Estado de aplicación de materiales para cables de alimentación de poliolefina retardantes de llama sin halógenos

Estado de aplicación de materiales para cables de alimentación de poliolefina retardantes de llama sin halógenos

Con el rápido desarrollo de la economía nacional, la energía eléctrica, la construcción y las comunicaciones y otras industrias tienen una demanda cada vez mayor de alambres y cables, la producción de cables de poliolefina tuvo una tendencia de crecimiento exponencial sin precedentes, se espera que para 2024, la escala de la demanda de China Se espera que los alambres y cables superen los 1,9 billones de yuanes, la tasa de crecimiento anual compuesta es de aproximadamente el 4%, la demanda del mercado de materiales de alambres y cables retardantes de llama sin halógenos es de aproximadamente 200 kt, se espera que en los próximos 3 a 5 años. Se espera que en los próximos 3 a 5 años, la demanda de este tipo de cable aumente a un ritmo de alrededor del 10%, y para 2025, la demanda de alambres y materiales de cables retardantes de llama libres de halógenos alcanzará alrededor de 350kt.Los materiales de poliolefina comúnmente utilizados en cables tienen una inflamabilidad relativamente alta y son propensos a descomponerse y quemarse a altas temperaturas, y producen una gran cantidad de gotas fundidas durante la combustión, encendiendo otros combustibles y ampliando el alcance del incendio, lo que puede provocar víctimas graves. y enormes pérdidas económicas.Por lo tanto, la investigación sobre retardantes de llama para cables de poliolefina ha sido un punto candente de preocupación.

Los materiales de cable retardantes de llama de poliolefina son retardantes de llama modificados por aditivos retardantes de llama para materiales de aislamiento de cables y materiales de revestimiento.Los materiales a base de poliolefina para cables retardantes de llama deben cumplir los siguientes requisitos:

(1) tener buenas propiedades eléctricas, propiedades mecánicas y propiedades de procesamiento;

(2) favorece el aumento de la cantidad de llenado de aditivos retardantes de llama.

Los aditivos para cables retardantes de llama deben cumplir los siguientes requisitos:

(1) tiene en sí mismo propiedades retardantes de llama;

(2) Reducir la cantidad de humo y la toxicidad de los materiales de los cables de poliolefina;

(3) mantener las propiedades eléctricas, mecánicas y de procesamiento de los materiales de cables retardantes de llama.

Este artículo comienza con la selección de materiales de matriz de poliolefina para cables retardantes de llama libres de halógenos para analizar la pirólisis de poliolefinas y el mecanismo retardante de llama, y ​​analiza los tipos de aditivos retardantes de llama y el mecanismo retardante de llama, y ​​finalmente analiza el estado actual de la investigación sobre llamas. Tecnología de material de cable de poliolefina retardante, ventajas y desventajas y aplicaciones específicas.

1. Selección del material base del material del cable retardante de llama

Como portador de transmisión de energía, el rendimiento del aislamiento y la resistencia mecánica del cable son cruciales, y el material de la matriz del cable afecta directamente las propiedades eléctricas y mecánicas del material del cable.Actualmente, los materiales de matriz de cables de poliolefina ampliamente utilizados para polietileno y polietileno reticulado, además del polipropileno como base del material del cable de alimentación, también son el foco de la investigación.

EDUCACIÓN FÍSICA

El PE no tiene grupos polares en su estructura molecular y es un material polimérico no polar, mientras que los retardantes de llama libres de halógenos generalmente tienen una fuerte polaridad y poca compatibilidad con el PE.Por lo tanto, mejorar la polaridad del material base del cable de PE o utilizar un agente de acoplamiento para lidiar con los aditivos retardantes de llama, a fin de mejorar la cantidad de relleno y la compatibilidad de los retardantes de llama no halogenados, es un paso clave para mejorar el rendimiento retardante de llama del PE.El método comúnmente utilizado para mejorar la polaridad del material base de PE es mezclar y modificar PE con polímeros más polares, incluidos: EVA, EEA y EPDM.Por un lado, la adición de estos copolímeros introduce grupos polares, lo que a su vez mejora la afinidad entre la matriz polimérica y el retardante de llama inorgánico, y puede aumentar la cantidad de carga del retardante de llama y mejorar las propiedades retardantes de llama del material compuesto. .Por otro lado, estos copolímeros tienen buenas propiedades de flexión, tenacidad, resistencia al agrietamiento por tensión ambiental y propiedades adhesivas, especialmente propiedades mecánicas que pueden mejorarse.

