PVCコーティング用難燃剤配合の分析と最適化

PVCコーティング用難燃剤配合の分析と最適化

お客様はPVCテントを製造しており、難燃コーティングを施す必要があります。現在の配合は、PVC樹脂60部、TOTM40部、次亜リン酸アルミニウム（リン含有量40%）30部、MCA10部、ホウ酸亜鉛8部、そして分散剤で構成されています。しかし、難燃性能が低く、難燃剤の分散も不十分です。以下は、その原因分析と配合変更案です。

I. 難燃性が低い主な理由

1. 相乗効果が弱い不均衡な難燃システム

• 過剰の次亜リン酸アルミニウム（30部）：
  次亜リン酸アルミニウムは、リンベースの有効な難燃剤（リン含有量 40%）ですが、過剰に添加すると（25 部以上）、次のような問題が生じる可能性があります。
• システムの粘度が急激に上昇し、分散が困難になり、燃焼を加速する凝集したホットスポットが形成されます (「ウィック効果」)。
• 過剰な無機充填剤により材料の靭性が低下し、フィルム形成特性が損なわれます。
• 高MCA含有量（10部）：
  MCA（窒素系）は通常、相乗剤として使用されます。使用量が5倍を超えると、MCAは表面に移動し、難燃効果が飽和し、他の難燃剤の効果を妨げる可能性があります。
• 重要な相乗効果の欠如:
  ホウ酸亜鉛には煙を抑制する効果がありますが、アンチモンベース（三酸化アンチモンなど）または金属酸化物（水酸化アルミニウムなど）の化合物が含まれていないため、「リン-窒素-アンチモン」の相乗効果が得られず、ガス相難燃性が不十分になります。

2. 可塑剤の選択と難燃性目標の不一致

• TOTM（トリオクチルトリメリテート）には難燃性に限界があります。
  TOTMは耐熱性に優れていますが、リン酸エステル（例：TOTP）に比べると難燃性ははるかに劣ります。テントコーティングのような高難燃性用途では、TOTMは十分な炭化および酸素バリア性を発揮できません。
• 可塑剤の総量が不足しています（40部のみ）：
  PVC樹脂を完全に可塑化するには、通常60～75部の可塑剤が必要です。可塑剤含有量が少ないと溶融粘度が高くなり、難燃剤の分散性がさらに悪化します。

3. 分散システムの不備により難燃剤の分散が不均一になる

• 現在の分散剤は汎用タイプ（例：ステアリン酸、PEワックス）である可能性があり、高負荷無機難燃剤（次亜リン酸アルミニウム＋ホウ酸亜鉛計48部）には効果がなく、次のような問題を引き起こします。
• 難燃性粒子の凝集により、コーティングに局所的な弱点が生じます。
• 処理中の溶融流動が悪く、せん断熱が発生して早期分解を引き起こします。

4. 難燃剤とPVCの相性が悪い

• 次亜リン酸アルミニウムやホウ酸亜鉛などの無機材料は、PVCとは極性が大きく異なります。表面改質（シランカップリング剤など）を行わないと相分離が発生し、難燃性が低下します。

II. コア設計アプローチ

1. 主可塑剤をTOTPに置き換える

• 優れた固有の難燃性（リン含有量 ≈ 9%）と可塑化効果を活用します。

2. 難燃剤の比率と相乗効果を最適化する

• 次亜リン酸アルミニウムを主要なリン源として保持しますが、分散性を向上させて「ウィック効果」を最小限に抑えるために、その投与量を大幅に削減します。
• 重要な相乗効果（炭化と煙の抑制を促進する）としてホウ酸亜鉛を保持します。
• MCA を窒素相乗剤として保持しますが、移行を防ぐためにその投与量を減らします。
• 導入超微粒子水酸化アルミニウム（ATH）多機能コンポーネントとして:
• 難燃性:可燃性ガスの吸熱分解（脱水）、冷却、希釈。
• 煙抑制：煙の発生を大幅に削減します。
• フィラー:他の難燃剤に比べてコストが低くなります。
• 分散性と流動性の向上（超微粒子グレード）：従来のATHよりも分散しやすく、粘度上昇を最小限に抑えます。

3. 分散問題に対する強力なソリューション

• 可塑剤含有量を大幅に増加:PVC の完全な可塑化を確保し、システムの粘度を低下させます。
• 高効率スーパー分散剤を使用する:高負荷で凝集しやすい無機粉末 (次亜リン酸アルミニウム、ATH) 用に特別に設計されています。
• 処理を最適化します（事前混合が重要）：難燃剤が完全に濡れて分散していることを確認してください。

4. 基本的な処理の安定性を確保する

• 十分な熱安定剤と適切な潤滑剤を追加します。

III. 改良された難燃性PVC配合

IV. 公式の注釈と重要なポイント

1. TOTPはコア基盤です

• 65～75部以下を保証します:
• 完全な可塑化: PVC では、柔らかく連続したフィルムを形成するために十分な可塑剤が必要です。
• 粘度低下：高負荷無機難燃剤の分散性向上に重要です。
• 固有の難燃性: TOTP 自体は非常に効果的な難燃性可塑剤です。

