Forschung zu raucharmer und halogenfreier Flammschutztechnologie für Kabelmaterialien

Forschung zu raucharmer und halogenfreier Flammschutztechnologie für Kabelmaterial

Halogenhaltige flammhemmende Kabelmaterialien dominieren die Kabelmaterialien mit ihren Vorteilen hoher Flammschutzwirkung, guter Verarbeitungsleistung und niedrigem Preis. Allerdings erzeugen halogenhaltige Kabel beim Verbrennen giftige und gesundheitsschädliche Gase, und viele Menschen im Feuer ersticken durch den Rauch und die giftigen Gase, was zum Tod führen kann; Die bei der Verbrennung entstehenden Halogenwasserstoffgase können auch Schäden an elektronischen und elektrischen Geräten verursachen.

Im Jahr 2003 verabschiedete die Europäische Union die ROHS-Richtlinie, die den Gehalt an halogenierten Elementen im „Brom“ in Elektro- und Elektronikgeräten klar auf den Höchstgrenzwert festlegt, und von da an wurden die halogenhaltigen Kabel von Jahr zu Jahr reduziert Jahr. Raucharme, halogenfreie, flammhemmende Kabel haben sich nach und nach zur Hauptkraft auf dem Kabelmarkt entwickelt. Viele Kabelhersteller und Forschungsinstitute haben ihre Investitionen in die Forschung und Entwicklung von raucharmen, halogenfreien, flammhemmenden Kabelmaterialien erhöht.

Derzeit beträgt die jährliche Marktnachfrage nach halogenfreiem flammhemmendem Kabelmaterial etwa 200 kt, und es wird erwartet, dass die Nachfrage nach halogenfreiem flammhemmendem Kabelmaterial in den nächsten 3 bis 5 Jahren um etwa 10 kt steigen wird % und bis 2025 wird der jährliche Bedarf an halogenfreiem, flammhemmendem Kabelmaterial etwa 350 kt erreichen.

Raucharmes, halogenfreies Kabelmaterial ist das wichtigste Matrixmaterial für Ethylen-Vinylacetat-Copolymer (EVA), das eine niedrige Schmelztemperatur, gute Mobilität, Polarität und Halogenfreiheit aufweist, mit einer Vielzahl von Polymeren kompatibel und halogenfrei flammhemmend ist und häufig in raucharmen, halogenfreien, flammhemmenden Kabelmaterialien verwendet wird.

Ethylen-Vinylacetat-Copolymer (EVA)

Der Grenzsauerstoffindexwert von EVA beträgt jedoch nur 17 % bis 19 %, was brennbar ist, was die Anwendung und Entwicklung von EVA in flammhemmenden Kabeln erheblich einschränkt, weshalb die Durchführung äußerst wichtig ist Flammhemmende Modifikation von EVA zur Verbesserung des Anwendungsbereichs von EVA.

EVA wird häufig in Kabelmaterialien verwendet

Neben Kernkraftwerken, der Luft- und Raumfahrt, der militärischen Militärindustrie usw. besteht auch eine größere Nachfrage nach raucharmen, halogenfreien Kabelmaterialanwendungen wie U-Bahnen, Hochgeschwindigkeitszügen, Schiffen, Hochhäusern, Minen und anderen Bereichen. Nach der Entwicklung der letzten Jahre nehmen inländische Produkte bei einigen Low-End-Produkten einen Teil des Marktanteils ein, und der Preis ist relativ niedrig; Während bei einigen hochentwickelten Produkten diese hauptsächlich auf Importe angewiesen sind, ist der Preis relativ hoch. In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach raucharmen, halogenfreien Kabelmaterialien in der Kommunikationsbranche, insbesondere bei Fiber-to-the-Home- und 4G-Projekten, groß, stellt aber auch neue Anforderungen.

1. Materialauswahl der flammhemmenden Matrix (EVA).

Das raucharme, halogenfreie Grundmaterial ist in der Regel EVA, Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPR) usw., zusätzlich zu EVA enthält es polare Gruppen unpolare Materialien oder sehr kleine polare Materialien. Als Grundmaterialien weisen PE, PP und EPR zwei natürliche Mängel auf:

① Schlechte Kompatibilität mit den polareren nichthalogenierten Flammschutzmitteln, was zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Flammschutzmittel im Substrat führt. Eine große Anzahl nichthalogenierter Flammschutzmittel, die zugesetzt werden, beeinträchtigt die mechanischen Eigenschaften des Materials erheblich.

