Selectie van smeermiddelen met minimale impact op ontvlambaarheid in kabelcompoundformuleringen

Selectie van smeermiddelen met minimale impact op ontvlambaarheid in kabelcompoundformuleringen

Inleiding

De selectie van smeermiddelen in kabelcompoundformuleringen vereist een zorgvuldige afweging van hun impact op vlamvertraging. Een optimaal smeermiddel moet een uitstekende verwerkingshulp bieden zonder de brandwerendheid van het materiaal in gevaar te brengen. Dit artikel schetst aanbevelingen op basis van chemische structuur, thermische stabiliteit en synergetische effecten met vlamvertragende systemen, gebaseerd op industriële praktijken en onderzoeksgegevens.

1. Aanbevolen smeermiddelen en mechanismen

1.1. Siliconen-gebaseerde smeermiddelen (siliconenpoeder/olie)

• Belangrijkste voordelen:De Si-O-bindingsenergie in siliconen (452 kJ/mol) is aanzienlijk hoger dan die van C-C-bindingen (348 kJ/mol). Bij hoge temperaturen vormen ze een dichte silica-beschermlaag die de vlamverspreiding remt. Zo kan het toevoegen van 0,5-3% Javachem® GT-serie (Zhejiang Jiahua) aan halogeenvrije vlamvertragende polyolefine kabelcompounds de Oxygen Index (OI) verhogen tot meer dan 37%, de opbouw van de matrijs verminderen en de lijnsnelheid met 20% verhogen.

• Toepassing:Geschikt voor EVA/PE-gebaseerde kabelcompounds, vooral in sterk gevulde systemen (>60% vulstof). Hun hydrofobe aard vermindert vochtopname en verbetert de weersbestendigheid.

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

1.2. Metaalzeep (calcium/zinkstearaat)

• Mechanisme van vlamvertraging:Calciumstearaat ontleedt bij 200-250°C, waarbij CaO en CO₂ worden gegenereerd. CaO kan reageren met aluminiumtrihydroxide (ATH) om calciumaluminaat te vormen, waardoor de dichtheid van de verkoolde laag wordt verhoogd. Studies tonen aan dat 2-3% calciumstearaat de Peak Heat Release Rate (PHRR) met 15% kan verminderen en de vulstofdispersie kan verbeteren.

• Procescompatibiliteit:Toont significante synergie met fosfor-stikstof vlamvertragers (bijv. MPP). Kan een deel van de traditionele smeermiddelen in halogeenvrije formuleringen vervangen zonder de UL94 V-0-classificatie te beïnvloeden bij gebruik van 1-2%.

• Opmerking:Overmatig gebruik kan bloeien veroorzaken; aanbevolen om te gebruiken in combinatie met interne smeermiddelen (bijv. pentaerythritolstearaat).

1.3. Geoxideerde polyethyleenwas (OPE-was)

• Eigenschappen:Het carbonylgehalte (1,5-3%) verbetert de compatibiliteit met polaire vlamvertragers zoals magnesiumhydroxide (MDH). De geoxideerde laag die bij hoge temperaturen wordt gevormd, kan de verbranding onderdrukken. Tests tonen aan dat kabelcompounds met 1,5% OPE-was een OI van 32% behouden, 5 punten hoger dan die met standaard PE-was.

• Toepassingsadvies:Geef de voorkeur aan kwaliteiten met een hoog smeltpunt (druppelpunt: 105-115°C) met molecuulgewichten tussen 8000-15000, geschikt voor extrusieprocessen bij 180-220°C.

• Typische kwaliteiten:Honeywell A-C 629, Clariant Licowax OP.

1.4. Polytetrafluorethyleen (PTFE) micropoeder

• Kenmerken van vlamvertraging:PTFE heeft een hoge ontledingstemperatuur (~500°C), waarbij slechts sporen van CO₂ en HF vrijkomen bij verbranding. De gevormde verkoolde laag voorkomt smeltdruppels. Het toevoegen van 0,5-1% PTFE-micropoeder aan vlamvertragend PP kan de incidentie van smeltdruppels verminderen van 70% tot minder dan 10%.

• Specifieke waarde:Geschikt voor rookarme kabels (bijv. railvervoer), waar de zeer lage wrijvingscoëfficiënt (0,05-0,1) de warmte door wrijving aan het grensvlak tijdens hogesnelheidsextrusie vermindert.

• Typische kwaliteiten:DuPont Teflon® MP100, Daikin Polyflon® L-15.

2. Smeermiddelen die voorzichtigheid vereisen

2.1. Vetzuren (stearinezuur/oliezuur)

• Risicoanalyse:Stearinezuur (C18H36O2) heeft een hoge verbrandingswarmte (42 MJ/kg, ~10% hoger dan PE). De ontleding ervan produceert lange-keten koolwaterstoffen die de vlamverspreiding kunnen bevorderen. Het toevoegen van meer dan 0,5% kan ertoe leiden dat de UL94-classificatie daalt van V-0 naar V-2.

• Alternatieven:Volledig vervangen door calciumstearaat of gebruik lage molecuulgewicht hydroxystearinezuur (bijv. 12-hydroxystearinezuur), dat 18% lagere verbrandingswarmte heeft.

2.2. Standaard amiden (EBS)

• Beperkingen:EBS ontleedt boven 300°C, waarbij ammoniak- en nitrilgassen worden gegenereerd, die de char-vormende mechanismen van fosforgebaseerde vlamvertragers kunnen verstoren. Experimenten tonen aan dat 1% EBS de verticale brandtijd met 2-3 seconden kan verlengen.

