Επιλογή Λιπαντικών με Ελάχιστο Αντίκτυπο στην Ευφλεκτότητα σε Συνθέσεις Ενώσεων Καλωδίων

Επιλογή Λιπαντικών με Ελάχιστο Αντίκτυπο στην Ευφλεκτότητα σε Συνθέσεις Καλωδίων

Εισαγωγή

Η επιλογή λιπαντικών σε συνθέσεις καλωδίων απαιτεί προσεκτική εξέταση του αντίκτυπού τους στην επιβράδυνση της φλόγας. Ένα βέλτιστο λιπαντικό θα πρέπει να παρέχει εξαιρετική βοήθεια στην επεξεργασία χωρίς να θέτει σε κίνδυνο την αντοχή του υλικού στη φωτιά. Αυτό το άρθρο περιγράφει συστάσεις βάσει χημικής δομής, θερμικής σταθερότητας και συνεργιστικών επιδράσεων με συστήματα επιβράδυνσης φλόγας, αντλώντας από βιομηχανικές πρακτικές και ερευνητικά δεδομένα.

1. Συνιστώμενοι Τύποι Λιπαντικών και Μηχανισμοί

1.1. Λιπαντικά με βάση τη σιλικόνη (Σκόνη/Λάδι Σιλικόνης)

• Βασικά Πλεονεκτήματα: Η ενέργεια του δεσμού Si-O στις σιλικόνες (452 kJ/mol) είναι σημαντικά υψηλότερη από τους δεσμούς C-C (348 kJ/mol). Σε υψηλές θερμοκρασίες, σχηματίζουν ένα πυκνό προστατευτικό στρώμα πυριτίου που αναστέλλει την εξάπλωση της φλόγας. Για παράδειγμα, η προσθήκη 0,5-3% της σειράς Javachem® GT (Zhejiang Jiahua) σε ενώσεις καλωδίων πολυολεφίνης χωρίς αλογόνο επιβράδυνσης φλόγας μπορεί να αυξήσει τον Δείκτη Οξυγόνου (OI) σε πάνω από 37%, να μειώσει τη συσσώρευση μήτρας και να αυξήσει την ταχύτητα γραμμής κατά 20%.

• Εφαρμογή: Κατάλληλο για ενώσεις καλωδίων με βάση EVA/PE, ειδικά σε συστήματα με υψηλή πλήρωση (>60% πληρωτικό). Η υδρόφοβη φύση τους μειώνει την απορρόφηση υγρασίας και βελτιώνει την αντοχή στις καιρικές συνθήκες.

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

1.2. Μεταλλικά Σαπούνια (Στεατικό Ασβέστιο/Ψευδάργυρος)

• Μηχανισμός Επιβράδυνσης Φλόγας: Το στεατικό ασβέστιο αποσυντίθεται στους 200-250°C, παράγοντας CaO και CO₂. Το CaO μπορεί να αντιδράσει με το Τριυδροξείδιο του Αργιλίου (ATH) για να σχηματίσει αλuminato ασβεστίου, ενισχύοντας την πυκνότητα του στρώματος άνθρακα. Μελέτες δείχνουν ότι 2-3% στεατικό ασβέστιο μπορεί να μειώσει τον Ρυθμό Μέγιστης Απελευθέρωσης Θερμότητας (PHRR) κατά 15% και να βελτιώσει τη διασπορά του πληρωτικού.

• Συμβατότητα Διαδικασίας: Εμφανίζει σημαντική συνέργεια με επιβραδυντικά φλόγας φωσφόρου-αζώτου (π.χ., MPP). Μπορεί να αντικαταστήσει μέρος των παραδοσιακών λιπαντικών σε συνθέσεις χωρίς αλογόνο χωρίς να επηρεάζει την βαθμολογία UL94 V-0 όταν χρησιμοποιείται σε 1-2%.

