Wybór smarów o minimalnym wpływie na palność w mieszankach kablowych

Wybór smarów o minimalnym wpływie na palność w kompozycjach kablowych

Wprowadzenie

Wybór smarów w kompozycjach kablowych wymaga starannego rozważenia ich wpływu na trudnopalność. Optymalny smar powinien zapewniać doskonałą pomoc w przetwarzaniu bez uszczerbku dla odporności materiału na ogień. Niniejszy artykuł przedstawia zalecenia oparte na strukturze chemicznej, stabilności termicznej i efektach synergicznych z systemami zmniejszającymi palność, czerpiąc z praktyk branżowych i danych badawczych.

1. Zalecane rodzaje smarów i mechanizmy

1.1. Smary na bazie silikonu (proszek/olej silikonowy)

• Kluczowe zalety: Energia wiązania Si-O w silikonach (452 kJ/mol) jest znacznie wyższa niż w wiązaniach C-C (348 kJ/mol). W wysokich temperaturach tworzą gęstą warstwę ochronną z krzemionki, która hamuje rozprzestrzenianie się płomienia. Na przykład, dodanie 0,5-3% serii Javachem® GT (Zhejiang Jiahua) do bezhalogenowych, trudnopalnych kompozycji kablowych z poliolefinami może zwiększyć Indeks Tlenowy (OI) do ponad 37%, zmniejszyć narastanie na matrycy i zwiększyć prędkość linii o 20%.

• Zastosowanie: Odpowiednie dla kompozycji kablowych na bazie EVA/PE, szczególnie w systemach silnie napełnionych (>60% napełniacza). Ich hydrofobowy charakter zmniejsza absorpcję wilgoci i poprawia odporność na warunki atmosferyczne.

• Typowe gatunki: Dow Corning DC-3200, Shin-Etsu KF-96, Zhejiang Jiahua GT-300.

1.2. Mydła metaliczne (stearynian wapnia/cynku)

• Mechanizm zmniejszania palności: Stearynian wapnia rozkłada się w temperaturze 200-250°C, generując CaO i CO₂. CaO może reagować z trójwodorotlenkiem glinu (ATH), tworząc glinian wapnia, co zwiększa gęstość warstwy zwęglonej. Badania pokazują, że 2-3% stearynianu wapnia może zmniejszyć Szczytową Szybkość Uwalniania Ciepła (PHRR) o 15% i poprawić dyspersję napełniacza.

• Zgodność z procesem: Wykazuje znaczną synergię z fosforowo-azotowymi środkami zmniejszającymi palność (np. MPP). Może zastąpić część tradycyjnych smarów w bezhalogenowych kompozycjach bez wpływu na ocenę UL94 V-0, gdy jest stosowany w ilości 1-2%.

• Uwaga: Nadmierne użycie może powodować kwitnienie; zaleca się stosowanie w połączeniu ze smarami wewnętrznymi (np. stearynian pentaerytrytolu).

1.3. Utleniony wosk polietylenowy (wosk OPE)

• Charakterystyka: Zawartość karbonylowa (1,5-3%) poprawia kompatybilność z polarnymi środkami zmniejszającymi palność, takimi jak wodorotlenek magnezu (MDH). Warstwa utleniona utworzona w wysokich temperaturach może tłumić spalanie. Testy pokazują, że kompozycje kablowe z 1,5% wosku OPE utrzymują OI na poziomie 32%, czyli o 5 punktów więcej niż te ze standardowym woskiem PE.

• Porady dotyczące zastosowania: Preferuj gatunki o wysokiej temperaturze topnienia (Punkt Kroplenia: 105-115°C) o masach cząsteczkowych między 8000-15000, odpowiednie do procesów wytłaczania w temperaturze 180-220°C.

• Typowe gatunki: Honeywell A-C 629, Clariant Licowax OP.

1.4. Mikropowder politetrafluoroetylenu (PTFE)

• Cechy zmniejszające palność: PTFE ma wysoką temperaturę rozkładu (~500°C), wytwarzając tylko śladowe ilości CO₂ i HF podczas spalania. Utworzona warstwa zwęglona zapobiega kapaniu stopu. Dodanie 0,5-1% mikropowderu PTFE do trudnopalnego PP może zmniejszyć występowanie kapania stopu z 70% do poniżej 10%.

• Konkretna wartość: Odpowiedni do kabli o niskiej emisji dymu (np. transport kolejowy), gdzie jego bardzo niski współczynnik tarcia (0,05-0,1) zmniejsza ciepło tarcia międzyfazowego podczas wytłaczania z dużą prędkością.

• Typowe gatunki: DuPont Teflon® MP100, Daikin Polyflon® L-15.

2. Rodzaje smarów wymagające ostrożności

2.1. Kwasy tłuszczowe (kwas stearynowy/kwas oleinowy)

• Analiza ryzyka: Kwas stearynowy (C18H36O2) ma wysoką ciepło spalania (42 MJ/kg, ~10% wyższe niż PE). Jego rozkład wytwarza długołańcuchowe węglowodory, które mogą sprzyjać rozprzestrzenianiu się płomienia. Dodanie ponad 0,5% może spowodować spadek oceny UL94 z V-0 do V-2.

• Alternatywy: Całkowicie zastąpić stearynianem wapnia lub użyć kwasu hydroksystearynowego o niskiej masie cząsteczkowej (np. kwas 12-hydroksystearynowy), który ma o 18% niższe ciepło spalania.

2.2. Standardowe amidy (EBS)

• Ograniczenia: EBS rozkłada się powyżej 300°C, generując amoniak i gazy nitrylowe, które mogą zakłócać mechanizm tworzenia węgla przez środki zmniejszające palność na bazie fosforu. Eksperymenty pokazują, że 1% EBS może zwiększyć czas pionowego spalania o 2-3 sekundy.

