan brukes i polymerer som krever høyere prosesseringstemperaturer, for eksempel polypropylen og polyamider. | Polypropylen, polyamider, tråd og kabel, tekniske termoplaster. |
| Aluminiumoksidhydrat (Böhmit) | AlOOH | ≈320∘C | Høyere termisk stabilitet: Egnet for tekniske termoplaster og fungerer som en synergist med metallfosfinater. | Teknisk termoplast, kretskort. |
Eksportere til regneark
Notat om metallhydroksider: Selv om både ATH og MDH er svært effektive, krever de ofte høye belastningsnivåer i polymeren for å oppnå tilstrekkelig flammehemming, noe som noen ganger kan påvirke materialets mekaniske egenskaper negativt.
II. Andre uorganiske og mineralske flammehemmere
Disse alternativene fungerer ofte som røykdempere, kulldannere eller synergister.
- Sinkborat (ZnB)
- Mekanisme: Multifunksjonell, virker både i faststoff- og gassfasen. Det fremmer dannelsen av en stabilt, glasslignende forkullingslag og virker røykdempende og ettergløddempende. Det kan også frigjøre sitt eget hydratiseringsvann over 290∘C.
- Bruk: Brukes ofte i kombinasjon med andre flammehemmere (inkludert ATH og MDH) for å oppnå en synergistisk effekt, eller som erstatning for antimontrioksid (en halogenert synergist).
- Ekspanderbar grafitt (EG)
- Mekanisme: Det er en svellende materiale. Når det utsettes for varme, utvider det seg betydelig og danner et isolerende lag av forkulling, som beskytter den underliggende polymeren mot varme og oksygen.
- Bruk: Effektivt til å redusere brannfare, og brukes ofte i synergi med andre ikke-halogenerte flammehemmere som ATH eller rød fosfor.
III. Ikke-halogenerte organiske og kjemiske flammehemmere
Disse systemene virker ofte ved å danne et isolerende kullag (intumescens) eller forstyrre forbrenningskjemien.
- Fosforbaserte forbindelser
- Eksempler: Rød fosfor (RP), ammoniumpolyfosfat (APP) og ulike organiske fosfater.
- Mekanisme: De er først og fremst aktive i fast fase ved å fremme dannelsen av en røyelag på polymeroverflaten, som fungerer som en barriere mot varme og oksygen. Noen former kan også frigjøre flyktige fosforforbindelser som fjerner frie radikaler i flammen (gassfasen).
- Nitrogenbaserte forbindelser
- Eksempler: Melamin, melamincyanurat (MCA), dicyandiamid (DICY).
- Mekanisme: De frigjør ofte inerte nitrogengasser når de varmes opp, noe som fortynner oksygenkonsentrasjonen i flammen. De kan også fungere sammen med fosforforbindelser i svellende systemer for å hjelpe til med å danne en røye.
- Selvoppsvulmende systemer
- Mekanisme: Dette er komplekse formuleringer som vanligvis inneholder en syrekilde (f.eks. APP), en karbonkilde og et blåsemiddel. Når de varmes opp, sveller de opp og danner et tykt, beskyttende lag av skummende kull.
Hvilket alternativ som er best, avhenger helt og holdent av det spesifikke bruksområdet, polymeren som brukes, den nødvendige prosesseringstemperaturen og ønsket brannytelse og kostnad.
Norwegian 
English 
German 
French 
Spanish 
Dutch 
Polish 
Czech