• Σημείωση: Η υπερβολική χρήση μπορεί να προκαλέσει άνθιση. Συνιστάται η χρήση σε συνδυασμό με εσωτερικά λιπαντικά (π.χ., στεατικό πενταερυθριτόλης).

1.3. Οξειδωμένο Κερί Πολυαιθυλενίου (OPE Wax)

• Χαρακτηριστικά: Η περιεκτικότητα σε καρβονύλιο (1,5-3%) βελτιώνει τη συμβατότητα με πολικά επιβραδυντικά φλόγας όπως το Υδροξείδιο του Μαγνησίου (MDH). Το οξειδωμένο στρώμα που σχηματίζεται σε υψηλές θερμοκρασίες μπορεί να καταστείλει την καύση. Δοκιμές δείχνουν ότι οι ενώσεις καλωδίων με 1,5% OPE κερί διατηρούν ένα OI 32%, 5 βαθμούς υψηλότερο από εκείνες με τυπικό κερί PE.

• Συμβουλές Εφαρμογής: Προτιμήστε βαθμίδες υψηλού σημείου τήξης (Σημείο Πτώσης: 105-115°C) με μοριακά βάρη μεταξύ 8000-15000, κατάλληλες για διαδικασίες εξώθησης στους 180-220°C.

• Τυπικές Βαθμίδες: Honeywell A-C 629, Clariant Licowax OP.

1.4. Μικροκόνη PTFE (Polytetrafluoroethylene)

• Χαρακτηριστικά Επιβράδυνσης Φλόγας: Το PTFE έχει υψηλή θερμοκρασία αποσύνθεσης (~500°C), παράγοντας μόνο ίχνη CO₂ και HF κατά την καύση. Το σχηματισμένο στρώμα άνθρακα αποτρέπει το στάξιμο τήγματος. Η προσθήκη 0,5-1% μικροκόνης PTFE σε επιβραδυντικό φλόγας PP μπορεί να μειώσει την εμφάνιση σταξίματος τήγματος από 70% σε κάτω από 10%.

• Ειδική Τιμή: Κατάλληλο για καλώδια χαμηλού καπνού (π.χ., σιδηροδρομική διέλευση), όπου ο πολύ χαμηλός συντελεστής τριβής (0,05-0,1) μειώνει τη θερμότητα τριβής διεπαφής κατά την εξώθηση υψηλής ταχύτητας.

• Τυπικές Βαθμίδες: DuPont Teflon® MP100, Daikin Polyflon® L-15.

2. Τύποι Λιπαντικών που Απαιτούν Προσοχή

2.1. Λιπαρά Οξέα (Στεατικό Οξύ/Ελαϊκό Οξύ)

• Ανάλυση Κινδύνου: Το στεατικό οξύ (C18H36O2) έχει υψηλή θερμότητα καύσης (42 MJ/kg, ~10% υψηλότερη από το PE). Η αποσύνθεσή του παράγει υδρογονάνθρακες μακράς αλυσίδας που μπορούν να προωθήσουν την εξάπλωση της φλόγας. Η προσθήκη άνω του 0,5% μπορεί να προκαλέσει την πτώση της βαθμολογίας UL94 από V-0 σε V-2.

• Εναλλακτικές λύσεις: Αντικαταστήστε πλήρως με στεατικό ασβέστιο ή χρησιμοποιήστε υδροξυστεατικό οξύ χαμηλού μοριακού βάρους (π.χ., 12-υδροξυστεατικό οξύ), το οποίο έχει 18% χαμηλότερη θερμότητα καύσης.

2.2. Τυπικές Αμίδες (EBS)

• Περιορισμοί: Το EBS αποσυντίθεται πάνω από 300°C, παράγοντας αμμωνία και αέρια νιτριλίου, τα οποία μπορεί να επηρεάσουν τον μηχανισμό σχηματισμού άνθρακα των επιβραδυντικών φλόγας με βάση τον φώσφορο. Πειράματα δείχνουν ότι 1% EBS μπορεί να αυξήσει τον χρόνο κάθετης καύσης κατά 2-3 δευτερόλεπτα.

