Selezione di lubrificanti con impatto minimo sull'infiammabilità nelle formulazioni di composti per cavi

Selezione di lubrificanti con impatto minimo sull'infiammabilità nelle formulazioni di composti per cavi

Introduzione

La selezione dei lubrificanti nelle formulazioni di composti per cavi richiede un'attenta considerazione del loro impatto sulla ritardanza di fiamma. Un lubrificante ottimale dovrebbe fornire un'eccellente assistenza alla lavorazione senza compromettere la resistenza al fuoco del materiale. Questo articolo delinea le raccomandazioni basate sulla struttura chimica, sulla stabilità termica e sugli effetti sinergici con i sistemi ritardanti di fiamma, attingendo dalle pratiche del settore e dai dati di ricerca.

1. Tipi di lubrificanti raccomandati e meccanismi

1.1. Lubrificanti a base di silicone (polvere/olio di silicone)

• Vantaggi chiave:L'energia di legame Si-O nei siliconi (452 kJ/mol) è significativamente superiore a quella dei legami C-C (348 kJ/mol). Ad alte temperature, formano uno strato protettivo denso di silice che inibisce la propagazione della fiamma. Ad esempio, l'aggiunta dello 0,5-3% della serie Javachem® GT (Zhejiang Jiahua) ai composti per cavi poliolefinici ignifughi senza alogeni può aumentare l'Indice di Ossigeno (OI) a oltre il 37%, ridurre l'accumulo sulla filiera e aumentare la velocità della linea del 20%.

• Applicazione:Adatto per composti per cavi a base di EVA/PE, specialmente in sistemi altamente caricati (>60% di carica). La loro natura idrofoba riduce l'assorbimento di umidità e migliora la resistenza agli agenti atmosferici.

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

1.2. Sali metallici (stearato di calcio/zinco)

• Meccanismo di ritardanza di fiamma:Lo stearato di calcio si decompone a 200-250°C, generando CaO e CO₂. Il CaO può reagire con l'idrossido di alluminio (ATH) per formare alluminato di calcio, migliorando la densità dello strato di carbone. Gli studi dimostrano che il 2-3% di stearato di calcio può ridurre il Peak Heat Release Rate (PHRR) del 15% e migliorare la dispersione della carica.

• Compatibilità del processo:Mostra una significativa sinergia con i ritardanti di fiamma fosforo-azoto (ad esempio, MPP). Può sostituire parte dei lubrificanti tradizionali nelle formulazioni senza alogeni senza influire sulla classificazione UL94 V-0 se utilizzato all'1-2%.

• Nota:L'uso eccessivo può causare fioritura; si consiglia di utilizzare in combinazione con lubrificanti interni (ad esempio, stearato di pentaeritritolo).

1.3. Cera di polietilene ossidata (cera OPE)

• Caratteristiche:Il contenuto di carbonile (1,5-3%) migliora la compatibilità con i ritardanti di fiamma polari come l'idrossido di magnesio (MDH). Lo strato ossidato formato ad alte temperature può sopprimere la combustione. I test mostrano che i composti per cavi con l'1,5% di cera OPE mantengono un OI di 32%, 5 punti in più rispetto a quelli con cera PE standard.

• Consigli per l'applicazione:Preferire gradi ad alto punto di fusione (punto di goccia: 105-115°C) con pesi molecolari compresi tra 8000-15000, adatti ai processi di estrusione a 180-220°C.

• Gradi tipici:Honeywell A-C 629, Clariant Licowax OP.

1.4. Micropolvere di politetrafluoroetilene (PTFE)

• Caratteristiche di ritardanza di fiamma:Il PTFE ha un'elevata temperatura di decomposizione (~500°C), producendo solo tracce di CO₂ e HF durante la combustione. Lo strato di carbone formato impedisce il gocciolamento del fuso. L'aggiunta dello 0,5-1% di micropolvere di PTFE al PP ignifugo può ridurre l'incidenza del gocciolamento del fuso dal 70% a meno del 10%.

• Valore specifico:Adatto per cavi a basso fumo (ad esempio, trasporto ferroviario), dove il suo bassissimo coefficiente di attrito (0,05-0,1) riduce il calore di attrito interfacciale durante l'estrusione ad alta velocità.

• Gradi tipici:DuPont Teflon® MP100, Daikin Polyflon® L-15.

2. Tipi di lubrificanti che richiedono cautela

2.1. Acidi grassi (acido stearico/acido oleico)

• Analisi dei rischi:L'acido stearico (C18H36O2) ha un'elevata calore di combustione (42 MJ/kg, ~10% in più rispetto al PE). La sua decomposizione produce idrocarburi a catena lunga che possono favorire la propagazione della fiamma. L'aggiunta di oltre lo 0,5% può causare la riduzione della classificazione UL94 da V-0 a V-2.

• Alternative:Sostituire completamente con stearato di calcio o utilizzare acido idrossistearico a basso peso molecolare (ad esempio, acido 12-idrossistearico), che ha il 18% in meno di calore di combustione.

2.2. Ammidi standard (EBS)

• Limitazioni:L'EBS si decompone sopra i 300°C, generando ammoniaca e gas nitrilici, che possono interferire con il meccanismo di formazione del carbone dei ritardanti di fiamma a base di fosforo. Gli esperimenti dimostrano che l'1% di EBS può aumentare il tempo di combustione verticale di 2-3 secondi.

