Выбор смазочных материалов с минимальным влиянием на воспламеняемость в составах кабельных компаундов

Выбор смазок с минимальным влиянием на воспламеняемость в составах кабельных компаундов

Введение

Выбор смазок в составах кабельных компаундов требует тщательного рассмотрения их влияния на огнестойкость. Оптимальная смазка должна обеспечивать отличное вспомогательное средство для обработки, не ставя под угрозу огнестойкость материала. В этой статье изложены рекомендации, основанные на химической структуре, термической стабильности и синергетических эффектах с системами антипиренов, основанные на отраслевой практике и данных исследований.

1. Рекомендуемые типы смазок и механизмы

1.1. Смазки на основе силикона (силиконовый порошок/масло)

• Основные преимущества: Энергия связи Si-O в силиконах (452 кДж/моль) значительно выше, чем в связях C-C (348 кДж/моль). При высоких температурах они образуют плотный защитный слой из кремнезема, который препятствует распространению пламени. Например, добавление 0,5-3% серии Javachem® GT (Zhejiang Jiahua) в безгалогенные огнестойкие полиолефиновые кабельные компаунды может увеличить кислородный индекс (КИ) до более чем 37%, уменьшить налипание на фильере и увеличить скорость линии на 20%.

• Применение: Подходит для кабельных компаундов на основе EVA/PE, особенно в системах с высоким наполнением (>60% наполнителя). Их гидрофобная природа снижает поглощение влаги и улучшает атмосферостойкость.

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

1.2. Металлические мыла (стеарат кальция/цинка)

• Механизм огнестойкости: Стеарат кальция разлагается при 200-250°C, образуя CaO и CO₂. CaO может реагировать с тригидроксидом алюминия (ATH) с образованием алюмината кальция, повышая плотность слоя кокса. Исследования показывают, что 2-3% стеарата кальция могут снизить скорость выделения тепла (PHRR) на 15% и улучшить дисперсию наполнителя.

• Совместимость с технологическим процессом: Проявляет значительную синергию с фосфорно-азотными антипиренами (например, MPP). Может заменить часть традиционных смазок в безгалогенных составах, не влияя на рейтинг UL94 V-0 при использовании в количестве 1-2%.

• Примечание: Чрезмерное использование может вызвать цветение; рекомендуется использовать в сочетании с внутренними смазками (например, пентаэритритол стеарат).

1.3. Окисленный полиэтиленовый воск (OPE воск)

• Характеристики: Содержание карбонила (1,5-3%) улучшает совместимость с полярными антипиренами, такими как гидроксид магния (MDH). Окисленный слой, образующийся при высоких температурах, может подавлять горение. Испытания показывают, что кабельные компаунды с 1,5% OPE воска сохраняют КИ 32%, что на 5 пунктов выше, чем у компаундов со стандартным PE воском.

• Рекомендации по применению: Предпочтительны марки с высокой температурой плавления (точка каплепадения: 105-115°C) с молекулярной массой от 8000 до 15000, подходящие для процессов экструзии при 180-220°C.

• Типичные марки: Honeywell A-C 629, Clariant Licowax OP.

1.4. Микропорошок политетрафторэтилена (PTFE)

• Особенности огнестойкости: PTFE имеет высокую температуру разложения (~500°C), выделяя при сгорании лишь следовые количества CO₂ и HF. Образовавшийся слой кокса предотвращает стекание расплава. Добавление 0,5-1% микропорошка PTFE в огнестойкий PP может снизить частоту стекания расплава с 70% до менее 10%.

• Конкретное значение: Подходит для кабелей с низким дымовыделением (например, для железнодорожного транспорта), где его очень низкий коэффициент трения (0,05-0,1) уменьшает тепло трения на границе раздела при высокоскоростной экструзии.

• Типичные марки: DuPont Teflon® MP100, Daikin Polyflon® L-15.

2. Типы смазок, требующие осторожности

2.1. Жирные кислоты (стеариновая кислота/олеиновая кислота)

• Анализ рисков: Стеариновая кислота (C18H36O2) имеет высокую теплоту сгорания (42 МДж/кг, ~10% выше, чем у PE). Ее разложение приводит к образованию длинноцепочечных углеводородов, которые могут способствовать распространению пламени. Добавление более 0,5% может привести к снижению рейтинга UL94 с V-0 до V-2.

• Альтернативы: Полностью заменить стеаратом кальция или использовать низкомолекулярную гидроксистеариновую кислоту (например, 12-гидроксистеариновую кислоту), которая имеет на 18% меньшую теплоту сгорания.

2.2. Стандартные амиды (EBS)

• Ограничения: EBS разлагается выше 300°C, образуя аммиак и нитрильные газы, которые могут мешать механизму образования кокса фосфорсодержащих антипиренов. Эксперименты показывают, что 1% EBS может увеличить время вертикального горения на 2-3 секунды.