• Κατεύθυνση Βελτίωσης: Χρησιμοποιήστε EBS τροποποιημένο με σιλάνιο (π.χ., Clariant Licowax EBS-S), όπου τα απελευθερωμένα σιλοξάνια κατά την καύση μπορούν να εξουδετερώσουν εν μέρει τις αρνητικές επιπτώσεις της αποσύνθεσης αμιδίου.

2.3. Παραφινικά Κεριά (Υγρή Παραφίνη/Μικροκρυσταλλικό Κερί)

• Κίνδυνοι Καύσης: Τα πτητικά συστατικά της παραφίνης τείνουν να μεταναστεύουν στην επιφάνεια, σχηματίζοντας ένα εύφλεκτο στρώμα. Σε δοκιμές OI, η προσθήκη 2% παραφίνης μπορεί να μειώσει την τιμή OI κατά 3-5 μονάδες.

• Εναλλακτικές λύσεις: Χρησιμοποιήστε κεριά Fischer-Tropsch υψηλού σημείου τήξης (>90°C), τα οποία έχουν στενή κατανομή μοριακού βάρους, καλύτερη θερμική σταθερότητα από την παραφίνη και υψηλότερο υπόλειμμα άνθρακα κατά την καύση.

3. Στρατηγική Επιλογής και Βελτιστοποίηση Διαδικασίας

3.1. Συνεργιστικός Σχεδιασμός με Επιβραδυντικά Φλόγας

• Συνέργεια Φωσφόρου-Πυριτίου: Όταν τα λιπαντικά σιλικόνης συνδυάζονται με φωσφινικό αργίλιο, τα σιλοξάνια μπορούν να προωθήσουν τον εμπλουτισμό της επιφάνειας των επιβραδυντικών φλόγας με βάση τον φώσφορο, σχηματίζοντας ένα σύνθετο προστατευτικό στρώμα "Si-P-char", αυξάνοντας το OI σε πάνω από 35%.

• Συνέργεια Μεταλλικού Σαπουνιού-Υδροξειδίου: Σε αναλογία μάζας 1:10 (στεατικό ασβέστιο:ATH), το σχηματισμένο αλuminato ασβεστίου ενισχύει την αντοχή του άνθρακα, αυξάνοντας το υπόλειμμα στους 800°C από 22% σε 28%.

3.2. Αντιστοίχιση Παραμέτρων Επεξεργασίας

• Έλεγχος Θερμοκρασίας: Η βέλτιστη θερμοκρασία επεξεργασίας για λιπαντικά σιλικόνης είναι 180-200°C. Αποφύγετε την υπέρβαση των 220°C για να αποτρέψετε τη θραύση του δεσμού Si-O. Προσθέστε μεταλλικά σαπούνια αργότερα στον κύκλο ανάμειξης (130-150°C) για να αποτρέψετε την πρόωρη αποσύνθεση.

• Διαδικασία Διασποράς: Για συστήματα με υψηλή πλήρωση, χρησιμοποιήστε διπλούς κοχλίες με υψηλή διάτμηση (ταχύτητα κοχλία 300-400 rpm) για ομοιόμορφη διασπορά λιπαντικών και επιβραδυντικών φλόγας. Η προ-ανάμειξη σκόνης σιλικόνης με ATH και η προσθήκη σε δύο στάδια μπορεί να αυξήσει την αντοχή σε εφελκυσμό κατά 12%.

3.3. Πιστοποίηση και Επικύρωση Δοκιμών

• Βασικές Δοκιμές: Δείκτης Οξυγόνου (GB/T 2406.2) ≥32%; Κάθετη Καύση (UL94) V-0; Πυκνότητα Καπνού (GB/T 8323.2) Dm(4min) ≤75.

• Μακροπρόθεσμη Απόδοση: Μετά από θερμική γήρανση (120°C×168h), η αλλαγή στην αντοχή σε εφελκυσμό θα πρέπει να είναι ≤±10% και η αλλαγή στην επιμήκυνση κατά τη θραύση θα πρέπει να είναι ≤±15%.

