Solution d'application ignifuge sans halogène, partie 2 : sélection, application et défis des ignifugeants pour les élastomères thermoplastiques
Les élastomères thermoplastiques combinent l'élasticité du caoutchouc avec la commodité de traitement des plastiques, trouvant de nombreuses applications dans les domaines de l'automobile, de l'électronique, de l'électricité, du médical et autres. Cependant, la plupart des matériaux TPE sont hautement inflammables, ce qui fait de la modification des retardateurs de flamme une étape clé dans l'amélioration de leurs performances. Avec des réglementations environnementales de plus en plus strictes, le développement de systèmes ignifuges efficaces, peu toxiques et sans halogène, en particulier l'application de retardateurs de flamme phosphore-azote, est devenu un axe de recherche majeur dans l'industrie.
I. Défis et considérations de conception pour les élastomères thermoplastiques ignifuges
Il existe de nombreux types de TPE, parmi lesquels principalement les copolymères blocs styréniques (SBS, SEBS), à base de polyoléfine (TPO, TPV), le polyuréthane thermoplastique (TPU) et l'élastomère polyester thermoplastique (TPEE). Leur modification ignifuge se heurte à plusieurs difficultés inhérentes :
1. Complexité des systèmes multiphases : De nombreux TPE sont des systèmes de mélange à plusieurs composants, tels que les mélanges SEBS/PP/huile de paraffine. Les comportements de combustion différents de chaque composant rendent difficile l’efficacité d’un seul mécanisme ignifuge.
2. Impact des plastifiants : Les plastifiants comme les huiles minérales, ajoutés pour ajuster la dureté, sont souvent inflammables. Ils réduisent considérablement l’indice limite d’oxygène du système et augmentent la difficulté d’obtention d’un caractère ignifuge.
3. Défi d'équilibre des performances : L'ajout de retardateurs de flamme a souvent un impact négatif sur les propriétés mécaniques, l'aptitude au traitement, la résistance au vieillissement et l'apparence du matériau.
Par conséquent, une solution ignifuge réussie nécessite une considération systématique :
1. Définir les exigences : Déterminer l'indice de retardateur de flamme, l'indice d'oxygène et les exigences environnementales requis en fonction du domaine d'application spécifique.
2. Sélectionnez le système ignifuge : le sans halogène est la tendance actuelle. Choisissez des retardateurs de flamme en fonction du type de TPE et donnez la priorité aux systèmes synergiques pour améliorer l'efficacité et réduire la charge.
3. Optimiser le traitement : utilisez des extrudeuses à double vis à cisaillement élevé pour assurer une dispersion uniforme du retardateur de flamme dans la matrice. Ceci est crucial pour empêcher la migration, améliorer l’apparence de la surface et améliorer l’efficacité des retardateurs de flamme.
4. Évaluer et équilibrer les performances : grâce à des ajustements de formulation et à l'optimisation des processus, efforcez-vous de maintenir les propriétés mécaniques et de traitement du TPE tout en répondant aux exigences d'ignifugation.
II. Sélection de retardateurs de flamme sans halogène : les avantages des systèmes phosphore-azote
Il existe différents types de retardateurs de flamme sans halogène, notamment les hydroxydes métalliques, les retardateurs de flamme intumescents, les systèmes à base de phosphore, d'azote et de silicium. Parmi ceux-ci, les retardateurs de flamme phosphore-azote sont très appréciés pour leur efficacité et leur respect de l’environnement.
Les retardateurs de flamme phosphore-azote agissent principalement par des mécanismes synergiques dans les phases condensée et gazeuse :
1. Phase condensée : Le composant phosphore favorise la déshydratation et la formation de charbon à la surface du polymère, créant une couche de charbon dense et intumescente. Cela bloque efficacement le transfert de chaleur et d’oxygène vers l’intérieur et inhibe la libération de substances volatiles inflammables vers l’extérieur.
2. Phase gazeuse : les composés azotés se décomposent lors du chauffage pour libérer des gaz ininflammables, diluant la concentration de gaz combustibles et d'oxygène, supprimant ainsi la réaction en chaîne de combustion.
Leurs effets synergiques sont souvent importants, permettant d'obtenir un résultat « 1+1>2 », ce qui permet de réduire la charge additive totale et de minimiser l'impact sur les propriétés physiques et mécaniques du matériau.
