Vlamvertragende additieven voor dispersies gebruikt in coatings

Vlamvertragende (FR) additieven voor polymeerdispersies zoals PVAC (polyvinylacetaat), styreen-butadieen (SBR), styreenacrylaten (SAE), zuivere acrylaten en VAE (Vinylacetaat Ethyleen) richten zich meestal op halogeenvrije, niet-giftige en watercompatibele systemen aangezien deze bindmiddelen voornamelijk worden gebruikt in coatings en kleefstoffen op waterbasis.

Vlamvertragende additieven voor polymeerdispersies

Het doel van deze additieven is om de verbrandingscyclus te onderbreken, meestal door een beschermende barrière van houtskool te vormen of door onbrandbare gassen vrij te laten. De meest voorkomende soorten additieven voor deze watergedragen systemen zijn anorganisch en opzwellend soorten:

Klasse additief	Voorbeelden	Mechanisme	Compatibiliteit	Toepasselijke dispersies
Anorganische hydroxiden	Aluminiumtrihydraat (ATH)Magnesiumhydroxide (Mg(OH)2 of MH)	Endotherme ontleding, waarbij waterdamp vrijkomt die de vlam afkoelt en brandbare gassen verdunt. Werkt als vulmiddel en rookonderdrukker.	Uitstekende compatibiliteit, niet giftig, milieuvriendelijk.	PVAC, VAE, styreenacryl, pure acryl, SBR. VAE staat genoteerd als compatibel met ATH en MH.
Opzwellende systemen	Ammonium polyfosfaat (APP)Pentaerythritol, Melamine. Vaak gebruikt in synergie met andere middelen zoals Uitzetbaar grafiet (EG).	Vormt een gezwollen, isolerende char laag (intumescence) bij verhitting, die fungeert als een fysieke barrière voor de overdracht van warmte en zuurstof.	Vereist zorgvuldige formulering voor dispersiestabiliteit en uiteindelijke filmintegriteit. APP/EG-systemen vertonen een uitstekende synergie.	Vooral effectief voor Styreenacryl (SAE) om hoge FR-classificaties te bereiken (bijv. UL-94 V-0). Gebruikt voor alle typen.
Fosfor/stikstof gebaseerd	Diverse halogeenvrije brandvertragers op waterbasis (bijv. specifieke vloeibare fosfaten, Synthro-Nyl type additieven).	Werkt in de gecondenseerde fase (bevordert verkoling) en/of gasfase (radicaal doven).	Goede compatibiliteit wordt bereikt met gespecialiseerde formuleringen op waterbasis.	Alle soorten, vaak op de markt gebracht als halogeenvrij oplossingen.
Gehalogeneerd FR	Bv. broomverbindingen.	Laat halogeenradicalen vrij in de gasfase, waardoor de vlam dooft.	Nu minder gebruikelijk vanwege milieu- en toxiciteitsproblemen.	Wordt gebruikt wanneer hoge prestaties van cruciaal belang zijn, maar wordt over het algemeen vermeden in moderne watergedragen coatings.

Vlamvertragende (FR) additieven voor polymeerdispersies zoals PVAC (polyvinylacetaat), styreen-butadieen (SBR), styreenacrylaten (SAE), zuivere acrylaten en VAE (Vinylacetaat Ethyleen) richten zich meestal op halogeenvrije, niet-giftige en watercompatibele systemen aangezien deze bindmiddelen voornamelijk worden gebruikt in coatings en kleefstoffen op waterbasis.

Vlamvertragende additieven voor polymeerdispersies

Het doel van deze additieven is om de verbrandingscyclus te onderbreken, meestal door een beschermende barrière van houtskool te vormen of door onbrandbare gassen vrij te laten. De meest voorkomende soorten additieven voor deze watergedragen systemen zijn anorganisch en opzwellend soorten:

