انتخاب روان‌کننده‌ها با حداقل تأثیر بر قابلیت اشتعال در فرمولاسیون‌های ترکیبات کابل

انتخاب روان‌کننده‌ها با حداقل تأثیر بر اشتعال‌پذیری در فرمولاسیون‌های ترکیبات کابل

مقدمه

انتخاب روان‌کننده‌ها در فرمولاسیون‌های ترکیبات کابل نیازمند بررسی دقیق تأثیر آن‌ها بر بازدارندگی شعله است. یک روان‌کننده بهینه باید به عنوان یک کمک‌کننده عالی در فرآیند تولید عمل کند، بدون اینکه مقاومت مواد در برابر آتش را به خطر بیندازد. این مقاله توصیه‌هایی را بر اساس ساختار شیمیایی، پایداری حرارتی و اثرات هم‌افزایی با سیستم‌های بازدارنده شعله ارائه می‌دهد و از شیوه‌های صنعتی و داده‌های تحقیقاتی استفاده می‌کند.

1. انواع و مکانیسم‌های روان‌کننده‌های پیشنهادی

1.1. روان‌کننده‌های مبتنی بر سیلیکون (پودر/روغن سیلیکون)

• مزایای کلیدی:انرژی پیوند Si-O در سیلیکون‌ها (452 کیلوژول بر مول) به طور قابل توجهی بالاتر از پیوندهای C-C (348 کیلوژول بر مول) است. در دماهای بالا، آن‌ها یک لایه محافظ سیلیکا متراکم تشکیل می‌دهند که از انتشار شعله جلوگیری می‌کند. به عنوان مثال، افزودن 0.5-3٪ از سری Javachem® GT (Zhejiang Jiahua) به ترکیبات کابل پلی‌اولفین بدون هالوژن بازدارنده شعله می‌تواند شاخص اکسیژن (OI) را به بیش از 37٪ افزایش دهد، تجمع مواد را کاهش دهد و سرعت خط را 20٪ افزایش دهد.

• کاربرد:مناسب برای ترکیبات کابل مبتنی بر EVA/PE، به ویژه در سیستم‌های پرکننده بالا (>60٪ پرکننده). ماهیت آبگریز آن‌ها جذب رطوبت را کاهش می‌دهد و مقاومت در برابر آب و هوا را بهبود می‌بخشد.

• درجه‌های معمول:Dow Corning DC-3200، Shin-Etsu KF-96، Zhejiang Jiahua GT-300.

1.2. صابون‌های فلزی (استئارات کلسیم/روی)

• مکانیسم بازدارندگی شعله:استئارات کلسیم در دمای 200-250 درجه سانتی‌گراد تجزیه می‌شود و CaO و CO₂ تولید می‌کند. CaO می‌تواند با تری‌هیدروکسید آلومینیوم (ATH) واکنش داده و آلومینات کلسیم تشکیل دهد و چگالی لایه کربن را افزایش دهد. مطالعات نشان می‌دهد که 2-3٪ استئارات کلسیم می‌تواند نرخ آزاد شدن حرارت اوج (PHRR) را 15٪ کاهش دهد و پراکندگی پرکننده را بهبود بخشد.

• سازگاری فرآیند:هم‌افزایی قابل توجهی با بازدارنده‌های شعله فسفر-نیتروژن (به عنوان مثال، MPP) نشان می‌دهد. می‌تواند جایگزین بخشی از روان‌کننده‌های سنتی در فرمولاسیون‌های بدون هالوژن شود، بدون اینکه بر رتبه UL94 V-0 تأثیر بگذارد، زمانی که در 1-2٪ استفاده شود.

• توجه:استفاده بیش از حد ممکن است باعث شکوفایی شود. توصیه می‌شود در ترکیب با روان‌کننده‌های داخلی (به عنوان مثال، استئارات پنتااریتریتول) استفاده شود.

1.3. موم پلی‌اتیلن اکسید شده (OPE Wax)

• ویژگی‌ها:محتوای کربونیل (1.5-3٪) سازگاری با بازدارنده‌های شعله قطبی مانند هیدروکسید منیزیم (MDH) را بهبود می‌بخشد. لایه اکسید شده که در دماهای بالا تشکیل می‌شود می‌تواند احتراق را سرکوب کند. آزمایش‌ها نشان می‌دهد که ترکیبات کابل با 1.5٪ موم OPE، OI را 32٪ حفظ می‌کنند، که 5 امتیاز بالاتر از ترکیبات با موم PE استاندارد است.

• توصیه کاربردی:درجه‌های با نقطه ذوب بالا (نقطه ریزش: 105-115 درجه سانتی‌گراد) با وزن مولکولی بین 8000-15000 ترجیح داده می‌شود، مناسب برای فرآیندهای اکستروژن در 180-220 درجه سانتی‌گراد.

