EVA Kabelmaterial, raucharme, halogenfreie, flammhemmende Technologieforschung

EVA Kabelmaterial, raucharme, halogenfreie, flammhemmende Technologieforschung

Halogenhaltige flammhemmende Kabelmaterialien dominieren aufgrund ihrer hohen Flammwidrigkeit, guten Verarbeitungsleistung und geringen Kosten seit langem den Markt für Kabelmaterialien. Allerdings erzeugen Kabel, die Halogene enthalten, beim Verbrennen giftige und gesundheitsschädliche Gase. Viele Menschen sterben bei Bränden durch Erstickung durch Rauch und giftige Gase; Die bei der Verbrennung entstehenden Halogenwasserstoffgase können auch elektronische und elektrische Geräte beschädigen.

Im Jahr 2003 verabschiedete die EU die RoHS-Richtlinie, die den maximal zulässigen Wert von „Brom“ in elektronischen und elektrischen Geräten klar festlegte. Seitdem ist der Einsatz von halogenhaltigen Kabeln von Jahr zu Jahr zurückgegangen. Raucharme, halogenfreie, flammhemmende Kabel haben sich nach und nach zur Hauptkraft auf dem Kabelmarkt entwickelt. Viele Kabelmaterialhersteller und Forschungseinrichtungen haben ihre Investitionen in die Forschung und Entwicklung von raucharmen, halogenfreien, flammhemmenden Kabelmaterialien erhöht.

Derzeit beträgt die jährliche Marktnachfrage nach halogenfreien flammhemmenden Kabelmaterialien etwa 200 kt, und es wird erwartet, dass die Nachfrage nach halogenfreien flammhemmenden Kabelmaterialien in den nächsten Jahren um etwa 10 % steigen wird. Bis 2025 wird der jährliche Bedarf an halogenfreien, flammgeschützten Kabelmaterialien voraussichtlich etwa 350.000 kt erreichen.

ICH. Auswahl des flammhemmenden Grundmaterials (EVA).

Das wichtigste Grundmaterial für raucharme, halogenfreie Kabelverbindungen ist Ethylen-Vinylacetat-Copolymer (EVA). Es zeichnet sich durch eine niedrige Schmelztemperatur, gute Fließfähigkeit und Polarität aus und ist halogenfrei, sodass es mit verschiedenen Polymeren und halogenfreien Flammschutzmitteln kompatibel ist. Dadurch wird es häufig in raucharmen, halogenfreien, flammhemmenden Kabelmischungen eingesetzt.

Allerdings hat EVA einen limitierenden Sauerstoffindex (LOI) von nur 17 % bis 19 %, was es als brennbares Material einstuft. Dies schränkt seine Anwendung und Entwicklung in flammhemmenden Kabeln erheblich ein. Daher ist es wichtig, EVA flammhemmend zu modifizieren, um seinen Einsatzbereich zu erweitern.

Halogenfreie Kabelmaterialien mit geringer Rauchentwicklung werden häufig in verschiedenen Bereichen eingesetzt, darunter in Kernkraftwerken, in der Luft- und Raumfahrt, in der Militärindustrie sowie in U-Bahnen, Hochgeschwindigkeitszügen, Schiffen, Hochhäusern und Bergbaugebieten. In den letzten Jahren haben inländische Produkte einen Teil des Marktes in Produktbereichen der mittleren bis unteren Preisklasse erobert, und das zu relativ niedrigeren Preisen. Bei High-End-Produkten werden diese jedoch überwiegend importiert, was zu höheren Preisen führt.

In der Telekommunikationsbranche ist insbesondere mit der Entwicklung von Fiber-to-the-Home- und 4G-Projekten die Nachfrage nach raucharmen, halogenfreien Kabelmaterialien deutlich gestiegen und es sind neue Anforderungen entstanden. Zu den Grundmaterialien für raucharme, halogenfreie Verbindungen gehören typischerweise EVA, Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPR). Abgesehen von EVA, das polare Gruppen enthält, sind die anderen Materialien unpolare Materialien oder haben eine sehr geringe Polarität.

Als Basismaterialien haben PE, PP und EPR zwei inhärente Nachteile:

• Schlechte Kompatibilität mit polaren Flammschutzmitteln: Diese Materialien weisen eine schlechte Kompatibilität mit halogenfreien Flammschutzmitteln mit starker Polarität auf. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Flammschutzmittel im Grundmaterial. Bei Zugabe einer großen Menge an halogenfreiem Flammschutzmittel werden die mechanischen Eigenschaften des Materials stark beeinträchtigt.