② Die drei Materialien selbst sind schlecht beständig gegen Öl und unpolare Lösungen, was den Einsatz von Kabeln in komplexen Umgebungen erschwert.

EVA wird aus Ethylenmonomer und Vinylacetatmonomer copolymerisiert, und sein Syntheseprozess ist in Abbildung 1 dargestellt. Durch die Einführung von Vinylacetat VA wird die Regelmäßigkeit des Polyethylenmoleküls gestört, was zu einer Abnahme der Kristallinität von führt das gesamte Molekül und eine Erhöhung der Polarität, so dass die Beständigkeit von EVA gegenüber Spannungsrissen in der Umgebung, die Kompatibilität mit Füllstoffen, die Strahlenvernetzung, die Ölbeständigkeit und die Eigenschaften bei wiederholtem Biegen verbessert wurden; Allerdings werden dadurch die Zugfestigkeit, die Härte, der Schmelzpunkt und die elektrischen Isoliereigenschaften von EVA verringert, während sich der Widerstand gegen die Permeation von Luft und Wasserdampf verschlechtert.

Wenn der VA-Massenanteil mehr als 40 % beträgt, weist das gesamte Molekül eine ungeordnete Anordnung des Kautschukelastizitätszustands auf, der üblicherweise als ethylendampfmodifizierter (EVM) Kautschuk bezeichnet wird. Wenn der VA-Massenanteil 5 % bis 40 % beträgt, enthält es eine kleine Menge an Kristallisation, die üblicherweise als EVA-Kunststoff bezeichnet wird.

EVA Synthesediagramm

Durch die Einführung polarer Gruppen werden die elektrischen Eigenschaften und die Zugfestigkeit von EVA unterschiedlich stark reduziert. Die allgemeine Situation, dass EVA-Harz nur als Niederspannungskabelisolierung und als raucharmes Mittel verwendet werden kann Um die mangelnde Zugfestigkeit auszugleichen, werden üblicherweise PE, PP und Ethylen-Octen-Copolymer (POE) verwendet.

Mit dem Copolymer können sowohl thermoplastische Kunststoffkabel als auch duroplastische Gummikabel mit Temperaturbeständigkeitsstufen von 70, 90, 105, 125, 150, 175 °C hergestellt werden; Formulierer können mit EVA/EVM als Basismaterial raucharme, halogenfreie, flammhemmende Kabelmischungen herstellen, deren Leistung den Anforderungen des Benutzers (oder der Norm) entspricht.

Stark flammhemmendes Stromkabel mit Sauerstoffbarriereschicht Foto: Anhui Huayu Cable

Angesichts der Tatsache, dass EVA und halogenfreie Flammschutzmittel eine gute Kompatibilität und Extrusionsleistung aufweisen, verwendet die Kabelindustrie EVA als Basismaterial zur Herstellung einer hochflammhemmenden Sauerstoffbarriere (bezieht sich normalerweise auf den endgültigen Sauerstoffindex von). 40 % oder mehr).

2. Halogenfreie Flammschutzmittel mit geringer Rauchentwicklung für EVA-Kabelmaterialien

EVA Kabelmaterial, häufig verwendete halogenfreie Flammschutzmittel, einschließlich Metallhydroxid, Intumeszenzmittel, Bor, Silizium und andere Flammschutzmittel, verschiedene Flammschutzmittel und ihre Flammschutzmechanismen sind unterschiedlich.

2.1 Metallhydroxid-Flammschutzmittel für EVA-Kabelmaterialien

Als Nicht-Halogen-Flammschutzmittel haben ATH und MH die dreifache Funktion Flammschutz, Rauchbeseitigung und Füllung. Sie sind weit verbreitet und kostengünstig und nehmen eine dominierende Stellung bei Nicht-Halogen-Flammschutzmitteln ein. Metallhydroxid wird durch Hitze in Metalloxid und Wasserdampf zersetzt, der Wasserdampf kann nicht nur die Wärme abführen, sondern auch die Sauerstoffkonzentration in der Luft verdünnen, und das Metalloxid spielt die Rolle, Sauerstoff zu isolieren und die Wärmeentwicklung zu verhindern emittiert.