• Направление улучшения: Использовать модифицированный силаном EBS (например, Clariant Licowax EBS-S), где высвобождающиеся силоксаны во время горения могут частично нейтрализовать негативное воздействие разложения амида.

2.3. Парафиновые воски (жидкий парафин/микрокристаллический воск)

• Риски горения: Летучие компоненты парафина имеют тенденцию мигрировать на поверхность, образуя легковоспламеняющийся слой. В испытаниях КИ добавление 2% парафина может снизить значение КИ на 3-5 пунктов.

• Альтернативы: Использовать воски Фишера-Тропша с высокой температурой плавления (>90°C), которые имеют узкое распределение молекулярной массы, лучшую термическую стабильность, чем парафин, и более высокий остаток кокса при сгорании.

3. Стратегия выбора и оптимизация процесса

3.1. Синергетический дизайн с антипиренами

• Фосфорно-кремниевая синергия: При сочетании силиконовых смазок с фосфинатом алюминия силоксаны могут способствовать обогащению поверхности фосфорсодержащими антипиренами, образуя композитный защитный слой «Si-P-кокс», увеличивая КИ до более чем 35%.

• Синергия металлического мыла и гидроксида: При массовом соотношении 1:10 (стеарат кальция:ATH) образовавшийся алюминат кальция повышает прочность кокса, увеличивая остаток при 800°C с 22% до 28%.

3.2. Соответствие параметров обработки

• Контроль температуры: Оптимальная температура обработки для силиконовых смазок составляет 180-200°C; избегайте превышения 220°C, чтобы предотвратить разрыв связи Si-O. Добавляйте металлические мыла позже в цикле смешивания (130-150°C), чтобы предотвратить преждевременное разложение.

• Процесс диспергирования: Для систем с высоким наполнением используйте двухшнековые экструдеры с высоким сдвигом (скорость шнека 300-400 об/мин) для равномерного диспергирования смазок и антипиренов. Предварительное смешивание силиконового порошка с ATH и добавление в два этапа может увеличить прочность на разрыв на 12%.

3.3. Сертификация и проверка испытаний

• Основные испытания: Кислородный индекс (GB/T 2406.2) ≥32%; Вертикальное горение (UL94) V-0; Плотность дыма (GB/T 8323.2) Dm(4min) ≤75.

• Долгосрочные характеристики: После термического старения (120°C×168ч) изменение прочности на разрыв должно быть ≤±10%, а изменение удлинения при разрыве должно быть ≤±15%.

• Соответствие экологическим требованиям: Предпочтительны смазки, соответствующие требованиям RoHS и REACH. Для медицинских кабелей соответствовать стандартам, таким как USP Class VI.

4. Типичные примеры составов

4.1. Безгалогенный огнестойкий полиолефиновый кабельный компаунд

• Состав (массовые части): EVA (VA 18%) 100, Гидроксид магния 120, Силиконовый порошок 2, Стеарат кальция 1,5, Антиоксидант 1010 0,5, Светостабилизатор 770 0,3.

• Свойства: КИ 37%, Прочность на разрыв 11 МПа, Удлинение при разрыве 160%, Усадка при нагревании (120°C×24ч) 0,8%.

4.2. Высокоогнестойкий кабельный компаунд из ПВХ

• Состав (массовые части): ПВХ 100, Триоксид сурьмы 5, Фосфатный эфирный антипирен 20, Стеарат кальция 1,2, OPE воск 1,0, Эпоксидированное соевое масло 5.

• Свойства: UL94 V-0, КИ 34%, Удельное сопротивление поверхности >10^14 Ω·см. Подходит для кабелей промышленного управления.

5. Контроль рисков и тенденции отрасли

• Стабильность партии: Проводить термогравиметрический анализ (TGA) поступающих партий смазки, чтобы обеспечить начальную температуру разложения >250°C и содержание летучих веществ ≤0,5%.

• Альтернативная проверка: Использовать «пошаговый метод замены» для замены импортных смазок: начать с 30% отечественного продукта, постепенно увеличивая до 100% после проверки характеристик. Например, силиконовый порошок Yanshan Petrochemical успешно заменил Dow Corning DC-3200 в фотоэлектрических кабелях.

• Устойчивость: Биологические смазки (например, амиды на основе касторового масла) имеют примерно на 40% меньшие выбросы углерода, чем традиционные, а CO₂, выделяемый при сгорании, может поглощаться растениями, что соответствует таким нормам, как CBAM ЕС.

Заключение

Силиконовые смазки, металлические мыла, окисленный полиэтиленовый воск и микропорошки PTFE являются идеальным выбором для кабельных компаундов, которые сочетают в себе смазку и огнестойкость. Практическое применение требует оптимизации на основе конкретной системы антипиренов, условий обработки и требований к производительности, подтвержденной испытаниями в небольших масштабах на совместимость и характеристики горения.