TPU浆料涂布体系无卤阻燃配方

TPU浆料涂布体系无卤阻燃配方

针对使用DMF溶剂的TPU浆料涂布体系，若需尝试次磷酸铝（AHP）和硼酸锌（ZB）作为阻燃剂，需系统性评估其适用性。以下是详细分析及实施方案：

一、次磷酸铝（Aluminium Hypophosphite, AHP）的可行性分析

1、阻燃机理与优势

阻燃机理：

高温下分解生成磷酸、偏磷酸，促进TPU成炭，形成保护层（凝聚相阻燃）。

释放PO·自由基，中断燃烧链式反应（气相阻燃）。

优势：

无卤环保，低烟低毒，符合RoHS/REACH标准。

热稳定性较好（分解温度≈300℃），适合TPU涂布后烘干工艺（通常＜150℃）。

2、应用挑战与解决方案

挑战	解决方案
DMF中的分散性差	使用表面改性AHP（如硅烷偶联剂KH-550处理）。预分散工艺：将AHP与DMF、分散剂（如BYK-110）球磨至粒径＜5μm。
高添加量需求（20-30%）	与协效剂复配（如硼酸锌、三聚氰胺氰尿酸盐MCA），降低总添加量至15-20%。
影响涂层透明度	选用纳米级AHP（如粒径＜1μm），或与透明阻燃剂（如有机磷酸酯）复配。

 

3、推荐配方与工艺

配方示例：

TPU/DMF基料：100 phr

表面改性AHP：20 phr

硼酸锌：5 phr（协效抑烟）

分散剂BYK-110：1.5 phr

工艺要点：

将AHP与分散剂、部分DMF预混合，高速剪切（≥3000 rpm）30分钟，再与TPU浆料共混。

涂布后烘干温度建议120-150℃，时间延长10%（确保DMF挥发完全）。

二、硼酸锌（Zinc Borate, ZB）的可行性分析

1、阻燃机理与优势

阻燃机理：

高温下生成B₂O₃玻璃层，隔绝氧气和热量（凝聚相阻燃）。

释放结晶水（≈13%），稀释可燃气体并降温。

优势：

协效性强，与AHP、ATH等复配可提升阻燃效率。

抑烟效果显著，适合对低烟有要求的场景。

2、应用挑战与解决方案

挑战	解决方案
分散稳定性差	选用纳米硼酸锌（如粒径＜500nm）。添加润湿剂（如TegoDispers750W）。
阻燃效率较低（需高添加量）	作为协效剂使用（添加量5-10%），搭配主阻燃剂（如AHP或有机磷系）。
可能降低涂层柔韧性	与增塑剂（如DOP或聚酯多元醇）复配，补偿机械性能损失。

 

3、推荐配方与工艺

配方示例：

TPU/DMF基料：100 phr

硼酸锌（纳米级）：8 phr

次磷酸铝：15 phr

润湿剂Tego 750W：1 phr

工艺要点：

采用砂磨机将硼酸锌预分散至DMF中（粒径≤2μm），再与TPU浆料混合。

涂布后建议增加烘干时间（如延长至30分钟），避免残留水分影响阻燃性。

三、AHP+ZB复配体系的综合评估

1、协同阻燃效果

气相-凝聚相协同：

AHP提供磷源促进成炭，ZB增强炭层稳定性并抑制阴燃。

复配后LOI值可提升至28-30%，UL94可达V-0（1.6mm）。

抑烟性能：ZB可减少50%以上烟雾释放量（Cone Calorimeter测试）。

2、性能平衡建议

机械性能补偿：

添加2-3%的TPU增塑剂（如聚己内酯多元醇），维持涂层柔韧性（断裂伸长率＞300%）。

使用超细粉体（AHP/ZB粒径＜2μm），减少对拉伸强度的负面影响。

工艺稳定性控制：

浆料粘度需控制在2000-4000 cP（Brookfield RV， spindle 4, 20rpm），确保涂布均匀性。

四、与溶剂型液态阻燃剂的对比

参数	AHP+ZB体系	液态磷氮阻燃剂（如Levagard4090N）
添加量	20-30%	15-25%
分散难度	需预处理（高剪切/表面改性）	直接溶解，无需分散
成本	低（约$3-5/kg）	高（约$10-15/kg）
环保性	无卤，低毒	部分含卤（需确认具体产品）
涂层透明度	半透明至不透明	高透明度

 

五、实施步骤推荐

1、小试阶段：

测试AHP/ZB单独及复配效果（添加量梯度：10%、15%、20%）。

评估分散稳定性（静置24小时无沉淀）、粘度变化、涂布流平性。

2、中试验证：

优化烘干工艺（温度/时间），测试阻燃性（UL94、LOI）及机械性能。

对比成本：若AHP+ZB体系综合成本低于液态阻燃剂30%以上，具备替代价值。

3、量产准备：

与供应商合作定制预分散AHP/ZB母粒（DMF载体），简化生产流程。

六、结论

在分散工艺可控的前提下，次磷酸铝和硼酸锌可作为TPU/DMF涂布体系的阻燃剂，但需注意：

1、必须通过表面改性+高剪切分散解决粉体团聚问题；

2、建议以AHP为主阻燃剂+ZB为协效剂复配，平衡效率与成本；

3、若对透明度或柔韧性要求极高，仍建议优先选择液态磷氮阻燃剂（如Levagard 4090N