• درجه‌های معمول:Honeywell A-C 629، Clariant Licowax OP.

1.4. میکروپودر پلی‌تترافلوئورواتیلن (PTFE)

• ویژگی‌های بازدارندگی شعله:PTFE دارای دمای تجزیه بالایی (~500 درجه سانتی‌گراد) است و تنها مقادیر کمی CO₂ و HF در هنگام احتراق تولید می‌کند. لایه کربن تشکیل شده از چکه شدن مذاب جلوگیری می‌کند. افزودن 0.5-1٪ میکروپودر PTFE به PP بازدارنده شعله می‌تواند وقوع چکه شدن مذاب را از 70٪ به زیر 10٪ کاهش دهد.

• مقدار خاص:مناسب برای کابل‌های کم دود (به عنوان مثال، حمل و نقل ریلی)، جایی که ضریب اصطکاک بسیار کم آن (0.05-0.1) گرمای اصطکاک بین سطحی را در هنگام اکستروژن با سرعت بالا کاهش می‌دهد.

• درجه‌های معمول:DuPont Teflon® MP100، Daikin Polyflon® L-15.

2. انواع روان‌کننده‌های نیازمند احتیاط

2.1. اسیدهای چرب (اسید استئاریک/اسید اولئیک)

• تجزیه و تحلیل ریسک:اسید استئاریک (C18H36O2) دارای گرمای احتراق بالایی (42 مگاژول بر کیلوگرم، ~10٪ بالاتر از PE) است. تجزیه آن هیدروکربن‌های زنجیره بلند تولید می‌کند که می‌تواند گسترش شعله را تقویت کند. افزودن بیش از 0.5٪ ممکن است باعث شود رتبه UL94 از V-0 به V-2 کاهش یابد.

• جایگزین‌ها:به طور کامل با استئارات کلسیم جایگزین شود یا از اسید هیدروکسی استئاریک با وزن مولکولی کم (به عنوان مثال، اسید 12-هیدروکسی استئاریک) استفاده شود که 18٪ گرمای احتراق کمتری دارد.

2.2. آمیدهای استاندارد (EBS)

• محدودیت‌ها:EBS در بالای 300 درجه سانتی‌گراد تجزیه می‌شود و گازهای آمونیاک و نیتریل تولید می‌کند که ممکن است با مکانیسم تشکیل کربن بازدارنده‌های شعله مبتنی بر فسفر تداخل داشته باشد. آزمایش‌ها نشان می‌دهد که 1٪ EBS می‌تواند زمان سوختن عمودی را 2-3 ثانیه افزایش دهد.

• جهت بهبود:از EBS اصلاح شده با سیلان (به عنوان مثال، Clariant Licowax EBS-S) استفاده کنید، جایی که سیلوکسان‌های آزاد شده در هنگام احتراق می‌توانند تا حدی اثرات منفی تجزیه آمید را خنثی کنند.

2.3. موم‌های پارافین (پارافین مایع/موم میکروکریستالی)

• خطرات احتراق:اجزای فرار پارافین تمایل به مهاجرت به سطح دارند و یک لایه قابل اشتعال تشکیل می‌دهند. در آزمایش‌های OI، افزودن 2٪ پارافین می‌تواند مقدار OI را 3-5 امتیاز کاهش دهد.

• جایگزین‌ها:از موم‌های فیشر-تروپش با نقطه ذوب بالا (>90 درجه سانتی‌گراد) استفاده کنید که دارای توزیع وزن مولکولی باریک، پایداری حرارتی بهتر از پارافین و باقیمانده کربن بالاتری در هنگام احتراق هستند.

3. استراتژی انتخاب و بهینه‌سازی فرآیند

3.1. طراحی هم‌افزایی با بازدارنده‌های شعله

• هم‌افزایی فسفر-سیلیکون:هنگامی که روان‌کننده‌های سیلیکونی با فسفینات آلومینیوم ترکیب می‌شوند، سیلیکوکسان‌ها می‌توانند غنی‌سازی سطحی بازدارنده‌های شعله مبتنی بر فسفر را تقویت کنند و یک لایه محافظ کامپوزیت "Si-P-char" تشکیل دهند و OI را به بیش از 35٪ افزایش دهند.

• هم‌افزایی صابون فلزی-هیدروکسید:در نسبت جرمی 1:10 (استئارات کلسیم:ATH)، آلومینات کلسیم تشکیل شده استحکام کربن را افزایش می‌دهد و باقیمانده را در 800 درجه سانتی‌گراد از 22٪ به 28٪ افزایش می‌دهد.