Klasse additief	Voorbeelden	Mechanisme	Compatibiliteit	Toepasselijke dispersies
Anorganische hydroxiden	Aluminiumtrihydraat (ATH)Magnesiumhydroxide (Mg(OH)2 of MH)	Endotherme ontleding, waarbij waterdamp vrijkomt die de vlam afkoelt en brandbare gassen verdunt. Werkt als vulmiddel en rookonderdrukker.	Uitstekende compatibiliteit, niet giftig, milieuvriendelijk.	PVAC, VAE, styreenacryl, pure acryl, SBR. VAE staat genoteerd als compatibel met ATH en MH.
Opzwellende systemen	Ammonium polyfosfaat (APP)Pentaerythritol, Melamine. Vaak gebruikt in synergie met andere middelen zoals Uitzetbaar grafiet (EG).	Vormt een gezwollen, isolerende char laag (intumescence) bij verhitting, die fungeert als een fysieke barrière voor de overdracht van warmte en zuurstof.	Vereist zorgvuldige formulering voor dispersiestabiliteit en uiteindelijke filmintegriteit. APP/EG-systemen vertonen een uitstekende synergie.	Vooral effectief voor Styreenacryl (SAE) om hoge FR-classificaties te bereiken (bijv. UL-94 V-0). Gebruikt voor alle typen.
Fosfor/stikstof gebaseerd	Diverse halogeenvrije brandvertragers op waterbasis (bijv. specifieke vloeibare fosfaten, Synthro-Nyl type additieven).	Werkt in de gecondenseerde fase (bevordert verkoling) en/of gasfase (radicaal doven).	Goede compatibiliteit wordt bereikt met gespecialiseerde formuleringen op waterbasis.	Alle soorten, vaak op de markt gebracht als halogeenvrij oplossingen.
Gehalogeneerd FR	Bv. broomverbindingen.	Laat halogeenradicalen vrij in de gasfase, waardoor de vlam dooft.	Nu minder gebruikelijk vanwege milieu- en toxiciteitsproblemen.	Wordt gebruikt wanneer hoge prestaties van cruciaal belang zijn, maar wordt over het algemeen vermeden in moderne watergedragen coatings.

---

Uitdagingen bij de ontwikkeling van vlamvertragende coatings

Het ontwikkelen van effectieve vlamvertragende coatings kent verschillende formulerings- en prestatiehindernissen:

1. Behoud van fysische en mechanische eigenschappen: De hoge belasting met FR-additieven (vooral minerale vulstoffen zoals ATH/MH of opzwellende componenten) die nodig is voor effectieve vlamvertraging kan negatieve invloed de essentiële eigenschappen van de coating, zoals:
   • Mechanische sterkte/flexibiliteit: Verminderde elasticiteit, verhoogde broosheid.
   • Hechting: Verminderde hechtsterkte aan de ondergrond.
   • Water-/weersbestendigheid: De porositeit kan toenemen, waardoor de duurzaamheid in het gedrang komt.
2. Verenigbaarheid en stabiliteit in dispersies: Het FR-additief (vaak een vast poeder) moet gemakkelijk verspreid en stabiel blijven binnen de polymeeremulsie (dispersie) zonder deze te veroorzaken:
   • Coagulatie of flocculatie van de polymeerdeeltjes.
   • Afrekenen of slechte stabiliteit bij opslag.
   • Schuimend tijdens verwerking of toepassing.
3. Vereiste hoge belasting: Voor voldoende brandbeveiliging moeten FR-additieven vaak worden toegevoegd op een hoge concentratie (hoge belasting), wat de kosten verhoogt en de hierboven vermelde eigendomscompromissen verergert.
4. Milieu- en gezondheidsproblemen: Er is een sterke industriële drang naar halogeenvrij, weinig giftig en rookarm FR-systemen. Het vervangen van effectieve maar problematische gehalogeneerde vlamvertragers door milieuvriendelijke alternatieven met vergelijkbare prestaties is een grote uitdaging.
5. Multifunctionaliteit bereiken: Moderne coatings vereisen vaak multifunctionaliteit (bijv. vlamvertraging, corrosiebestendigheid, zelfhelend vermogen, waterafstotendheid). Het toevoegen van meerdere functionele additieven kan leiden tot conflicten waarbij de ene eigenschap wordt gecompromitteerd om een andere te bereiken.

---

Verschillen in vlamvertragende eigenschappen binnen polymeren

De inherente ontvlambaarheid van het basispolymeer zelf beïnvloedt het type en de hoeveelheid FR-additief die nodig is.