Allerdings ist die Effizienz von Metallhydroxid-Flammschutzmitteln im Vergleich zu halogenierten Flammschutzmitteln relativ gering. Um die gleiche flammhemmende Wirkung zu erzielen, beträgt die Menge des Additivs gleichzeitig ein Vielfaches oder sogar ein Dutzend Mal der von halogenierten Flammschutzmitteln Da die Kompatibilität von Metallhydroxid-Flammschutzmitteln und Polyolefin relativ schlecht ist, ist es notwendig, die Oberfläche zu modifizieren, die Oberflächenenergie des Pulvers zu verringern, die Menge des Flammschutzmittels zu erhöhen und die mechanischen Eigenschaften von Verbundmaterialien zu verbessern.

Durch die Miniaturisierung von Metallhydroxid kann die Kontaktfläche zwischen Pulver und Polyolefin vergrößert werden, was wiederum die Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften aufgrund einer großen Anzahl von Flammschutzmitteln mildern und so die Flammschutzwirkung verbessern kann.

Verbindung mit ATH und MH, zu EVA hinzufügen, die unterschiedlichen Zersetzungstemperaturen von ATH (200 °C) und MH (330 °C) voll ausnutzen, um bei EVA einen unterschiedlichen flammhemmenden Effekt bei den Zersetzungstemperaturgradienten zu erzielen. Kabelmaterial brennt.

Es gibt auch Forscher mit Kompatibilisatoren zur Verbesserung des Anteils von Flammschutzmitteln in Polyolefinen. Kompatibilisatoren können die mechanischen Eigenschaften aufgrund der durch den Zusatz von Flammschutzmitteln verursachten Verringerung der Situation mildern, die lediglich dem Kabelmaterial gemischte Kompatibilisatoren zugesetzt werden muss. Erhöhen Sie die zusätzlichen Prozesse nicht, und der Effekt ist sehr offensichtlich.

2.2 Intumeszierende Flammschutzmittel für EVA Kabelmaterialien

Die Zusammensetzung des intumeszierenden Flammschutzmittels (IFR) basiert hauptsächlich auf Phosphor und Stickstoff. Das Phosphormaterial wird durch Hitze zersetzt, um Säure zu erzeugen, die die Karbonisierung von Polymeren fördert und eine Kohlenstoffisolationsschicht bildet. Stickstoffmaterial wird durch Hitze zersetzt, um das Gas zu erzeugen, sodass die Kohlenstoffisolationsschicht ein Wabenmuster aufweist. Die Wabenkohlenstoffschicht kann die Rolle einer Sauerstoffbarriere und Wärmeisolierung spielen und gleichzeitig das Tropfen der Schmelze verhindern.

Der Preis für intumeszierendes Flammschutzmittel ist jedoch im Vergleich zu Metallhydroxid hoch, und der Preis für herkömmliches intumeszierendes Flammschutzmittel beträgt das Drei- bis Fünffache des Metallhydroxids. Intumeszierende Flammschutzmittel werden hauptsächlich in Spezialkabelmaterialien mit hoher Wertschöpfung eingesetzt, die Dosierung ist relativ gering, die Entwicklung relativ kostengünstiger intumeszierender Flammschutzmittel ist eine der zukünftigen Entwicklungsrichtungen.

Im Vergleich zu Metallhydroxid-Flammschutzmitteln erzeugt intumeszierendes Flammschutzmittel beim Brennen mehr Rauch. In den halogenfreien flammhemmenden Kabelmaterialien werden im Allgemeinen Metallhydroxid-Flammschutzmittel zum Compoundieren verwendet. Einerseits ist das intumeszierende Flammschutzmittel flammhemmend wirksam relativ hoch, Sie können die Menge an Metallhydroxid reduzieren; Andererseits hat Metallhydroxid eine sehr gute Rauchunterdrückungswirkung; die Verwendung der beiden flammhemmenden Compounds, um eine bessere raucharme, halogenfreie Flammschutzwirkung zu erzielen. Durch die Kombination der beiden Flammschutzmittel kann eine bessere raucharme und halogenfreie Flammschutzwirkung erzielt werden.

