Anwendungsstatus von halogenfreien flammhemmenden Polyolefin-Stromkabelmaterialien

Anwendungsstatus von halogenfreien flammhemmenden Polyolefin-Stromkabelmaterialien

Mit der rasanten Entwicklung der Binnenwirtschaft, der Elektrizitätswirtschaft, der Bau- und Kommunikationsindustrie und anderen Branchen besteht eine immer höhere Nachfrage nach Drähten und Kabeln. Die Produktion von Polyolefinkabeln verzeichnete einen beispiellosen exponentiellen Wachstumstrend. Es wird erwartet, dass bis 2024 das Ausmaß der Nachfrage Chinas nach Draht und Kabel werden voraussichtlich 1,9 Billionen Yuan übersteigen, die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate liegt bei etwa 4 %, die Marktnachfrage nach halogenfreien flammhemmenden Draht- und Kabelmaterialien beträgt etwa 200 kt, es wird erwartet, dass dies in den nächsten 3 bis 5 Jahren der Fall sein wird Es wird erwartet, dass die Nachfrage nach dieser Art von Kabeln in den nächsten 3 bis 5 Jahren um etwa 10 % steigen wird und bis 2025 die Nachfrage nach halogenfreien, flammhemmenden Draht- und Kabelmaterialien etwa 350 kt erreichen wird.Polyolefinmaterialien, die üblicherweise in Kabeln verwendet werden, weisen eine relativ hohe Entflammbarkeit auf, neigen bei hohen Temperaturen zur Zersetzung und Verbrennung und erzeugen bei der Verbrennung eine große Anzahl geschmolzener Tröpfchen, die andere brennbare Stoffe entzünden und das Ausmaß des Feuers vergrößern, was zu schweren Verlusten führen kann und enorme wirtschaftliche Verluste.Daher ist die Forschung zu flammhemmenden Polyolefinkabeln ein Brennpunkt der Besorgnis.

Flammhemmende Polyolefin-Kabelmaterialien sind durch flammhemmende Zusätze für Kabelisolationsmaterialien und Mantelmaterialien flammhemmend modifiziert.Polyolefin-Basismaterialien für flammhemmende Kabel sollten die folgenden Anforderungen erfüllen:

(1) gute elektrische Eigenschaften, mechanische Eigenschaften und Verarbeitungseigenschaften haben;

(2) trägt dazu bei, die Füllmenge an flammhemmenden Additiven zu erhöhen.

Zusätze für flammhemmende Kabel sollten folgende Anforderungen erfüllen:

(1) selbst hat flammhemmende Eigenschaften;

(2) Reduzieren Sie die Rauchentwicklung und die Toxizität von Polyolefin-Kabelmaterialien.

(3) die elektrischen Eigenschaften, mechanischen Eigenschaften und Verarbeitungseigenschaften flammhemmender Kabelmaterialien aufrechterhalten.

Dieser Artikel beginnt mit der Auswahl von halogenfreien flammhemmenden Polyolefin-Matrixmaterialien für Kabel, um die Pyrolyse von Polyolefinen und den Flammschutzmechanismus zu analysieren. Anschließend werden die Arten von Flammschutzadditiven und der Flammschutzmechanismus erörtert und schließlich der aktuelle Stand der Flammenforschung erörtert Technologie des flammhemmenden Polyolefin-Kabelmaterials, Vor- und Nachteile sowie spezifische Anwendungen.

1. Auswahl des Grundmaterials für flammhemmendes Kabelmaterial

Als Träger der Stromübertragung sind die Isolationsleistung und die mechanische Festigkeit des Kabels von entscheidender Bedeutung, und das Kabelmatrixmaterial hat direkten Einfluss auf die elektrischen und mechanischen Eigenschaften des Kabelmaterials.Mittlerweile stehen neben Polypropylen als Basis des Stromkabelmaterials auch weit verbreitete Polyolefin-Kabelmatrixmaterialien für Polyethylen und vernetztes Polyethylen im Mittelpunkt der Forschung.