• VAE (Vinyl Acetaat Ethyleen):
  • Inherent eigendom: VAE heeft over het algemeen een lagere ontvlambaarheidsindex dan styreenacryl en styreenbutadieen. Hierdoor is het relatief eenvoudiger en economischer om te formuleren met FR-additieven om te voldoen aan de brandnormen.
  • Reden: De aanwezigheid van de vinylacetaat component, die doorgaans minder sterk verbrandt dan aromatische structuren, draagt bij tot de lagere inherente ontvlambaarheid.
• Styreen-butadieen (SBR) en styreenacryl (SAE):
  • Inherent eigendom: Deze polymeren, met name SBR en SAE, bevatten het styreen component, een aromatische koolwaterstof die zeer brandbaar is en aanzienlijke rook en roet bij verbranding. Ze worden geacht een zeer licht ontvlambaar en een lage zuurstofgrensindex (LOI).
  • FR Vereiste: Deze hoge ontvlambaarheid betekent dat ze krachtiger en/of hogere ladingen van FR-additieven. Opzwellende systemen zoals APP/EG zijn met name van vitaal belang voor SAE om hoge brandclassificaties te behalen (bijv. UL-94 V-0), omdat ze effectief een houtskool genereren om het licht ontvlambare basismateriaal te isoleren.
• PVAC (polyvinylacetaat) en pure acryl:
  • Inherent eigendom: Beide zijn brandbaar, maar pure acryl en PVAC hebben de neiging om ergens inherent brandbaar te zijn. tussen VAE en polymeren op basis van styreen. Zuivere acrylaten zijn volledig acrylaat en zeer koolstofhoudend. Hoewel ze een betere UV-stabiliteit hebben dan styreenhoudende polymeren, hebben ze nog steeds een FR-behandeling nodig voor brandvertragende toepassingen. PVAC is chemisch vergelijkbaar met het vinylacetaatgedeelte van VAE, maar zonder de ethyleencomponent.
  • FR Vereiste: Ze reageren gemakkelijk op de gebruikelijke FR-additieven (ATH, MH, APP) en de specifieke formulering hangt sterk af van de brandvereisten van de uiteindelijke toepassing.

Brandbaarheidsindex

De brandbaarheidsindex is een numerieke maat die het potentiële brandgevaar van een materiaal aangeeft. Het kwantificeert hoe gemakkelijk een materiaal kan ontbranden en in staat is om de verbranding in stand te houden.

Een hogere ontvlambaarheidsindex komt meestal overeen met een materiaal dat gemakkelijker ontbrandt en een groter brandrisico vormt.

---

Belangrijkste kenmerken

De ontvlambaarheidsindex is het resultaat van gestandaardiseerde brandtesten en combineert meerdere factoren met betrekking tot het brandgedrag van een materiaal:

• Ontsteking: Hoe snel het materiaal ontbrandt bij blootstelling aan een vlam of hitte.
• Vlamverspreiding: Hoe snel de vlam zich verspreidt over het oppervlak van het materiaal.
• Warmte Factor/Vrijkomen: De hoeveelheid warmte die vrijkomt bij verbranding.
• Brandduur: De duur dat het materiaal blijft branden nadat de ontstekingsbron is verwijderd.

Het is belangrijk op te merken dat de term "ontvlambaarheidsindex" kan verwijzen naar verschillende specifieke normen en schalen, afhankelijk van het land of de toepassing (bijv. bouwvoorschriften, transport, enz.).

---

Hoe de ontvlambaarheidsindex wordt bepaald

De ontvlambaarheidsindex voor een materiaal wordt bepaald door gestandaardiseerde brandtesten protocollen. Een veelgebruikte methode, zoals die in de Australische norm AS 1530.2gebruikt een Verticale verbrandingstest en is meestal ontworpen voor dunne, buigzame materialen zoals textiel of sarking (dunne platen die in de bouw worden gebruikt).

De testmethode AS 1530.2

1. Voorbereiding: Een monster van het materiaal wordt verticaal op een frame gemonteerd.
2. Ontsteking: Een vlam, vaak van een pure alcohol warmtebron, wordt gedurende een bepaalde tijd op de basis van het materiaal aangebracht.
3. Meting: Verschillende criteria worden geobserveerd en gemeten:
   • Hoogte van de vlam: De maximale hoogte die de vlam bereikt.
   • Tijdstip van vlammen: De duur van de vlam op het materiaal.
   • Warmtefactor: Een meting met betrekking tot de geproduceerde warmte.
4. Berekening: Het indexnummer is een berekend resultaat het combineren van deze criteria, wat vaak resulteert in een score die varieert van 0 tot 100hoewel specifieke voorschriften een veel lagere score kunnen vereisen om een materiaal als conform te beschouwen (bijv. een score van 5 of 6).

Deze index wordt gebruikt om het potentiële brandgevaar van een materiaal te beoordelen tijdens de vroege groei van een brandDit biedt een kwantitatieve manier om de ontvlambaarheid van verschillende materialen te vergelijken.

Typische VAE-toepassingen

Vinylacetaat-Ethyleen (VAE) copolymeerdispersies zijn uitzonderlijk nuttig als bindmiddel in een grote verscheidenheid aan coatings en toepassingen, vooral waar flexibiliteit, sterke hechting op polaire substraten en milieuvriendelijkheid (lage VOC) zijn belangrijke vereisten.