2. 難燃性の相乗効果

• PNB-Al相乗効果:次亜リン酸アルミニウム（P）+MCA（N）は、基本的なPN相乗効果をもたらします。ホウ酸亜鉛（B、Zn）は炭化と煙抑制を強化します。超微粒子ATH（Al）は、強力な吸熱冷却と煙抑制効果をもたらします。TOTPはリンも供給します。これにより、多元素相乗効果システムが形成されます。
• ATHの役割:25～35部の超微粒子ATHは、難燃性と煙抑制に大きく貢献します。吸熱分解により熱を吸収し、放出された水蒸気が酸素と可燃性ガスを希釈します。超微細で表面処理されたATHが重要粘度の影響を最小限に抑え、PVC との適合性を向上させます。
• 還元次亜リン酸アルミニウム：リンの寄与を維持しながらシステム負担を軽減するために、部品数を 30 個から 15 ～ 20 個に減らしました。
• MCA の削減:移行を防ぐために部品数を 10 個から 4 ～ 6 個に減らしました。

3. 分散ソリューション – 成功に不可欠

• 超分散剤（3～4部）高負荷（無機充填剤合計 50 ～ 70 部）、分散しにくいシステム（次亜リン酸アルミニウム + 超微粒子 ATH + ホウ酸亜鉛）の取り扱いに不可欠です。通常の分散剤（例：ステアリン酸カルシウム、PEワックス）では不十分です。高効率のスーパー分散剤に投資し、適切な量を使用してください。
• 可塑剤含有量（65～75部）上記のように、全体的な粘度を低下させ、分散に適した環境を作り出します。
• 潤滑剤（1～2部）内部/外部潤滑剤の組み合わせにより、混合およびコーティング中の良好な流動性が確保され、固着を防止します。

4. 処理 – 厳格な事前混合プロトコル

• ステップ1（無機粉末の乾式混合）：
• 次亜リン酸アルミニウム、超微粒子 ATH、ホウ酸亜鉛、MCA、およびすべての超分散剤を高速ミキサーに加えます。
• 80～90℃で8～10分間混合します。目標：高分散剤が各粒子を完全に覆い、凝集を分散させます。時間と温度が重要です!
• ステップ2（スラリー形成）：
• TOTP の大部分 (例: 70～80%)、すべての熱安定剤、および内部潤滑剤をステップ 1 の混合物に加えます。
• 90～100℃で5～7分間混合し、均一で流動性のある難燃性スラリーを形成します。粉末が可塑剤によって完全に湿潤していることを確認してください。
• ステップ3（PVCと残りのコンポーネントを追加）：
• PVC 樹脂、残りの TOTP、外部潤滑剤（およびこの段階で追加する場合は酸化防止剤/ UV 安定剤）を追加します。
• 乾燥点（自由に流れ、塊がない）に達するまで、100～110℃で7～10分間混ぜます。PVC の劣化を防ぐため、過剰混合は避けてください。
• 冷却：混合物を排出し、固まるのを防ぐため 50°C 未満まで冷却します。

5. その後の処理

• 冷却した乾燥ブレンドをカレンダー加工またはコーティングに使用します。
• 安定剤の故障や難燃剤（ATH など）の早期分解を避けるため、処理温度を厳密に制御してください（推奨溶融温度 ≤170 ～ 175°C）。

V. 期待される結果と注意事項

• 難燃性:従来の配合（TOTM + 高濃度次亜リン酸アルミニウム/MCA）と比較して、この改良配合（TOTP + 最適化されたP/N/B/Al比）は、特に垂直燃焼性能と煙抑制において難燃性を大幅に向上させると予想されます。テント用CPAI-84などの規格を目標としています。主な試験：ASTM D6413（垂直燃焼）。
• 分散：超分散剤 + 高可塑剤 + 最適化された事前混合により、分散性が大幅に向上し、凝集が減少し、コーティングの均一性が向上します。
• 加工性:適切な TOTP と潤滑剤を使用すればスムーズな処理が保証されますが、実際の製造中は粘度と固着を監視する必要があります。
• 料金：TOTPと超分散剤は高価ですが、還元次亜リン酸アルミニウムとMCAによってコストの一部を相殺できます。ATHは比較的低コストです。

重要な注意事項:

• まずは小規模なトライアルから！ラボでテストし、実際の材料（特に ATH と超分散剤の性能）と機器に基づいて調整します。
• 材料の選択:
• 高度:超微粒子（D50 ≤2µm）で表面処理（例：シラン処理）されたグレードを使用してください。PVCとの互換性に関する推奨事項については、サプライヤーにお問い合わせください。
• 超分散剤:高効率タイプを使用する必要があります。用途（PVC、高充填無機フィラー、ハロゲンフリー難燃性）についてサプライヤーに通知してください。
• TOTP:高品質を保証します。
• テスト:目標基準に沿って厳格な難燃性試験を実施します。また、耐老化性／耐水性も評価します（屋外テントでは特に重要です）。紫外線安定剤と酸化防止剤は必須です。

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