SPORT

PE hat keine polaren Gruppen in seiner Molekülstruktur und ist ein unpolares Polymermaterial, während halogenfreie Flammschutzmittel im Allgemeinen eine starke Polarität und eine schlechte Kompatibilität mit PE aufweisen.Daher ist die Verbesserung der Polarität des PE-Kabelgrundmaterials oder die Verwendung von Haftvermittlern zur Behandlung flammhemmender Additive, um die Füllmenge und Kompatibilität nichthalogenierter Flammschutzmittel zu verbessern, ein wichtiger Schritt zur Verbesserung der flammhemmenden Leistung von PE.Die häufig verwendete Methode zur Verbesserung der Polarität von PE-Grundmaterial besteht darin, PE mit polareren Polymeren zu mischen und zu modifizieren, darunter: EVA, EEA und EPDM.Einerseits führt die Zugabe dieser Copolymere polare Gruppen ein, was wiederum die Affinität zwischen der Polymermatrix und dem anorganischen Flammschutzmittel verbessert und den Füllstoffanteil des Flammschutzmittels erhöhen und die Flammschutzeigenschaften des Verbundmaterials verbessern kann .Andererseits weisen diese Copolymere gute Biege- und Zähigkeitseigenschaften sowie eine gute Beständigkeit gegen Spannungsrisse und Hafteigenschaften auf, insbesondere können die mechanischen Eigenschaften verbessert werden.

PP

Aufgrund seiner hervorragenden elektrischen Eigenschaften, seiner Beständigkeit gegen chemische Reagenzien und seiner Ölbeständigkeit wird PP in einer Vielzahl von Branchen häufig für Drähte und Kabel für elektrische Geräte verwendet.Die üblichen PP-Materialien weisen eine schlechte Zähigkeit und Schlagfestigkeit auf, und Forscher haben sie durch Copolymerisation, Mischung, Pfropfung, Nanozugabe usw. modifiziert und die mechanischen und elektrischen Eigenschaften wurden erheblich verbessert.Im Vergleich zu XLPE-Kabeln ist das modifizierte thermoplastische PP einfacher zu verarbeiten und verfügt über Recyclingeigenschaften, was die Kabelproduktionsrate verbessert und die Produktionskosten erheblich senkt.Darüber hinaus ist die Temperaturbeständigkeit von PP-Kabeln höher als die von XLPE, was die Kabelkapazität erheblich verbessern kann, was im Bereich der Stromkabel mit Spannung erwartet wird.

Die Verbrennungswärme von PP ist sehr hoch, der Kohlenstoffgehalt ist niedrig, und PP ist ein flammhemmendes Kabelmaterial. Der Hauptnachteil seiner Molekülkette ist kürzer und die Kristallinität höher Menge an Flammschutzmittel, die zu einer erheblichen Verschlechterung der Verarbeitungs- und mechanischen Eigenschaften von PP führt.Insbesondere wenn das Kabel gebogen werden muss, ist seine Biegefestigkeit ebenfalls gering, und es kann beim Transport und beim Verlegen zu mechanischen Schäden kommen.Unter der Prämisse, die mechanischen Eigenschaften von PP nicht zu beeinträchtigen, ist die Verbesserung seiner flammhemmenden Eigenschaften daher zu einem Schwerpunkt der Forschung zur flammhemmenden Modifizierung von PP geworden.

Es gibt verschiedene Methoden zur Modifizierung des flammhemmenden PP-Grundmaterials, die effektivste Methode ist jedoch die Mischung und Copolymerisation im Bereich der Kabelisolierung.Bei der Mischungsmodifikation handelt es sich um PP und andere Elastomere: PE, EVA, POE-Mischung, bei der Copolymerisationsmodifikation handelt es sich um eine PP-Molekülkette, die mit einer Ethylen- oder Propylen-Molekülkette verbunden ist.Diese beiden Methoden mit niedrigen Kosten, einfachen Prozessen und technischer Flexibilität haben im In- und Ausland gute Entwicklungsaussichten.