Hun veelzijdigheid komt voort uit de toevoeging van ethyleen, dat de glasovergangstemperatuur van het polymeer verlaagt (Tg), wat resulteert in een zachte, flexibele film zonder de noodzaak van externe weekmakers.

Hier volgt een overzicht van de coatings en toepassingen waarbij VAE het meest nuttig is:

1. Architecturale deklagen (Verven)

VAE is een toonaangevende keuze voor verven op waterbasis, vooral voor binnentoepassingen, vanwege de uitstekende combinatie van prestaties en milieuprofiel.

Toepassing/Product	Belangrijkste VAE-voordeel
Muurverven voor binnen (vlak en halfglanzend)	Lage geur en lage VOC: VAE is een belangrijk bestanddeel van milieuvriendelijke en emissievrije verven.
Krachtige binnenverven	Uitstekende schrobweerstand: Zorgt voor een duurzame film die bestand is tegen schoonmaken en wassen.
Filmvorming bij lage temperaturen	VAE kan een continue, duurzame film vormen bij temperaturen rond 0∘C zonder de noodzaak van toegevoegde coalescerende oplosmiddelen.
Goed verbergend vermogen (ondoorzichtigheid)	Draagt bij aan het vermogen van de verf om het onderliggende oppervlak effectief te bedekken, waardoor titaniumdioxide vaak kan worden verminderd.
Getextureerde coatings	Biedt duurzaamheid en flexibiliteit voor dikkere afwerkingen met structuur.
Coatings voor buitenmuren	Biedt goed waterbestendigheid en hechting, hoewel sommige hoogwaardige buitentoepassingen de voorkeur kunnen geven aan andere polymeren voor een superieure UV-bestendigheid.

2. Bouw en bouwmaterialen

VAE wordt veel gebruikt in vloeibare emulsievorm en ook als Herdispergeerbaar polymeerpoeder (RDP)die wordt gemengd met droge mortels.

Toepassing/Product	Belangrijkste VAE-voordeel
Cementgebonden membranen	Flexibiliteit en scheurvastheid: Verbetert de elasticiteit van producten op cementbasis, waardoor ze beter bestand zijn tegen beweging en scheurvorming voorkomen.
Tegellijm en voegmiddel	Superieure hechting: Verbetert de hechting op verschillende ondergronden en verbetert de sterkte en verwerkbaarheid.
Reparatiemortel en troffelmortel	Buigsterkte en verwerkbaarheid: Verbetert de mechanische sterkte en maakt het materiaal gemakkelijker aan te brengen.
Betonverzegeling & afdichtmiddelen	Biedt sterke, flexibele en waterbestendige films.

3. Lijmen

De natuurlijke polariteit van VAE maakt het een uitzonderlijk bindmiddel voor materialen als hout en papier.

Toepassing/Product	Belangrijkste VAE-voordeel
Lijmen voor houtbewerking	Sterke hechting aan polaire substraten: Uitstekende hechting op hout, papier en textiel.
Verpakkings- en papierlijmen	Snelle instelsnelheid en goede natte tack.
Kleefstoffen voor vloeren	Biedt flexibiliteit en vochtbestendigheid.

4. Textiel en nonwovens

VAE-dispersies worden gebruikt als bindmiddelen en afwerkingen voor stoffen.

Toepassing/Product	Belangrijkste VAE-voordeel
Verwerking van niet-geweven stof (medisch, hygiëne)	Fungeert als bindmiddel om losse vezels te consolideren en verbetert zo mechanische sterkte en flexibiliteit.
Textiel afdrukken	Werkt als een pigmentbindmiddel voor kleurechtheid en wasbestendigheid.
Tapijtrug	Wordt gebruikt om de tapijtvezels te binden en duurzaamheid te geven.

Belangrijkste prestatievoordelen van VAE-dispersies

De eigenschappen van VAE die het zo nuttig maken in deze gebieden zijn onder andere:

• Flexibiliteit en taaiheid: Door het interne weekmakende effect van het ethyleenmonomeer zijn films zeer flexibel en taai zonder de migratie van externe weekmakers.
• Hechting: Heeft een uitstekende hechting op een breed scala aan substraten, met name op polaire materialen zoals hout, papier en beton.
• Milieuprofiel: Op waterbasis, geurarm en helpt formuleerders te voldoen aan de normen voor lage VOS (vluchtige organische stoffen), waardoor vaak geen coalescentiemiddelen meer nodig zijn.
• Waterbestendigheid: Vormt een film met goede weerstand tegen water en alkali.