• Schlechte Beständigkeit gegenüber Öl und unpolaren Lösungsmitteln: Alle drei Materialien weisen eine geringe Beständigkeit gegenüber Öl und unpolaren Lösungen auf, was es für sie schwierig macht, die Anforderungen von Kabeln in komplexen Umgebungen zu erfüllen.

EVA wird aus Ethylenmonomeren und Vinylacetatmonomeren copolymerisiert, wie in Abbildung 1 dargestellt. Die Einführung von VA stört die Regelmäßigkeit der Polyethylenmoleküle, was zu einer Abnahme der Kristallinität und einer Zunahme der Polarität führt. Dies führt zu einer verbesserten Spannungsrissbeständigkeit, Kompatibilität mit Füllstoffen, Strahlungsvernetzungseigenschaften, Ölbeständigkeit und wiederholter Biegeleistung für EVA. Allerdings nehmen Zugfestigkeit, Härte, Schmelzpunkt und elektrische Isolationseigenschaften von EVA ab, und auch seine Durchlässigkeit für Luft und Wasserdampf verschlechtert sich.

Wenn der VA-Massenanteil mehr als 40 % beträgt, weist das gesamte Molekül eine ungeordnete Anordnung mit Gummielastizität auf, die üblicherweise als Ethylen-Vinylacetat-Kautschuk (EVM) bezeichnet wird. Wenn der VA-Massenanteil zwischen 5 % und 40 % liegt, enthält das Material einen geringen Anteil an Kristallinität und wird im Allgemeinen als EVA-Kunststoff bezeichnet.

Die Einführung polarer Gruppen führt zu einer unterschiedlich starken Verringerung der elektrischen Leistung und Zugfestigkeit von EVA. Typischerweise werden EVA-Harze nur zur Isolierung von Niederspannungskabeln verwendet. Bei der Verwendung als raucharmer, halogenfreier Mantel wird EVA zum Ausgleich der unzureichenden Zugfestigkeit häufig mit PE, PP und Ethylen-Octen-Copolymer (POE) kombiniert.

Die Mischungen können zur Herstellung sowohl thermoplastischer Kunststoffkabel als auch duroplastischer Gummikabel mit Temperaturbereichen von 70, 90, 105, 125, 150 und 175 °C verwendet werden. Formulierer können auf Basis von EVA/EVM raucharme, halogenfreie, flammhemmende Kabelmaterialien entwickeln, die den Leistungsanforderungen der Benutzer (oder Standards) entsprechen.

Aufgrund der guten Kompatibilität und Extrusionsleistung von EVA mit halogenfreien Flammschutzmitteln verwendet die Kabelindustrie EVA als Basismaterial zur Herstellung hochflammhemmender Sauerstoffbarriereschichten (typischerweise bezogen auf einen begrenzenden Sauerstoffindex). von über 40 %).

II. Raucharme, halogenfreie Flammschutzmittel für EVA-Kabelmaterialien

Zu den häufig verwendeten halogenfreien Flammschutzmitteln für EVA-Kabelmaterialien gehören Metallhydroxide sowie expandierbare Flammschutzmittel auf Bor- und Siliziumbasis. Jede Art von Flammschutzmittel verfügt über einen anderen Flammschutzmechanismus.

• Metallhydroxid-Flammschutzmittel für EVA-Kabelmaterialien

Als halogenfreie Flammschutzmittel werden üblicherweise Aluminiumtrihydroxid (ATH) und Magnesiumhydroxid (MH) verwendet. Sie besitzen drei Schlüsselfunktionen: Flammschutz, Rauchunterdrückung und Füllung. Diese Materialien sind reichlich vorhanden und kostengünstig und dominieren den Markt für halogenfreie Flammschutzmittel.

Beim Erhitzen zerfallen Metallhydroxide in Metalloxide und Wasserdampf. Der Wasserdampf entzieht nicht nur Wärme, sondern verdünnt auch die Sauerstoffkonzentration in der Luft. Die Metalloxide wirken als Sauerstoffbarriere und verhindern die Wärmeableitung.

Allerdings ist die Wirksamkeit von Metallhydroxid-Flammschutzmitteln im Vergleich zu halogenhaltigen Flammschutzmitteln relativ gering. Um die gleiche Flammschutzwirkung zu erreichen, ist die Menge an Metallhydroxid erforderlich, die um ein Vielfaches oder sogar höher ist als bei halogenhaltigen Flammschutzmitteln. Darüber hinaus weisen Metallhydroxid-Flammschutzmittel eine schlechte Kompatibilität mit Polyolefinen auf. Eine Oberflächenmodifizierung ist erforderlich, um die Oberflächenenergie des Pulvers zu reduzieren, wodurch die flammhemmende Beladung erhöht und die mechanischen Eigenschaften des Verbundmaterials verbessert werden.