III. Pratiques d'application des ignifugeants phosphore-azote dans différents TPE
1. Application en élastomère polyester thermoplastique (TPEE)
Le TPEE est connu pour ses excellentes propriétés mécaniques et sa résistance à la fatigue, couramment utilisé dans les pièces automobiles et les gaines de câbles. Cependant, sa LOI n'est que d'environ 19 %, ce qui le rend inflammable en cas de gouttes de fusion importantes. Des études montrent que l’utilisation de retardateurs de flamme composés comme le diéthylphosphinate d’aluminium peut résoudre efficacement ce problème. Avec des rapports de masse appropriés et une charge totale de 22 à 25 %, la LOI peut être augmentée à 31,5 %, obtenant ainsi un indice UL94 V-0. Une couche de charbon dense se forme pendant la combustion, supprimant efficacement les gouttes de fusion.
2. Application aux élastomères thermoplastiques styréniques (TPS, par exemple SEBS)
Le SEBS est souvent utilisé dans des produits de couleur claire comme les câbles de données et les fils d'écouteurs, mais il est confronté à des problèmes de jaunissement facile et d'inflammabilité après extension d'huile. Les solutions ciblées comprennent :
Système ignifuge : Utilisation d’un composé de retardateurs de flamme phosphore-azote avec des mélanges maîtres de silicone ignifuges. Les mélanges maîtres de silicone peuvent favoriser la formation de charbon et offrir une bonne compatibilité avec la matrice, réduisant ainsi l'impact sur les propriétés mécaniques. Ce système peut atteindre UL94 V-0 tout en conservant une bonne résistance à la traction et une bonne flexibilité.
Résistance au jaunissement : l'ajout d'inhibiteurs de jaunissement tels que des absorbeurs UV à base de benzophénone peut supprimer efficacement le jaunissement pendant l'utilisation et le stockage.
3. Application aux élastomères à base de polyoléfines (TPO/TPV)
Les TPO/TPV sont largement utilisés dans les intérieurs et les joints automobiles. Leur caractère ignifuge repose souvent sur l’hydroxyde de magnésium/aluminium, mais ceux-ci nécessitent des charges élevées. Les systèmes phosphore-azote, tels que les systèmes intumescents à base de polyphosphate d’ammonium, offrent une nouvelle option. L'APP composé d'agents de carbonisation peut former une couche de charbon intumescente lors du chauffage. Les IFR non basés sur APP, avec leur résistance aux températures élevées et leurs propriétés efficaces de carbonisation, conviennent également aux systèmes TPE et peuvent être utilisés pour les produits blancs.
4. Application en polyuréthane thermoplastique (TPU)
Le TPU est connu pour sa résistance à l’abrasion et sa transparence mais est également inflammable. Sa conception ignifuge nécessite une attention particulière aux différences de type. Le TPU à base de polyester nécessite généralement 8 à 12 phr de retardateur de flamme sans halogène pour répondre aux exigences, tandis que le TPU à base de polyéther peut avoir besoin de 30 à 35 phr, et il faut prêter attention à l'éclosion potentielle du retardateur de flamme. Les retardateurs de flamme phosphore-azote comme les phosphinates et le MCA sont des choix courants.
IV. Recommandations d'application et perspectives d'avenir
Lors de la sélection de retardateurs de flamme phosphore-azote, tenez compte des éléments suivants :
1. Sélection ciblée : choisissez des retardateurs de flamme qui correspondent au type spécifique de polymère de base TPE.
2. Traitement de surface : La modification de surface des retardateurs de flamme peut améliorer la compatibilité avec la matrice polymère, réduire l'impact sur les propriétés mécaniques et potentiellement améliorer l'efficacité du retardateur de flamme.
3. Traitement : Contrôlez strictement la température de traitement et la force de cisaillement pour empêcher la décomposition ou la désactivation de certains retardateurs de flamme phosphore-azote sous une chaleur et un cisaillement élevés.
4. Effets synergiques : Explorez la combinaison de retardateurs de flamme phosphore-azote avec d'autres systèmes sans halogène pour réduire davantage la charge et optimiser les performances globales.
À l’avenir, à mesure que les réglementations environnementales se durciront et que la demande de matériaux hautes performances augmentera, la technologie ignifuge sans halogène pour les TPE continuera à évoluer vers une efficacité, une multifonctionnalité et un respect de l’environnement plus élevés. La conception moléculaire de nouveaux retardateurs de flamme phosphore-azote, l'application de la technologie des nanocomposites et le développement de retardateurs de flamme d'origine biologique donneront plus d'élan à l'innovation ignifuge verte pour les TPE.