ATH-gehalte verminderen of vervangen door VAE-dispersies

Aluminiumtrihydraat (ATH) is een veelgebruikte, niet-gehalogeneerde vlamvertrager, maar er zijn verschillende alternatieven, vooral wanneer hogere verwerkingstemperaturen vereist zijn of wanneer gezocht wordt naar andere vlamvertragende mechanismen.

De primaire alternatieven kunnen worden gegroepeerd in andere metaalhydroxiden, andere anorganische mineralen en niet-gehalogeneerde organische verbindingen.

I. Metaalhydroxiden (hetzelfde mechanisme, verschillende temperatuur)

Deze verbindingen werken op dezelfde manier als ATH - ze ontleden endotherm om warmte te absorberen en waterdamp vrij te laten, waardoor het materiaal afkoelt en brandbare gassen verdund worden.

Alternatief	Chemische formule	Decompositietemperatuur	Belangrijkste voordeel ten opzichte van ATH	Primaire toepassingen
Magnesiumhydroxide (MDH)	Mg(OH)2	≈300-330∘C	Hogere thermische stabiliteit: Kan worden gebruikt in polymeren die hogere verwerkingstemperaturen vereisen, zoals polypropyleen en polyamiden.	Polypropyleen, polyamiden, draad & kabel, engineering thermoplasten.
Aluminiumoxidehydraat (Boehmiet)	AlOOH	≈320∘C	Hogere thermische stabiliteit: Geschikt voor technische thermoplasten en werkt als synergist met metaalfosfinaten.	Technische thermoplasten, printplaten.

Exporteren naar spreadsheets

Notitie over metaalhydroxiden: Hoewel zeer effectief, vereisen zowel ATH als MDH vaak hoge belastingsniveaus in het polymeer om voldoende vlamvertraging te bereiken, wat soms de mechanische eigenschappen van het materiaal negatief kan beïnvloeden.

II. Andere anorganische en minerale vlamvertragers

Deze opties werken vaak als rookonderdrukkers, houtskoolvormers of synergisten.

• Zinkboraat (ZnB)
  • Mechanisme: Multifunctioneel, werkt zowel in de vaste als in de gasfase. Het bevordert de vorming van een stabiele, glasachtige houtskoollaag en werkt rook- en nagloei onderdrukkend. Het kan ook zijn eigen hydratatiewater afgeven boven 290°C.
  • Gebruiken: Vaak gebruikt in combinatie met andere vlamvertragers (inclusief ATH en MDH) voor een synergetisch effect, of als vervanging voor antimoontrioxide (een gehalogeneerde synergist).
• Uitzetbaar grafiet (EG)
  • Mechanisme: Het is een opzwellend materiaal. Wanneer het wordt blootgesteld aan hitte, zet het aanzienlijk uit en vormt het een isolerende laag van houtskool die het onderliggende polymeer afschermt van hitte en zuurstof.
  • Gebruiken: Effectief in het verminderen van brandgevaar, vaak synergetisch gebruikt met andere niet-gehalogeneerde vlamvertragers zoals ATH of rode fosfor.

III. Niet-gehalogeneerde organische en chemische vlamvertragers

Deze systemen werken vaak door het vormen van een isolerende houtskoollaag (intumescence) of door te interfereren met de verbrandingschemie.

• Samenstellingen op basis van fosfor
  • Voorbeelden: Rode fosfor (RP), ammoniumpolyfosfaat (APP) en verschillende organo-fosfaten.
  • Mechanisme: Ze zijn voornamelijk actief in de vaste fase door de vorming van een char laag op het polymeeroppervlak, dat fungeert als barrière tegen hitte en zuurstof. Bij sommige vormen kunnen ook vluchtige fosforverbindingen vrijkomen om vrije radicalen in de vlam (gasfase) te neutraliseren.
• Stikstofverbindingen
  • Voorbeelden: Melamine, melaminecyanuraat (MCA), dicyaandiamide (DICY).
  • Mechanisme: Bij verhitting laten ze vaak inerte stikstofgassen vrij, waardoor de zuurstofconcentratie in de vlam wordt verdund. Ze kunnen ook samenwerken met fosforverbindingen in opzwellende systemen om een char te helpen vormen.
• Opzwellende systemen
  • Mechanisme: Dit zijn complexe formuleringen die meestal een zuurbron (bv. APP), een koolstofbron en een blaasmiddel bevatten. Bij verhitting zwellen ze op om een dikke, beschermende schuimkorstlaag te vormen.

Het beste alternatief hangt volledig af van de specifieke toepassing, het polymeer dat wordt gebruikt, de vereiste verwerkingstemperatuur en de gewenste brandprestaties en kosten.