Halogeenvrije FR samenstelling

Aanvrager: EcoChem | Flame Retardant Chemistry
Uitvinders: Helmut Wiehn, Pieter Daeseleire 
Octrooiaanvraag nummer: WO2022/122795  A1

De uitvinding heeft betrekking op een watergebaseerde brandvertragende samenstelling en een verbeterde methode om brandvertragende eigenschappen toe te kennen aan materialen op hout- en cellulosebasis voor meubelen en interieurconstructies. Materialen op hout- en cellulosebasis worden veel gebruikt als bouwmateriaal en in meubels. Bovendien worden decoratieve panelen vaak gebruikt bij de constructie van meubelen en bij de decoratieve binnenafwerking. Deze materialen moeten voldoen aan hoge brandvertragende normen. De Europese norm DIN EN 13823 wordt algemeen aanvaard voor het vergelijken van de brandvertragende eigenschappen van verschillende materialen. Iets oudere methoden die niettemin betrouwbare resultaten opleveren zijn ISO 5658-2 (2006) en UNI 9174 (2010). Op basis van deze methoden kunnen aan de materialen classificaties worden toegekend (bv. Euroklasse volgens DIN EN 13501-1 (2019-05)).

Om hun brandvertraging te verhogen, kunnen materialen op hout- en cellulosebasis worden behandeld met brandvertragende samenstellingen en opzwellende samenstellingen. Brandvertragende samenstellingen kunnen de uitbreiding van een brand vertragen door energie te absorberen die anders voor de voortzetting van het verbrandingsproces zou worden gebruikt. Opzwellende samenstellingen zwellen op onder invloed van warmte en vormen een volumineuze schuimlaag (opzwellende houtskool) die dient om het substraat tegen hitte te isoleren, waardoor de pyrolyse van het substraat wordt vertraagd. Bovendien verhindert de opzwellende houtskool dat zuurstof in contact komt met het substraat, waardoor verbranding wordt tegengegaan.

Typische opzwellende samenstellingen bevatten een zuurdonor, een koolstofdonor en een blaasmiddel.

Om ecologische en economische redenen is het wenselijk en voordelig om opzwellende samenstellingen op waterbasis te formuleren, bij voorkeur samenstellingen die niet halogeen zijn. Bij de samenstelling ervan moet echter rekening worden gehouden met problemen in verband met oplosbaarheid en compatibiliteit. 

Er zijn verschillende methoden beschreven voor de behandeling van substraten. Deze methoden vereisen echter grote hoeveelheden werkzame stoffen. Bovendien kunnen grondstoffen die met een waterige oplossing zijn behandeld, kwetsbaar zijn voor latere uitloging van de werkzame stoffen. Tenslotte kunnen zich ook problemen voordoen in verband met de verenigbaarheid van de werkzame stoffen met de lijmen of harsen die worden gebruikt om van de behandelde grondstoffen een product te maken.

Een brandvertragende stof kan in granulaatvorm aan houtdeeltjes worden toegevoegd bij de vervaardiging van spaanplaat of in vloeibare suspensie, dispersie of oplossing aan vezels worden toegevoegd bij de vervaardiging van vezelplaat of oriented strand boards. Ook in dergelijke gevallen kan de compatibiliteit tussen de werkzame stoffen en de lijm(en) een probleem vormen en is het nog steeds noodzakelijk grote hoeveelheden werkzame stoffen toe te passen.

De uitvinding lost de vastgestelde problemen op door middel van een watergedragen brandvertragende samenstelling, een watergedragen opzwellende samenstelling en een methode om een substraat brandvertragend te maken. Materialen met uitstekende brandvertragende eigenschappen kunnen worden verkregen met slechts kleine hoeveelheden actieve stoffen. De uitvinding waarop aanspraak wordt gemaakt, leidt met name tot een aanzienlijke vermindering van de hoeveelheden brandvertragende middelen die vereist zijn om een bepaald brandgedrag te verkrijgen, zoals een bepaald classificatieniveau in het Euroklassesysteem. Deze vermindering betekent niet alleen een verbetering vanuit economisch oogpunt, maar ook vanuit ecologisch oogpunt. Bovendien is de samenstelling halogeenvrij. Deze composities worden over het algemeen als veiliger en niet-toxisch beschouwd en hopen zich niet op in het milieu of in organismen.