Darüber hinaus umfasst das Flammschutzmittel vom Expansionstyp auch Blähgraphit (EG). Die Effizienz der alleinigen Verwendung dieses Flammschutzmittels ist gering, es kann jedoch problemlos in Kombination mit anderen Flammschutzmitteln verwendet werden.

Intumeszierende Flammschutzmittel

2.3 Bor-Flammschutzmittel für EVA-Kabelmaterialien

Bor-Flammschutzmittel können beim Verbrennen eine glasartige Schutzschicht bilden, um zu verhindern, dass die Polyolefin-Kohlenstoffschicht zerstört wird, und um zu verhindern, dass flüchtige Brennstoffe entweichen. Eines der wasserhaltigen Zinkborate kann beim Erhitzen Wassermoleküle freisetzen, die Wärme abführen, wodurch der Zündpunkt der Verbrennung gesenkt wird, und eine flammhemmende Wirkung entfalten.

Blähgraphit

2.4 Flammschutzmittel aus Silizium für EVA-Kabelmaterial

Silizium-Flammschutzmittel ist ein grünes Flammschutzmittel mit geringer Toxizität, schmelzenden Tropfen und Rauch und anderen Eigenschaften. Silizium bei der Verbrennung, Siliziumrückstände in der kondensierten Phase und die Bildung einer glasigen anorganischen karbonisierten Schicht spielen eine Rolle bei der Wärmeisolierung und Sauerstoffbarriere, um einen synergistischen flammhemmenden synergistischen Effekt zu erzielen.

Feuerbeständige flammhemmende Materialien aus Porzellan (enthalten flammhemmendes Silizium bei hohen Temperaturen, um eine harte Keramikschale zu erzeugen) spielen in der Rolle des Porzellanmittels die Kabelverbrennung, kann automatisch Porzellan sein, die Bildung einer harten Schale und eine Rolle bei der Wärmeisolierung spielen , Isolierung von Sauerstoff. Je höher die allgemeine Zündtemperatur, desto härter die Keramikhülle, desto dichter die Oberfläche, desto besser ist die feuerhemmende Wirkung.

Durch die Verwendung von feuerfesten Porzellanmaterialien und anderen flammhemmenden Verbindungen kann eine effiziente feuerhemmende Wirkung erzielt werden. Derzeit werden keramisierte, flammhemmende Polyolefin- und keramisierte Silikonkabel häufig in Hochhäusern, im Schienenverkehr, auf Schiffen und anderen wichtigen Projekten eingesetzt. Dies ist derzeit eine wichtige Entwicklungsrichtung für flammhemmende, feuerbeständige Kabel.

Keramisierbare, flammhemmende Kabel

Keramisierbare, flammhemmende Kabel

Keramisierbare, flammhemmende Kabel

Die Norm GB/T19666-2019 „Flammhemmende und feuerbeständige Drähte und Kabel oder Glasfaserkabel“ hat die Anforderungen an die geringe Toxizität von raucharmen, halogenfreien, flammhemmenden Kabeln sowie die Konzentration von Stickoxiden erhöht ( NOX <90 mg/m3) und Blausäure (HCN <55 mg/m3) sind ebenfalls vorgeschrieben, was eine höhere Anforderung an raucharme, halogenfreie, flammhemmende Kabelmaterialien stellt. Die Herstellung raucharmer, halogenfreier, flammhemmender Kabel kann in Zukunft unter folgenden 3 Aspekten erfolgen:

(1) EVA und halogenfreies Flammschutzmittel weisen eine gute Kompatibilität, aber auch eine gute Verarbeitungsleistung auf und sind zu den wichtigsten raucharmen, flammhemmenden Matrixmaterialien für halogenfreie Kabel geworden. Aufgrund der Einführung polarer Gruppen verringert sich die Zugfestigkeit und die Isoliereigenschaften von Eva. Die Herstellung von raucharmen, halogenfreien Ummantelungen erfordert eine hohe Zugfestigkeit von PE, PP und anderen Polymeren, um den Standard zu erreichen Anforderungen an das Kabel.