• Kierunek poprawy: Użyj EBS modyfikowanego silanem (np. Clariant Licowax EBS-S), gdzie uwalniane siloksany podczas spalania mogą częściowo przeciwdziałać negatywnym skutkom rozkładu amidu.

2.3. Woski parafinowe (parafina ciekła/wosk mikrokrystaliczny)

• Ryzyko spalania: Lotne składniki parafiny mają tendencję do migracji na powierzchnię, tworząc łatwopalną warstwę. W testach OI dodanie 2% parafiny może zmniejszyć wartość OI o 3-5 punktów.

• Alternatywy: Użyj wosków Fischer-Tropsch o wysokiej temperaturze topnienia (>90°C), które mają wąski rozkład mas cząsteczkowych, lepszą stabilność termiczną niż parafina i wyższą pozostałość po spalaniu.

3. Strategia wyboru i optymalizacja procesu

3.1. Synergiczne projektowanie ze środkami zmniejszającymi palność

• Synergia fosforowo-krzemowa: Kiedy smary silikonowe są łączone z fosfinianem glinu, siloksany mogą promować wzbogacanie powierzchni środkami zmniejszającymi palność na bazie fosforu, tworząc kompozytową warstwę ochronną „Si-P-węgiel”, zwiększając OI do ponad 35%.

• Synergia mydła metalicznego i wodorotlenku: Przy stosunku masowym 1:10 (stearynian wapnia:ATH), utworzony glinian wapnia zwiększa wytrzymałość węgla, zwiększając pozostałość w temperaturze 800°C z 22% do 28%.

3.2. Dopasowanie parametrów przetwarzania

• Kontrola temperatury: Optymalna temperatura przetwarzania dla smarów silikonowych wynosi 180-200°C; unikaj przekraczania 220°C, aby zapobiec zerwaniu wiązania Si-O. Dodaj mydła metaliczne później w cyklu mieszania (130-150°C), aby zapobiec przedwczesnemu rozkładowi.

• Proces dyspersji: W przypadku systemów silnie napełnionych użyj wytłaczarek dwuślimakowych o wysokim ścinaniu (prędkość ślimaka 300-400 obr./min) w celu równomiernej dyspersji smarów i środków zmniejszających palność. Wstępne zmieszanie proszku silikonowego z ATH i dodanie w dwóch etapach może zwiększyć wytrzymałość na rozciąganie o 12%.

3.3. Certyfikacja i walidacja testowa

• Testy podstawowe: Indeks tlenowy (GB/T 2406.2) ≥32%; Pionowe spalanie (UL94) V-0; Gęstość dymu (GB/T 8323.2) Dm(4min) ≤75.

• Wydajność długoterminowa: Po starzeniu termicznym (120°C×168h), zmiana wytrzymałości na rozciąganie powinna wynosić ≤±10%, a zmiana wydłużenia przy zerwaniu powinna wynosić ≤±15%.

• Zgodność ze środowiskiem: Preferuj smary zgodne z RoHS i REACH. W przypadku kabli medycznych należy przestrzegać norm takich jak USP Class VI.

4. Typowe przykłady formulacji

4.1. Bezhalogenowa, trudnopalna kompozycja kablowa z poliolefinami

• Formulacja (części wagowe): EVA (VA 18%) 100, Wodorotlenek magnezu 120, Proszek silikonowy 2, Stearynian wapnia 1,5, Przeciwutleniacz 1010 0,5, Stabilizator światła 770 0,3.

• Właściwości: OI 37%, Wytrzymałość na rozciąganie 11 MPa, Wydłużenie przy zerwaniu 160%, Skurcz cieplny (120°C×24h) 0,8%.

4.2. Trudnopalna kompozycja kablowa z PVC

• Formulacja (części wagowe): PVC 100, Trójtlenek antymonu 5, Fosforanowy środek zmniejszający palność 20, Stearynian wapnia 1,2, Wosk OPE 1,0, Epoksydowany olej sojowy 5.

• Właściwości: UL94 V-0, OI 34%, Rezystywność powierzchniowa >10^14 Ω·cm. Odpowiedni do kabli sterowania przemysłowego.

5. Kontrola ryzyka i trendy branżowe

• Stabilność partii: Przeprowadź analizę termograwimetryczną (TGA) na przychodzących partiach smarów, aby zapewnić początkową temperaturę rozkładu >250°C i lotność ≤0,5%.

• Walidacja alternatywna: Użyj „metody stopniowej wymiany” do zastąpienia importowanych smarów: zacznij od 30% produktu krajowego, stopniowo zwiększając do 100% po weryfikacji wydajności. Na przykład proszek silikonowy Yanshan Petrochemical z powodzeniem zastąpił Dow Corning DC-3200 w kablach fotowoltaicznych.

• Zrównoważony rozwój: Smary na bazie biologicznej (np. amidy na bazie oleju rycynowego) mają ~40% niższe emisje dwutlenku węgla niż tradycyjne, a CO₂ uwalniany podczas spalania może być pochłaniany przez rośliny, co jest zgodne z przepisami takimi jak CBAM UE.

Wnioski

Smary na bazie silikonu, mydła metaliczne, utleniony wosk polietylenowy i mikropowdery PTFE są idealnym wyborem dla kompozycji kablowych, które równoważą smarowanie i trudnopalność. Praktyczne zastosowanie wymaga optymalizacji w oparciu o konkretny system zmniejszający palność, warunki przetwarzania i wymagania dotyczące wydajności, zweryfikowane poprzez próby na małą skalę w celu sprawdzenia kompatybilności i wydajności spalania.