PÁGINAS

El PP se usa ampliamente en una variedad de industrias para alambres y cables de equipos eléctricos debido a sus excelentes propiedades eléctricas, resistencia a reactivos químicos y resistencia al aceite.Los materiales de PP habituales tienen poca tenacidad y resistencia al impacto, y los investigadores los han modificado mediante copolimerización, mezcla, injerto, nanoadición, etc., y las propiedades mecánicas y eléctricas han mejorado enormemente.En comparación con los cables XLPE, el PP termoplástico modificado es más sencillo de procesar y tiene características de reciclaje, lo que mejora la tasa de producción de cables y reduce significativamente los costos de producción.Además, la resistencia a la temperatura del cable PP es mayor que la del XLPE, lo que puede mejorar significativamente la capacidad del cable, algo muy esperado en el campo del cable de alimentación.

El calor de combustión del PP es muy alto, tiene una baja tasa de carbono y limita el PP como material de cable retardante de llama. El principal inconveniente es que su cadena molecular es más corta y su mayor cristalinidad, lo que lleva a que su compatibilidad con los retardantes de llama sea relativamente pobre, una pequeña cantidad de retardante de llama que provocará una disminución significativa en el procesamiento y las propiedades mecánicas del PP.Especialmente cuando es necesario doblar el cable, su resistencia a la flexión también es deficiente y durante el proceso de transporte y tendido puede causar daños mecánicos.Por lo tanto, bajo la premisa de no afectar las propiedades mecánicas del PP, mejorar sus propiedades retardantes de llama se ha convertido en un punto importante de la investigación de modificación de retardantes de llama del PP.

Los métodos de modificación del material base retardante de llama de PP son variados, pero se utilizan en el campo de la modificación por mezcla y copolimerización del aislamiento de cables es la forma más efectiva.La modificación por mezcla es PP y otros elastómeros: PE, EVA, mezcla de POE, la modificación por copolimerización es una cadena molecular de PP conectada a una cadena molecular de etileno o propileno.Estos dos métodos de bajo costo, proceso simple y flexibilidad técnica, tanto en el país como en el extranjero, tienen buenas perspectivas de desarrollo.

2. Tipos de retardantes de llama de cables de poliolefina

Características de combustión de poliolefina.

El contenido de PE y PP y otros elementos constituyentes de poliolefina en C, H es extremadamente alto y, por lo tanto, muy fácil de quemar, el límite del índice de oxígeno es solo del 17% y en el proceso de combustión es propenso a derretirse las gotas y al fenómeno de incendio retardado. .El proceso de combustión de poliolefina existe en el ablandamiento, descomposición y combustión de tres etapas, en las cuales el proceso de descomposición producirá una gran cantidad de sustancias combustibles y el calor liberado durante el proceso de combustión promoverá la descomposición de la poliolefina.Por lo tanto, el mecanismo retardante de llama de los materiales de cables de poliolefina retardantes de llama se manifiesta principalmente en el uso de retardantes de llama para ralentizar la descomposición térmica del material, limitando la transferencia de calor para evitar el papel del fuego.Según la composición de los retardantes de llama, los retardantes de llama libres de halógenos se pueden dividir en fósforo, nitrógeno, silicio, boro, hidróxido metálico inorgánico y tipo de expansión.

Retardantes de llama sin halógenos

En la actualidad, los retardantes de llama libres de halógenos comúnmente utilizados para cables eléctricos incluyen retardantes de llama a base de nitrógeno, fósforo, boro y silicio.