• Watergedragen harsoplossing: watergedragen melamine-formaldehydeharsoplossingen, watergedragen melamine-ureum-formaldehydeharsoplossingen, mengsels daarvan en mengsels daarvan met watergedragen ureum-formaldehydeharsoplossingen en/of waterige fenol-formaldehydeharsoplossingen kunnen worden gebruikt. heeft een dubbele functionaliteit. Enerzijds fungeert de hars als bindmiddel, wat de vorming van een stabiele deklaag mogelijk maakt. Anderzijds werkt de melamine in de watergedragen harsoplossing (A) als een blaasmiddel bij blootstelling aan hitte en neemt daardoor deel aan de opzwellende werking van de coating.
• Zuurdonor: ammoniumpolyfosfaat, guanylureumfosfaat, guanidinefosfaat en mengsels daarvan. Een of meer van de volgende stoffen worden gekozen uit de groep ammoniumpolyfosfaat, guanylureafosfaat en guanidinefosfaat, bij voorkeur een of meer van de volgende stoffen worden gekozen uit de groep ammoniumpolyfosfaat en guanidinefosfaat. Dit is gedaan uit het oogpunt van maximale brandvertraging van de bekleding, terwijl tegelijkertijd het gebruik van verbindingen met een hoge zuurgraad wordt vermeden.
• Koolstofdonor: glucose, arabinose en andere monosacchariden; lactose, maltose en andere disacchariden; zetmeel, cellulose, dextrine en andere polysacchariden; sorbitol, erythritol, pentaerythritol, dipentaerythritol, tripentaerythritol, mannitol en andere meerwaardige alcoholen; en mengsels daarvan. Bij voorkeur wordt een of meer gekozen uit de groep bestaande uit zetmeel, cellulose, dextrine en andere polysacchariden; sorbitol, erytritol, pentaerytritol, dipentaerytritol, tripentaerytritol, mannitol en andere meerwaardige alcoholen, en bij voorkeur wordt een of meer gekozen uit de groep bestaande uit sorbitol, pentaerytritol en dipentaerytritol. Het gebruik van de aangegeven verbindingen wordt ook geacht de gezondheids- en milieurisico's tot een minimum te beperken.

De zuurdonor en de koolstofdonor worden gewoonlijk gebruikt in de vorm van deeltjespoeders, waarbij ten minste 90% van de aanwezige deeltjes een deeltjesgrootte heeft die kleiner is dan 50 pm of ten minste 50% van de deeltjes een deeltjesgrootte heeft van minder dan 10 pm.

• De samenstelling en de methode van de onderhavige uitvinding maken het mogelijk om een coating te verkrijgen die voldoende stabiel en duurzaam is om het behandelde product te kunnen gebruiken in interieurtoepassingen, waardoor het niet meer nodig is om een extra deklaag aan te brengen.
• De dubbele functionaliteit van de harscomponent maakt het mogelijk om het gebruik van een polyvinylacetaat (PVA)/acrylaatmengsel te elimineren, dat vroeger gewoonlijk werd gebruikt als bindmiddel voor opzwellende samenstellingen.
• Het bestaan in opgeloste vorm en de daarmee gepaard gaande verkleining van de deeltjesgrootte maken niet alleen een betere verdeling van het hars in de opzwellende samenstelling mogelijk, maar verhogen uiteindelijk ook de reactiviteit van de opzwellende coating, omdat het harsbestanddeel een groter reactieoppervlak vertoont en gelijkmatiger is verdeeld.
• Het bindmiddel is echter niet beperkt tot dergelijke harsoplossingen, en elk bindmiddel dat geen nadelige invloed heeft op de toepassing van de waterige opzwellende samenstelling kan worden gebruikt.
• Aangezien partiële fosforzure esters echter vergelijkbaar duur zijn, zou het wenselijk zijn een middel te vinden om de benodigde hoeveelheid te verlagen of om ze helemaal te kunnen vervangen met behoud van voldoende opzwellende eigenschappen.