• Direzione di miglioramento:Utilizzare EBS modificato con silano (ad esempio, Clariant Licowax EBS-S), dove i silossani rilasciati durante la combustione possono contrastare parzialmente gli effetti negativi della decomposizione dell'ammide.

2.3. Cere di paraffina (paraffina liquida/cera microcristallina)

• Rischi di combustione:I componenti volatili della paraffina tendono a migrare in superficie, formando uno strato infiammabile. Nei test OI, l'aggiunta del 2% di paraffina può diminuire il valore OI di 3-5 punti.

• Alternative:Utilizzare cere Fischer-Tropsch ad alto punto di fusione (>90°C), che hanno una distribuzione del peso molecolare ristretta, una migliore stabilità termica rispetto alla paraffina e un residuo di carbone più elevato durante la combustione.

3. Strategia di selezione e ottimizzazione del processo

3.1. Progettazione sinergica con ritardanti di fiamma

• Sinergia fosforo-silicio:Quando i lubrificanti siliconici vengono combinati con il fosfinato di alluminio, i silossani possono promuovere l'arricchimento superficiale dei ritardanti di fiamma a base di fosforo, formando uno strato protettivo composito "Si-P-carbone", aumentando l'OI a oltre il 35%.

• Sinergia sapone metallico-idrossido:Con un rapporto in massa di 1:10 (stearato di calcio:ATH), l'alluminato di calcio formato migliora la resistenza del carbone, aumentando il residuo a 800°C dal 22% al 28%.

3.2. Corrispondenza dei parametri di processo

• Controllo della temperatura:La temperatura di processo ottimale per i lubrificanti siliconici è 180-200°C; evitare di superare i 220°C per prevenire la rottura del legame Si-O. Aggiungere i saponi metallici più tardi nel ciclo di miscelazione (130-150°C) per prevenire la decomposizione prematura.

• Processo di dispersione:Per sistemi altamente caricati, utilizzare estrusori a doppia vite con elevato taglio (velocità della vite 300-400 rpm) per una dispersione uniforme di lubrificanti e ritardanti di fiamma. La pre-miscelazione della polvere di silicone con ATH e l'aggiunta in due fasi possono aumentare la resistenza alla trazione del 12%.

3.3. Certificazione e convalida dei test

• Test di base:Indice di ossigeno (GB/T 2406.2) ≥32%; Combustione verticale (UL94) V-0; Densità del fumo (GB/T 8323.2) Dm(4min) ≤75.

• Prestazioni a lungo termine:Dopo l'invecchiamento termico (120°C×168h), la variazione della resistenza alla trazione dovrebbe essere ≤±10% e la variazione dell'allungamento a rottura dovrebbe essere ≤±15%.

• Conformità ambientale:Preferire lubrificanti conformi a RoHS e REACH. Per i cavi medicali, rispettare gli standard come USP Classe VI.

4. Esempi di formulazioni tipiche

4.1. Composto per cavi poliolefinici ignifughi senza alogeni

• Formulazione (parti in peso):EVA (VA 18%) 100, Idrossido di magnesio 120, Polvere di silicone 2, Stearato di calcio 1,5, Antiossidante 1010 0,5, Stabilizzatore alla luce 770 0,3.

• Proprietà:OI 37%, Resistenza alla trazione 11 MPa, Allungamento a rottura 160%, Ritiro termico (120°C×24h) 0,8%.

4.2. Composto per cavi in PVC ad alta ritardanza di fiamma

• Formulazione (parti in peso):PVC 100, Triossido di antimonio 5, Ritardante di fiamma estere fosfato 20, Stearato di calcio 1,2, Cera OPE 1,0, Olio di soia epossidato 5.

• Proprietà:UL94 V-0, OI 34%, Resistività superficiale >10^14 Ω·cm. Adatto per cavi di controllo industriale.

5. Controllo dei rischi e tendenze del settore

• Stabilità del lotto:Eseguire l'analisi termogravimetrica (TGA) sui lotti di lubrificante in entrata per garantire una temperatura di decomposizione iniziale >250°C e volatili ≤0,5%.

• Convalida alternativa:Utilizzare un "metodo di sostituzione graduale" per la sostituzione dei lubrificanti importati: iniziare con il 30% di prodotto nazionale, aumentare gradualmente fino al 100% dopo la verifica delle prestazioni. Ad esempio, la polvere di silicone di Yanshan Petrochemical ha sostituito con successo Dow Corning DC-3200 nei cavi fotovoltaici.

• Sostenibilità:I lubrificanti a base biologica (ad esempio, ammidi a base di olio di ricino) hanno emissioni di carbonio inferiori di ~40% rispetto a quelli tradizionali e la CO₂ rilasciata durante la combustione può essere assorbita dalle piante, in linea con normative come il CBAM dell'UE.

Conclusione

I lubrificanti a base di silicone, i saponi metallici, la cera di polietilene ossidata e le micropolveri di PTFE sono scelte ideali per i composti per cavi che bilanciano la lubrificazione e la ritardanza di fiamma. L'applicazione pratica richiede l'ottimizzazione in base allo specifico sistema ritardante di fiamma, alle condizioni di processo e ai requisiti di prestazione, convalidati attraverso prove su piccola scala per la compatibilità e le prestazioni di combustione.