I. Retardantes de llama a base de nitrógeno

Principalmente melamina y sus sales, su temperatura de descomposición es alta, el proceso de combustión produce principalmente: NH3, N2, NO y vapor de agua y otros productos no tóxicos ni corrosivos.Los retardantes de llama a base de nitrógeno absorben una gran cantidad de calor y liberan gases no inflamables mediante volatilización y descomposición térmica, lo que puede reducir en gran medida la temperatura de la superficie de los polímeros y diluir la concentración de gases inflamables y oxígeno en el medio ambiente y, en última instancia, lograr una buena llama. efectos retardantes.Los retardantes de llama a base de nitrógeno y otros retardantes de llama aplicados al mismo tiempo tienen un buen efecto sinérgico, por ejemplo, el retardante de llama de nitrógeno⁃ fósforo que puede promover la carbonización del fósforo, la formación de una capa de carbono expandido y desempeña un buen papel en el aislamiento térmico. y retardante de llama.Algunos retardantes de llama de nitrógeno, como el cianurato de melamina, se utilizan a menudo como lubricantes y compatibilizadores para mejorar la mezcla de otros retardantes de llama en poliolefinas.

II.Retardantes de llama de fósforo

El uso principal de grupos de fósforo en el proceso de descomposición térmica puede hacer que la carbonización por deshidratación de la superficie del polímero desempeñe un papel como retardante de llama aislado.Entre ellos, el polifosfato de amonio (APP) se usa comúnmente en sistemas retardantes de llama para cables de alimentación.Las desventajas de los retardantes de llama que contienen fósforo son que el elemento fósforo tiene neurotoxicidad, baja estabilidad, poca resistencia al agua, poca compatibilidad con los polímeros y un impacto relativamente grande en las propiedades mecánicas, por lo que la aplicación es limitada.

III.Compuestos de boro

El mecanismo retardante de llama de los compuestos de boro es formar una capa aislante vítrea durante el proceso de combustión, bloquear el efecto del oxígeno y los gases combustibles volátiles, evitar una mayor oxidación de la capa de carbón y promover la formación de carbón.En comparación con el retardante de llama de fósforo, el retardante de llama de boro tiene buena estabilidad térmica, baja toxicidad y poco humo, por lo que es más adecuado para su popularización y aplicación.El borato de zinc se usa comúnmente como coeficiente retardante de llama, pero su efecto por sí solo no es bueno y se usa principalmente como coeficiente retardante de llama.

IV.Retardante de llama de silicio

El retardante de llama de silicio es un nuevo tipo de retardante de llama respetuoso con el medio ambiente con alta eficiencia retardante de llama, baja toxicidad, antigoteo y características libres de humo.Los retardantes de llama inorgánicos a base de sílice, que incluyen minerales de silicato, como talco, silicato en capas y silicato poroso, se utilizan comúnmente en retardantes de llama para cables eléctricos, etc. No solo promueven la formación de carbono en el proceso de combustión, sino que también aumentan el papel de absorción de humo.

V. Retardantes de llama de hidróxido metálico inorgánico

En la actualidad, los hidróxidos metálicos inorgánicos comúnmente utilizados son el hidróxido de aluminio (ATH) y el hidróxido de magnesio (MDH), que tienen las características de baja emisión de humo, no tóxico, protección ecológica y ambiental, y han recibido amplia atención como nuevas llamas libres de contaminación. retardantes.ATH y MDH comienzan a descomponerse y absorber una gran cantidad de calor para reducir la temperatura local del área de combustión cuando la temperatura es superior a 200 ℃, y la descomposición del vapor de agua generado por la descomposición de los gases combustibles diluye la concentración de oxígeno, mientras que el gas no combustible generado por la descomposición de los gases combustibles y el oxígeno.El vapor de agua generado por su descomposición diluye la concentración de gases combustibles y oxígeno y, al mismo tiempo, los óxidos no combustibles generados forman una película aislante, que tiene el efecto de retardante de llama.