• Περιβαλλοντική Συμμόρφωση: Προτιμήστε λιπαντικά που συμμορφώνονται με τα RoHS και REACH. Για ιατρικά καλώδια, συμμορφωθείτε με πρότυπα όπως το USP Class VI.

4. Τυπικά Παραδείγματα Σύνθεσης

4.1. Ένωση Καλωδίων Πολυολεφίνης Επιβράδυνσης Φλόγας Χωρίς Αλογόνο

• Σύνθεση (μέρη κατά βάρος): EVA (VA 18%) 100, Υδροξείδιο του Μαγνησίου 120, Σκόνη Σιλικόνης 2, Στεατικό Ασβέστιο 1,5, Αντιοξειδωτικό 1010 0,5, Σταθεροποιητής Φωτός 770 0,3.

• Ιδιότητες: OI 37%, Αντοχή σε εφελκυσμό 11 MPa, Επιμήκυνση κατά τη θραύση 160%, Συρρίκνωση θερμότητας (120°C×24h) 0,8%.

4.2. Ένωση Καλωδίων PVC Υψηλής Επιβράδυνσης Φλόγας

• Σύνθεση (μέρη κατά βάρος): PVC 100, Τριοξείδιο του Αντιμονίου 5, Επιβραδυντικό φλόγας φωσφορικού εστέρα 20, Στεατικό ασβέστιο 1,2, OPE κερί 1,0, Εποξειδωμένο έλαιο σόγιας 5.

• Ιδιότητες: UL94 V-0, OI 34%, Αντίσταση επιφάνειας >10^14 Ω·cm. Κατάλληλο για βιομηχανικά καλώδια ελέγχου.

5. Έλεγχος Κινδύνων και Βιομηχανικές Τάσεις

• Σταθερότητα παρτίδας: Πραγματοποιήστε Θερμοβαρυμετρική Ανάλυση (TGA) σε εισερχόμενες παρτίδες λιπαντικών για να εξασφαλίσετε αρχική θερμοκρασία αποσύνθεσης >250°C και πτητικά ≤0,5%.

• Επικύρωση Εναλλακτικών: Χρησιμοποιήστε μια "σταδιακή μέθοδο αντικατάστασης" για την αντικατάσταση των εισαγόμενων λιπαντικών: ξεκινήστε με 30% εγχώριο προϊόν, αυξήστε σταδιακά σε 100% μετά την επαλήθευση της απόδοσης. Για παράδειγμα, η σκόνη σιλικόνης της Yanshan Petrochemical έχει αντικαταστήσει με επιτυχία την Dow Corning DC-3200 σε φωτοβολταϊκά καλώδια.

• Βιωσιμότητα: Τα λιπαντικά βιολογικής βάσης (π.χ., αμίδες με βάση το καστορέλαιο) έχουν ~40% χαμηλότερες εκπομπές άνθρακα από τα παραδοσιακά, και το CO₂ που απελευθερώνεται κατά την καύση μπορεί να απορροφηθεί από τα φυτά, ευθυγραμμίζοντας με κανονισμούς όπως το CBAM της ΕΕ.

Συμπέρασμα

Τα λιπαντικά με βάση τη σιλικόνη, τα μεταλλικά σαπούνια, το οξειδωμένο κερί πολυαιθυλενίου και οι μικροκόνεις PTFE είναι ιδανικές επιλογές για ενώσεις καλωδίων που εξισορροπούν τη λίπανση και την επιβράδυνση της φλόγας. Η πρακτική εφαρμογή απαιτεί βελτιστοποίηση με βάση το συγκεκριμένο σύστημα επιβράδυνσης φλόγας, τις συνθήκες επεξεργασίας και τις απαιτήσεις απόδοσης, επικυρωμένες μέσω δοκιμών μικρής κλίμακας για συμβατότητα και απόδοση καύσης.