2. Flammhemmende Polyolefin-Kabeltypen

Verbrennungseigenschaften von Polyolefinen

Der C- und H-Gehalt von PE und PP sowie anderen Polyolefinbestandteilen ist extrem hoch und daher sehr leicht zu verbrennen. Die Grenze des Sauerstoffindex liegt bei nur 17 % und im Verbrennungsprozess besteht die Gefahr von Schmelztröpfchen und verzögertem Brandphänomen .Der Polyolefin-Verbrennungsprozess besteht aus dem Erweichen, der Zersetzung und der Verbrennung in drei Stufen, in denen der Zersetzungsprozess eine große Anzahl brennbarer Substanzen erzeugt und die während des Verbrennungsprozesses freigesetzte Wärme die Zersetzung des Polyolefins fördert.Daher manifestiert sich der Flammschutzmechanismus flammhemmender Polyolefin-Kabelmaterialien hauptsächlich in der Verwendung von Flammschutzmitteln, um die thermische Zersetzung des Materials zu verlangsamen und die Wärmeübertragung zu begrenzen, um die Rolle eines Feuers zu vermeiden.Entsprechend der Zusammensetzung der Flammschutzmittel können halogenfreie Flammschutzmittel in Phosphor, Stickstoff, Silizium, Bor, anorganisches Metallhydroxid und Expansionstyp unterteilt werden.

Halogenfreie Flammschutzmittel

Zu den derzeit am häufigsten verwendeten halogenfreien Flammschutzmitteln für Stromkabel gehören Flammschutzmittel auf Stickstoff-, Phosphor-, Bor- und Siliziumbasis.

I. Flammschutzmittel auf Stickstoffbasis

Hauptsächlich Melamin und seine Salze, seine Zersetzungstemperatur ist hoch, beim Verbrennungsprozess entstehen hauptsächlich: NH3, N2, NO und Wasserdampf sowie andere ungiftige, nicht korrosive Produkte.Flammschutzmittel auf Stickstoffbasis absorbieren eine große Menge Wärme und setzen durch Verflüchtigung und thermische Zersetzung nicht brennbare Gase frei, wodurch die Oberflächentemperatur von Polymeren erheblich gesenkt und die Konzentration brennbarer Gase und Sauerstoff in der Umgebung verdünnt und letztendlich eine gute Flamme erzielt werden kann hemmende Wirkung.Flammschutzmittel auf Stickstoffbasis und andere Flammschutzmittel, die gleichzeitig angewendet werden, haben eine gute synergistische Wirkung, zum Beispiel Stickstoff-Phosphor-Flammschutzmittel, die die Karbonisierung von Phosphor und die Bildung einer expandierten Kohlenstoffschicht fördern können und eine gute Rolle bei der Wärmeisolierung spielen und schwer entflammbar.Einige stickstoffhaltige Flammschutzmittel wie Melamincyanurat werden häufig als Schmiermittel und Verträglichkeitsvermittler verwendet, um die Einmischung anderer Flammschutzmittel in Polyolefine zu verbessern.

II.Phosphorhaltige Flammschutzmittel

Die Hauptverwendung von Phosphorgruppen im Prozess der thermischen Zersetzung kann dazu führen, dass die Polymeroberfläche durch Dehydrierung karbonisiert wird und eine Rolle bei der Isolierung von Flammschutzmitteln spielt.Unter diesen wird Ammoniumpolyphosphat (APP) häufig in flammhemmenden Systemen für Stromkabel verwendet.Die Nachteile phosphorhaltiger Flammschutzmittel bestehen darin, dass das Phosphorelement neurotoxisch ist, eine geringe Stabilität aufweist, eine geringe Wasserbeständigkeit aufweist, eine schlechte Kompatibilität mit Polymeren aufweist und einen relativ großen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften hat, sodass die Anwendung begrenzt ist.