Los hidróxidos metálicos inorgánicos dependen de su propia descomposición para reducir el calor de combustión, mientras diluyen el oxígeno, por lo que su eficiencia retardante de llama es menor y el contenido suele ser superior al 50%.Al mismo tiempo, la polaridad del hidróxido metálico inorgánico es grande y la compatibilidad del material base del cable de poliolefina es deficiente, lo que hace que sea difícil de dispersar durante el procesamiento y fácil de formar puntos de tensión mecánica, lo que hace que las propiedades mecánicas del material del cable sean significativamente reducido.En la actualidad, la investigación sobre ATH y MDH como retardantes de llama todavía se centra en mejorar el problema de compatibilidad, y los métodos comúnmente utilizados incluyen: adelgazamiento de partículas, modificación de superficies y aumento del compatibilizador.

VI.Retardantes de llama intumescentes

La composición del retardante de llama intumescente se basa principalmente en fósforo y nitrógeno, que combina las ventajas de los dos tipos de retardantes de llama y se caracteriza por su no toxicidad y menos humo.El fósforo forma una película aislante después de calentarse, y el nitrógeno se descompone en agua y gas después de calentarse, en el cual el gas descompuesto por el nitrógeno facilita la formación de una capa espumosa de carbón de fósforo.La capa de carbón espumoso puede desempeñar el papel de barrera de oxígeno y aislamiento térmico y, al mismo tiempo, puede prevenir las gotas fundidas.En comparación con otros sistemas retardantes de llama libres de halógenos, en el campo de los retardantes de llama PE y PP, se puede lograr un excelente efecto retardante de llama cuando el contenido de IFR es del 20% al 30%.

El contenido teórico de fósforo de APP es de hasta 31% o más, que es la fuente de ácido más común en IFR y también sirve como fuente de gas.Sin embargo, la APP aplicada en PE y PP tiene muchos defectos de rendimiento, por ejemplo, la estabilidad térmica no es lo suficientemente alta, olor irritante y fenómeno de moho corrosivo durante el procesamiento;mala compatibilidad con PE y PP, que no pueden cumplir con los requisitos de propiedades mecánicas;mala resistencia al agua, gran absorción de humedad, etc.Por lo tanto, la modificación de la superficie de APP es una de las formas efectivas de resolver los problemas anteriores.

La modificación de la superficie de APP se puede dividir en dos tipos: método de recubrimiento físico y método de modificación química de la superficie.La clave del recubrimiento físico es que el material de recubrimiento debe tener una buena compatibilidad con la APP para garantizar la solidez del recubrimiento;el material de recubrimiento también debe tener buena estabilidad térmica, compatibilidad interfacial y buena resistencia al agua.En comparación con el recubrimiento físico, la modificación química tiene una fuerza de unión más fuerte, pero la modificación química generará un mayor costo de APP y elevará el umbral de aplicación.

Tecnología retardante de llama del material del cable.

De acuerdo con las disposiciones de GB/T32129-2015 Material de cable ignífugo con bajo contenido de humo y libre de halógenos para alambres y cables, los materiales de cables de alimentación de PE y PP modificados deben cumplir con el rendimiento de la Tabla 1.

VII.Retardantes de llama de hidróxido metálico modificado

El hidróxido metálico es un retardante de llama verde ampliamente utilizado y, en vista de sus deficiencias, como propiedades mecánicas deficientes y mala compatibilidad de los materiales de cables retardantes de llama modificados, los investigadores han intentado modificarlo para mejorar la compatibilidad y la eficiencia del retardante de llama.Tomando el MDH como ejemplo, su superficie se modifica utilizando un agente de acoplamiento con grupos hidrófilos y lipófilos al mismo tiempo, y el agente de acoplamiento conecta óxidos metálicos y poliolefinas, lo que puede mejorar muy bien la compatibilidad.

Conclusión

Los materiales de poliolefina para cables retardantes de llama tienen buenas propiedades aislantes y se utilizan en grandes cantidades en todo el mundo para el aislamiento de cables eléctricos, lo que contribuye de manera importante a la transmisión de energía.Sin embargo, con el énfasis en las cuestiones medioambientales, el uso de retardantes de llama sin halógenos en lugar de los tradicionales retardantes de llama halógenos es una tendencia importante en el desarrollo del aislamiento de cables.