• Verbeteringsrichting:Gebruik silaan-gemodificeerde EBS (bijv. Clariant Licowax EBS-S), waarbij vrijgekomen siloxanen tijdens de verbranding de negatieve effecten van amide-ontleding gedeeltelijk kunnen neutraliseren.

2.3. Paraffinewassen (vloeibare paraffine/microkristallijne was)

• Verbrandingsrisico's:Vluchtige componenten van paraffine hebben de neiging om naar het oppervlak te migreren, waardoor een ontvlambare laag wordt gevormd. In OI-tests kan het toevoegen van 2% paraffine de OI-waarde met 3-5 punten verlagen.

• Alternatieven:Gebruik Fischer-Tropsch-wassen met een hoog smeltpunt (>90°C), die een smalle molecuulgewichtverdeling hebben, een betere thermische stabiliteit dan paraffine en een hoger char-residu bij verbranding.

3. Selectiestrategie en procesoptimalisatie

3.1. Synergetisch ontwerp met vlamvertragers

• Fosfor-siliciumsynergie:Wanneer siliconensmeermiddelen worden gecombineerd met aluminiumfosfinaat, kunnen siloxanen de oppervlakteverrijking van fosforgebaseerde vlamvertragers bevorderen, waardoor een "Si-P-char" composiet beschermlaag wordt gevormd, waardoor de OI tot meer dan 35% wordt verhoogd.

• Metaalzeep-hydroxidesynergie:Bij een massaverhouding van 1:10 (calciumstearaat:ATH) verbetert het gevormde calciumaluminaat de char-sterkte, waardoor het residu bij 800°C toeneemt van 22% naar 28%.

3.2. Matching van procesparameters

• Temperatuurregeling:De optimale procestemperatuur voor siliconensmeermiddelen is 180-200°C; vermijd overschrijding van 220°C om Si-O-bindingsbreuk te voorkomen. Voeg metaalzepen later in de mengcyclus toe (130-150°C) om voortijdige ontleding te voorkomen.

• Dispersieproces:Gebruik voor sterk gevulde systemen dubbelschroefsextruders met hoge afschuiving (schroefsnelheid 300-400 tpm) voor een uniforme dispersie van smeermiddelen en vlamvertragers. Het voormengen van siliconenpoeder met ATH en het in twee stappen toevoegen kan de treksterkte met 12% verhogen.

3.3. Certificering en testvalidatie

• Basistests:Oxygen Index (GB/T 2406.2) ≥32%; Vertical Burning (UL94) V-0; Rookdichtheid (GB/T 8323.2) Dm(4min) ≤75.

• Lange termijn prestaties:Na thermische veroudering (120°C×168h) moet de verandering in treksterkte ≤±10% zijn en de verandering in rek bij breuk ≤±15%.

• Milieuconformiteit:Geef de voorkeur aan smeermiddelen die voldoen aan RoHS en REACH. Voor medische kabels, voldoen aan normen zoals USP Klasse VI.

4. Typische formuleringvoorbeelden

4.1. Halogeenvrije vlamvertragende polyolefine kabelcompound

• Formulering (gewichtsdelen):EVA (VA 18%) 100, Magnesiumhydroxide 120, Siliconenpoeder 2, Calciumstearaat 1,5, Antioxidant 1010 0,5, Lichtstabilisator 770 0,3.

• Eigenschappen:OI 37%, Treksterkte 11 MPa, Rek bij breuk 160%, Krimp bij hitte (120°C×24h) 0,8%.

4.2. Hoge vlamvertragende PVC-kabelcompound

• Formulering (gewichtsdelen):PVC 100, Antimoon trioxide 5, Fosfaatester vlamvertrager 20, Calciumstearaat 1,2, OPE-was 1,0, Geëpoxeerde sojaolie 5.

• Eigenschappen:UL94 V-0, OI 34%, Oppervlakteweerstand >10^14 Ω·cm. Geschikt voor industriële besturingskabels.

5. Risicobeheersing en industriële trends

• Batchstabiliteit:Voer thermogravimetrische analyse (TGA) uit op inkomende smeermiddelbatches om ervoor te zorgen dat de initiële ontledingstemperatuur >250°C is en de vluchtige stoffen ≤0,5%.

• Alternatieve validatie:Gebruik een "stapsgewijze vervangingsmethode" voor het vervangen van geïmporteerde smeermiddelen: begin met 30% binnenlands product, geleidelijk verhogen tot 100% na prestatieverificatie. Zo heeft siliconenpoeder van Yanshan Petrochemical met succes Dow Corning DC-3200 vervangen in fotovoltaïsche kabels.

• Duurzaamheid:Bio-gebaseerde smeermiddelen (bijv. ricinusolie-gebaseerde amiden) hebben ~40% lagere koolstofemissies dan traditionele, en de CO₂ die vrijkomt tijdens de verbranding kan worden geabsorbeerd door planten, in overeenstemming met regelgeving zoals de EU's CBAM.

Conclusie

Siliconen-gebaseerde smeermiddelen, metaalzepen, geoxideerde polyethyleenwas en PTFE-micropoeders zijn ideale keuzes voor kabelcompounds die smering en vlamvertraging in evenwicht brengen. Praktische toepassing vereist optimalisatie op basis van het specifieke vlamvertragende systeem, de procesomstandigheden en de prestatie-eisen, gevalideerd door kleinschalige proeven voor compatibiliteit en brandgedrag.