Die Isolationseigenschaften von EVA sind relativ gering, was ihre Verwendung als Mittel- und Hochspannungskabelbereich einschränkt. Wie die Isolationseigenschaften von EVA-basierten, raucharmen, halogenfreien, flammhemmenden Kabelmaterialien verbessert werden können, ist eine wichtige Entwicklungsrichtung für raucharme, halogenfreie, flammhemmende Kabelmaterialien.

(2) Metallhydroxid als EVA-basiertes, raucharmes, halogenfreies, flammhemmendes Kabelmaterial ist eines der wichtigsten Flammschutzmittel, Oberflächenmodifikation und ultrafeine Partikelgröße sind der Entwicklungstrend, Chinas preisgünstiges anorganisches Flammschutzmittel Die Modifikation kann die Anforderungen herkömmlicher halogenfreier, flammhemmender Kabelmaterialien erfüllen und ist kostengünstig. High-End-Metallhydroxid-Flammschutzmittel oder die Abhängigkeit von Importen werden von der Erwartung dominiert, dass in China so bald wie möglich ein Durchbruch in der inländischen High-End-Flammschutzmittel-Modifikationstechnologie für Chinas raucharmes, halogenfreies, flammhemmendes Kabelmaterial von hoher Qualität und umfassender Qualität erzielt wird. Halogenfreie flammhemmende Kabelmaterialien für Chinas raucharme umfassende Entwicklung hochwertiger Hilfe.

(3) Flammhemmende Compoundierung ist die Grundidee der flammhemmenden Verwendung von halogenfreien, flammhemmenden Kabelmaterialien, aber bei der Gestaltung der Formel müssen die neuesten Toxizitätsanforderungen für raucharme, halogenfreie Kabel berücksichtigt werden. Die Dosierung von Flammschutzmitteln vom Expansionstyp muss innerhalb eines angemessenen Bereichs kontrolliert werden. Andernfalls entspricht die Leistung bei geringem Rauch und geringer Toxizität, selbst wenn die Flammschutzleistung qualifiziert ist, nicht unbedingt den Standardanforderungen, bei denen es sich um die neue Version des raucharmen Halogens handelt -Freie flammhemmende Kabelstandardimplementierung der großen Zahl von wissenschaftlichen Forschern muss sich dem Problem stellen.

Abschluss

Im Rahmen des kontinuierlichen Strebens des Marktes für Kabelmaterialien nach einer raucharmen, halogenfreien Flammschutztechnologie hat die YINSU Flame Retardant Company dank ihrer innovativen Forschungs- und Entwicklungskapazitäten erfolgreich eine Reihe neuer, raucharmer, halogenfreier Flammschutzmittel entwickelt. Zu diesen Produkten gehören mit Mikrokapseln beschichteter roter Phosphor FRP-950X, Piperazin PPAP-15 und Blähgraphit EG, die alle über hocheffiziente flammhemmende Eigenschaften verfügen.

Der Einsatz der Mikroverkapselungstechnologie verbessert nicht nur die thermische Stabilität von rotem Phosphor, sondern verringert auch seine potenziellen Auswirkungen auf Verarbeitungsanlagen und die Umwelt. Als neuartige Phosphor-Stickstoff-Verbindung weist Piperazin PPAP-15 eine hervorragende Flammhemmung und geringe Rauchentwicklung auf. Blähgraphit EG kann sich bei Hitzeeinwirkung schnell zu einer dichten Kohlenstoffschicht ausdehnen, wodurch Sauerstoff und Wärme effektiv isoliert und die flammhemmende Wirkung des Materials verstärkt werden. Darüber hinaus hat YINSU Flame Retardant keramisierte Flammschutzmittel entwickelt, die bei hohen Temperaturen eine harte Keramikschicht bilden, um zusätzlichen Brandschutz zu bieten. Die geringen Additiveigenschaften dieser innovativen Flammschutzmittel erfüllen nicht nur die Flammschutzanforderungen von Kabelmaterialien, sondern tragen auch dazu bei, die Gesamtkosten der Flammschutzausrüstung zu senken und bieten so eine kostengünstige Lösung für die Kabelmaterialindustrie. Da die Technologie weiter voranschreitet und die Marktnachfrage wächst, wird erwartet, dass diese Produkte von YINSU Flame Retardant in Zukunft eine bedeutende Position auf dem Markt für Kabelmaterialien einnehmen werden.