III.Borverbindungen

Der flammhemmende Mechanismus von Borverbindungen besteht darin, während des Verbrennungsprozesses eine glasartige Isolierschicht zu bilden, die Wirkung von Sauerstoff und flüchtigen brennbaren Gasen zu blockieren, eine weitere Oxidation der Holzkohleschicht zu verhindern und die Bildung von Holzkohle zu fördern.Im Vergleich zu Phosphor-Flammschutzmitteln weist Bor-Flammschutzmittel eine gute thermische Stabilität, geringe Toxizität und geringe Rauchentwicklung auf und eignet sich daher besser für die Popularisierung und Anwendung.Zinkborat wird üblicherweise als Flammschutzkoeffizient verwendet, aber seine Wirkung allein ist nicht gut und es wird hauptsächlich als Flammschutzkoeffizient verwendet.

IV.Flammhemmendes Silikon

Silizium-Flammschutzmittel ist eine neue Art umweltfreundlicher Flammschutzmittel mit hoher Flammschutzwirkung, geringer Toxizität, Anti-Schmelz-Tröpfchen und rauchfreien Eigenschaften.In Stromkabel-Flammschutzmitteln werden häufig anorganische Flammschutzmittel auf Kieselsäurebasis verwendet, darunter Silikatmineralien wie Talk, Schichtsilikat und poröses Silikat usw. Sie fördern nicht nur die Bildung von Kohlenstoff im Verbrennungsprozess, sondern erhöhen auch die Rolle von Rauchabsorption.

V. Anorganische Metallhydroxid-Flammschutzmittel

Die derzeit am häufigsten verwendeten anorganischen Metallhydroxide sind Aluminiumhydroxid (ATH) und Magnesiumhydroxid (MDH), die sich durch geringe Rauchentwicklung, Ungiftigkeit, Umweltfreundlichkeit und Umweltschutz auszeichnen und als neue schadstofffreie Flamme große Beachtung gefunden haben Verzögerer.ATH und MDH beginnen sich zu zersetzen und absorbieren eine große Wärmemenge, um die lokale Temperatur des Verbrennungsbereichs zu senken, wenn die Temperatur höher als 200 °C ist, und die Zersetzung des durch die Zersetzung der brennbaren Gase erzeugten Wasserdampfs verdünnt die Konzentration von Sauerstoff, während das nicht brennbare Gas durch die Zersetzung der brennbaren Gase und Sauerstoff entsteht.Der bei ihrer Zersetzung entstehende Wasserdampf verdünnt die Konzentration brennbarer Gase und Sauerstoff, gleichzeitig bilden die erzeugten nicht brennbaren Oxide einen Isolationsfilm, der flammhemmend wirkt.

Anorganische Metallhydroxide basieren auf ihrer eigenen Zersetzung, um die Verbrennungswärme zu reduzieren und gleichzeitig Sauerstoff zu verdünnen. Daher ist ihre Flammschutzwirkung geringer und der Gehalt beträgt häufig mehr als 50 %.Gleichzeitig ist die Polarität des anorganischen Metallhydroxids groß und die Kompatibilität des Polyolefin-Kabelbasismaterials schlecht, was dazu führt, dass es sich während der Verarbeitung nur schwer dispergieren lässt und leicht mechanische Spannungspunkte bildet, was die mechanischen Eigenschaften des Kabelmaterials erheblich beeinträchtigt reduziert.Derzeit konzentriert sich die Forschung zu ATH und MDH als Flammschutzmittel immer noch auf die Verbesserung des Kompatibilitätsproblems. Zu den häufig verwendeten Methoden gehören: Partikelverdünnung, Oberflächenmodifikation und Erhöhung des Verträglichkeitsfaktors.