Die Mikronisierung von Metallhydroxiden vergrößert die Kontaktfläche zwischen dem Pulver und den Polyolefinen, wodurch die durch die hohe Beladung mit Flammschutzmitteln verursachte Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften abgemildert und so die Flammschutzeffizienz verbessert werden kann.

ATH und MH können gemischt und zu EVA hinzugefügt werden, wobei ihre unterschiedlichen Zersetzungstemperaturen (ATH bei 200 °C und MH bei 330 °C) ausgenutzt werden, um einen abgestuften Flammschutzeffekt während der Verbrennung von {[t3] zu erzielen. } Kabelmaterialien.

Darüber hinaus haben Forscher Kompatibilisatoren eingesetzt, um den Anteil an Flammschutzmitteln in Polyolefinen zu erhöhen. Verträglichkeitsvermittler können die durch den Zusatz von Flammschutzmitteln verursachte Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften abmildern. Sie können beim Mischen von Kabelmaterialien ohne zusätzliche Prozesse hinzugefügt werden, und die Auswirkungen sind erheblich.

• Intumeszierende Flammschutzmittel für EVA-Kabelmaterialien

Intumeszierende Flammschutzmittel (IFRs) bestehen hauptsächlich aus Phosphor- und Stickstoffverbindungen. Die auf Phosphor basierenden Substanzen zersetzen sich beim Erhitzen und erzeugen Säuren, die die Karbonisierung von Polymeren fördern und eine Kohlenstoffbarriereschicht bilden. Die stickstoffhaltigen Substanzen zersetzen sich zu Gasen, die der Kohlenstoffbarriere eine Wabenstruktur verleihen. Diese wabenförmige Kohlenstoffschicht dient der Isolierung von Sauerstoff und Wärme und verhindert außerdem ein Tropfen.

Allerdings sind IFRs im Vergleich zu Metallhydroxid-Flammschutzmitteln teurer, wobei die Kosten typischer IFRs drei- bis fünfmal so hoch sind wie die von Metallhydroxiden. IFRs werden hauptsächlich in hochwertigen Spezialkabelmaterialien verwendet, wo ihr Einsatz relativ begrenzt ist. Die Entwicklung von IFRs mit niedrigeren Preisen ist eine der zukünftigen Entwicklungsrichtungen.

Im Vergleich zu Metallhydroxid-Flammschutzmitteln erzeugen IFRs bei der Verbrennung mehr Rauch. In halogenfreien flammhemmenden Kabelmaterialien werden IFRs im Allgemeinen in Kombination mit Metallhydroxid-Flammschutzmitteln verwendet. Einerseits kann die höhere Flammschutzwirkung von IFRs die Menge an benötigtem Metallhydroxid reduzieren. Andererseits haben Metallhydroxide eine ausgezeichnete Rauchunterdrückungswirkung. Durch die Kombination dieser beiden Arten von Flammschutzmitteln kann ein besserer, raucharmer, halogenfreier Flammschutz erreicht werden.

Darüber hinaus umfassen IFRs auch Blähgraphit (EG). Während EG allein weniger wirksam ist, kann es problemlos mit anderen Flammschutzmitteln kombiniert werden.

• Borbasierte Flammschutzmittel für EVA-Kabelmaterialien

Flammschutzmittel auf Borbasis bilden bei der Verbrennung eine glasartige Schutzschicht, die die Polyolefin-Kohlenstoffschicht vor der Zerstörung schützt und das Austreten flüchtiger brennbarer Stoffe verhindert. Zinkborat, ein übliches Flammschutzmittel auf Borbasis, setzt beim Erhitzen Wassermoleküle frei, die dabei helfen, Wärme abzuleiten, den Zündpunkt zu senken und so eine flammhemmende Wirkung zu erzielen.

• Flammschutzmittel auf Siliziumbasis für EVA-Kabelmaterialien

Flammschutzmittel auf Siliziumbasis sind umweltfreundlich und besitzen geringe Toxizität sowie Anti-Tropf- und Rauchfreiheitseigenschaften. Wenn organisches Silizium verbrennt, verbleibt das Silizium in der kondensierten Phase und bildet eine glasige anorganische karbonisierte Schicht, die als Barriere gegen Hitze und Sauerstoff fungiert und so die flammhemmende Wirkung verstärkt.

Keramisierbare, feuerbeständige, flammhemmende Materialien (die bei hohen Temperaturen aufgrund des Vorhandenseins von Silizium-Flammschutzmitteln eine harte Keramikschale bilden) können während der Kabelverbrennung automatisch verglasen und so eine harte Schale bilden, die für Isolierung und Sauerstoffisolierung sorgt. Je höher die Zündtemperatur, desto härter und dichter wird die Keramikhülle, was zu einer besseren Feuerbeständigkeit führt.