3.2. تطبیق پارامترهای فرآیند

• کنترل دما:دمای فرآیند بهینه برای روان‌کننده‌های سیلیکونی 180-200 درجه سانتی‌گراد است. از تجاوز از 220 درجه سانتی‌گراد برای جلوگیری از شکستن پیوند Si-O خودداری کنید. صابون‌های فلزی را دیرتر در چرخه اختلاط (130-150 درجه سانتی‌گراد) اضافه کنید تا از تجزیه زودرس جلوگیری شود.

• فرآیند پراکندگی:برای سیستم‌های پرکننده بالا، از اکسترودرهای دو پیچی با برش بالا (سرعت پیچ 300-400 دور در دقیقه) برای پراکندگی یکنواخت روان‌کننده‌ها و بازدارنده‌های شعله استفاده کنید. پیش‌آمیختن پودر سیلیکون با ATH و افزودن در دو مرحله می‌تواند مقاومت کششی را 12٪ افزایش دهد.

3.3. تأییدیه و اعتبارسنجی آزمایش

• آزمایش‌های اساسی:شاخص اکسیژن (GB/T 2406.2) ≥32٪؛ سوختن عمودی (UL94) V-0؛ چگالی دود (GB/T 8323.2) Dm(4min) ≤75.

• عملکرد بلندمدت:پس از پیری حرارتی (120 درجه سانتی‌گراد × 168 ساعت)، تغییر در مقاومت کششی باید ≤±10٪ باشد و تغییر در ازدیاد طول در هنگام شکست باید ≤±15٪ باشد.

• انطباق زیست‌محیطی:روان‌کننده‌هایی را ترجیح دهید که با RoHS و REACH مطابقت دارند. برای کابل‌های پزشکی، با استانداردهایی مانند USP Class VI مطابقت داشته باشید.

4. نمونه‌های فرمولاسیون معمولی

4.1. ترکیب کابل پلی‌اولفین بدون هالوژن بازدارنده شعله

• فرمولاسیون (قسمت‌ها بر اساس وزن):EVA (VA 18٪) 100، هیدروکسید منیزیم 120، پودر سیلیکون 2، استئارات کلسیم 1.5، آنتی‌اکسیدان 1010 0.5، تثبیت‌کننده نور 770 0.3.

• خواص:OI 37٪، مقاومت کششی 11 مگاپاسکال، ازدیاد طول در هنگام شکست 160٪، جمع‌شدگی حرارتی (120 درجه سانتی‌گراد × 24 ساعت) 0.8٪.

4.2. ترکیب کابل PVC با بازدارندگی شعله بالا

• فرمولاسیون (قسمت‌ها بر اساس وزن):PVC 100، تری‌اکسید آنتیموان 5، بازدارنده شعله استر فسفات 20، استئارات کلسیم 1.2، موم OPE 1.0، روغن سویا اپوکسید شده 5.

• خواص:UL94 V-0، OI 34٪، مقاومت سطحی >10^14 Ω·cm. مناسب برای کابل‌های کنترل صنعتی.

5. کنترل ریسک و روندهای صنعت

• پایداری دسته:تجزیه و تحلیل گرماسنجی (TGA) را بر روی دسته‌های روان‌کننده ورودی انجام دهید تا دمای تجزیه اولیه >250 درجه سانتی‌گراد و مواد فرار ≤0.5٪ را تضمین کنید.

• اعتبارسنجی جایگزین:از "روش جایگزینی گام به گام" برای جایگزینی روان‌کننده‌های وارداتی استفاده کنید: با 30٪ محصول داخلی شروع کنید، پس از تأیید عملکرد، به تدریج به 100٪ افزایش دهید. به عنوان مثال، پودر سیلیکون پتروشیمی یانشان با موفقیت جایگزین Dow Corning DC-3200 در کابل‌های فتوولتائیک شده است.

• پایداری:روان‌کننده‌های زیستی (به عنوان مثال، آمیدهای مبتنی بر روغن کرچک) انتشار کربن ~40٪ کمتری نسبت به روان‌کننده‌های سنتی دارند و CO₂ آزاد شده در هنگام احتراق می‌تواند توسط گیاهان جذب شود و با مقرراتی مانند CBAM اتحادیه اروپا همسو باشد.

نتیجه

روان‌کننده‌های مبتنی بر سیلیکون، صابون‌های فلزی، موم پلی‌اتیلن اکسید شده و میکروپودرهای PTFE انتخاب‌های ایده‌آلی برای ترکیبات کابل هستند که تعادل بین روان‌کاری و بازدارندگی شعله را برقرار می‌کنند. کاربرد عملی نیازمند بهینه‌سازی بر اساس سیستم بازدارنده شعله خاص، شرایط فرآیند و الزامات عملکرد است که از طریق آزمایش‌های مقیاس کوچک برای سازگاری و عملکرد احتراق تأیید می‌شود.