VI.Intumeszierende Flammschutzmittel

Die Zusammensetzung des intumeszierenden Flammschutzmittels basiert hauptsächlich auf Phosphor und Stickstoff, was die Vorteile der beiden Arten von Flammschutzmitteln vereint und sich durch Ungiftigkeit und weniger Rauchentwicklung auszeichnet.Phosphor bildet nach dem Erhitzen einen Isolierfilm, und Stickstoff zerfällt nach dem Erhitzen in Wasser und Gas, wobei das durch Stickstoff zersetzte Gas die Bildung einer schaumigen Kohlenstoffkohleschicht aus Phosphor erleichtert.Die schaumige Holzkohleschicht kann als Sauerstoffbarriere und Wärmeisolierung dienen und gleichzeitig geschmolzene Tröpfchen verhindern.Im Vergleich zu anderen halogenfreien Flammschutzsystemen kann im Bereich der Flammschutzmittel PE und PP eine hervorragende Flammschutzwirkung erzielt werden, wenn der IFR-Gehalt 20 % bis 30 % beträgt.

Der theoretische Phosphorgehalt von APP beträgt bis zu 31 % oder mehr, was die häufigste Säurequelle in IFR ist und auch als Gasquelle dient.Allerdings weist das in PE und PP verwendete APP viele Leistungsmängel auf, z. B. ist die thermische Stabilität nicht hoch genug, es kommt zu Geruchsbelästigungen und es kommt zu korrosiven Schimmelpilzphänomenen während der Verarbeitung.schlechte Kompatibilität mit PE und PP, die die Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften nicht erfüllen können;schlechte Wasserbeständigkeit, große Feuchtigkeitsaufnahme usw.Daher ist die Oberflächenmodifikation von APP eine der effektivsten Möglichkeiten, die oben genannten Probleme zu lösen.

Die Oberflächenmodifikation von APP kann in zwei Arten unterteilt werden: physikalische Beschichtungsmethode und chemische Oberflächenmodifikationsmethode.Der Schlüssel zur physikalischen Beschichtung besteht darin, dass das Beschichtungsmaterial eine gute Kompatibilität mit APP aufweisen muss, um die Festigkeit der Beschichtung sicherzustellen.Das Beschichtungsmaterial muss außerdem eine gute thermische Stabilität, Grenzflächenverträglichkeit und gute Wasserbeständigkeit aufweisen.Im Vergleich zur physikalischen Beschichtung hat die chemische Modifikation eine stärkere Bindungskraft, aber die chemische Modifikation führt zu höheren Kosten für APP und erhöht die Anwendungsschwelle.

Kabelmaterial mit flammhemmender Technologie

Gemäß den Bestimmungen in GB/T32129-2015 „Halogenfreies, raucharmes, flammhemmendes Kabelmaterial für Drähte und Kabel“ sollten modifizierte PE- und PP-Stromkabelmaterialien die Leistung von Tabelle 1 erfüllen.

VII.Modifizierte Metallhydroxid-Flammschutzmittel

Metallhydroxid ist ein weit verbreitetes grünes Flammschutzmittel. Aufgrund seiner Nachteile wie schlechter mechanischer Eigenschaften und schlechter Kompatibilität modifizierter flammhemmender Kabelmaterialien haben Forscher versucht, es zu modifizieren, um die Kompatibilität und die Flammschutzeffizienz zu verbessern.Am Beispiel von MDH wird seine Oberfläche durch die gleichzeitige Verwendung eines Haftvermittlers mit hydrophilen und lipophilen Gruppen modifiziert, und der Haftvermittler verbindet Metalloxide und Polyolefine miteinander, was die Kompatibilität sehr gut verbessern kann.

Abschluss

Flammhemmende Polyolefin-Kabelmaterialien verfügen über gute Isoliereigenschaften und werden weltweit in großen Mengen zur Isolierung von Stromkabeln eingesetzt und leisten einen wichtigen Beitrag zur Stromübertragung.Da jedoch der Schwerpunkt auf Umweltaspekten liegt, ist die Verwendung von halogenfreien Flammschutzmitteln anstelle herkömmlicher Halogen-Flammschutzmittel ein wichtiger Trend bei der Entwicklung von Kabelisolierungen.