Durch die Kombination keramisierbarer feuerfester Materialien mit anderen Flammschutzmitteln kann eine hochwirksame Flammhemmung und Feuerbeständigkeit erreicht werden. Derzeit werden keramisierbare flammhemmende Polyolefine und keramisierbare Silikonkabel häufig in wichtigen Projekten wie Hochhäusern, Schienenverkehr und Schiffen eingesetzt und stellen eine wichtige Entwicklungsrichtung für flammhemmende und feuerbeständige Kabel dar.

III. Entwicklungsanweisungen für raucharme, halogenfreie, flammhemmende Kabelmaterialien

Die Norm GB/T19666–2019 für flammhemmende und feuerbeständige Drähte und Kabel enthält zusätzliche Anforderungen an die geringe Toxizität von raucharmen, halogenfreien, flammhemmenden Kabeln und spezifiziert die Konzentrationen von Stickoxiden (NOX < 90 mg/m³). und Blausäure (HCN < 55 mg/m³). Dies setzt höhere Maßstäbe für raucharme, halogenfreie, flammhemmende Kabelmaterialien. Daher kann sich die zukünftige Entwicklung von raucharmen, halogenfreien, flammhemmenden Kabelmaterialien auf die folgenden drei Aspekte konzentrieren:

• EVA und halogenfreie Flammschutzmittel: EVA weist eine gute Verträglichkeit mit halogenfreien Flammschutzmitteln und hervorragende Verarbeitungseigenschaften auf und ist damit das wichtigste flammhemmende Basismaterial für raucharme, halogenfreie Kabelmaterialien . Allerdings verringert die Einführung polarer Gruppen in EVA dessen Zugfestigkeit und Isolationsleistung. Bei der Herstellung raucharmer, halogenfreier Ummantelungen ist es notwendig, EVA mit hochzugfesten Polymeren wie PE und PP zu kombinieren, um die Kabelstandards zu erfüllen. Die relativ geringe Isolationsleistung von EVA schränkt seinen Einsatz in Mittel- und Hochspannungskabeln ein. Die Verbesserung der Isolationsleistung von raucharmen, halogenfreien, flammhemmenden Kabelmaterialien auf EVA-Basis ist eine wichtige Entwicklungsrichtung.

• Metallhydroxid-Flammschutzmittel: Als eines der wichtigsten Flammschutzmittel für raucharme, halogenfreie Kabelmaterialien auf EVA-Basis sind Oberflächenmodifikation und ultrafeine Partikelgröße die Entwicklungstrends. Chinas anorganische flammhemmende Modifikationen der mittleren bis unteren Preisklasse können die Anforderungen herkömmlicher halogenfreier flammhemmender Kabelmaterialien erfüllen und sind kostengünstig. Allerdings sind hochwertige Metallhydroxid-Flammschutzmittel immer noch hauptsächlich auf Importe angewiesen. Es besteht die Hoffnung, dass die inländische High-End-Technologie zur flammhemmenden Modifikation bald zum Durchbruch kommt, um die hochwertige Entwicklung von Chinas raucharmen, halogenfreien, flammhemmenden Kabelmaterialien zu unterstützen.

• Flammschutzmittelmischung: Das Mischen von Flammschutzmitteln ist ein grundlegender Ansatz für halogenfreie flammhemmende Kabelmaterialien. Bei der Entwicklung von Formulierungen müssen jedoch die neuesten Toxizitätsanforderungen für raucharme, halogenfreie Kabel berücksichtigt werden. Die Verwendung von intumeszierenden Flammschutzmitteln muss innerhalb eines angemessenen Bereichs kontrolliert werden; Andernfalls entspricht die Leistung bei geringer Rauchentwicklung und geringer Toxizität möglicherweise nicht den Standardanforderungen, selbst wenn die Flammhemmung qualifiziert ist. Dies ist eine Herausforderung, der sich Forscher nach der Einführung des neuen Standards für raucharme, halogenfreie und flammhemmende Kabel stellen müssen.

IV. Abschluss

Die YINSU Flame Retardant Company hat ein spezielles Flammschutzmittel FRP-950X für raucharme, halogenfreie Kabel entwickelt, das nicht nur auf PE, sondern auch auf EVA sowie mit PE und {[t3] gemischte Kabel anwendbar ist ]} und Kabelverbindungen aufgrund seines hohen Gehalts und der geringen Additivmenge, wodurch die ursprüngliche Elastizität und Zähigkeit der Rohstoffe effektiv erhalten bleibt und eine effizientere und umweltfreundlichere Flammschutzlösung für die Draht- und Kabelindustrie bereitgestellt wird.