اختيار مواد التشحيم ذات التأثير الأدنى على القابلية للاشتعال في تركيبات مركبات الكابلات

اختيار مواد التشحيم ذات التأثير الأدنى على القابلية للاشتعال في تركيبات مركبات الكابلات

مقدمة

يتطلب اختيار مواد التشحيم في تركيبات مركبات الكابلات دراسة متأنية لتأثيرها على مثبطات اللهب. يجب أن يوفر مادة التشحيم المثالية مساعدة معالجة ممتازة دون المساس بمقاومة المادة للحريق. تحدد هذه المقالة توصيات بناءً على التركيب الكيميائي والاستقرار الحراري والتأثيرات التآزرية مع أنظمة مثبطات اللهب، بالاعتماد على ممارسات الصناعة وبيانات البحث.

1. أنواع مواد التشحيم الموصى بها وآلياتها

1.1. مواد التشحيم القائمة على السيليكون (مسحوق/زيت السيليكون)

• المزايا الرئيسية: طاقة رابطة Si-O في السيليكونات (452 كيلو جول/مول) أعلى بكثير من روابط C-C (348 كيلو جول/مول). في درجات الحرارة المرتفعة، تشكل طبقة واقية كثيفة من السيليكا تمنع انتشار اللهب. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي إضافة 0.5-3٪ من سلسلة Javachem® GT (Zhejiang Jiahua) إلى مركبات كابلات البولي أوليفين الخالية من الهالوجين والمثبطة للهب إلى زيادة مؤشر الأكسجين (OI) إلى أكثر من 37٪، وتقليل تراكم القالب، وزيادة سرعة الخط بنسبة 20٪.

• التطبيق: مناسب لمركبات الكابلات القائمة على EVA/PE، خاصة في الأنظمة المعبأة بكثافة (>60٪ حشو). تقلل طبيعتها الكارهة للماء من امتصاص الرطوبة وتحسن القدرة على تحمل العوامل الجوية.

• الدرجات النموذجية: Dow Corning DC-3200، Shin-Etsu KF-96، Zhejiang Jiahua GT-300.

1.2. الصابون المعدني (ستيرات الكالسيوم/الزنك)

• آلية مثبطات اللهب: يتحلل ستيرات الكالسيوم عند 200-250 درجة مئوية، مما يولد CaO و CO₂. يمكن أن يتفاعل CaO مع ثلاثي هيدروكسيد الألومنيوم (ATH) لتكوين ألومينات الكالسيوم، مما يعزز كثافة طبقة الفحم. تظهر الدراسات أن 2-3٪ من ستيرات الكالسيوم يمكن أن تقلل معدل إطلاق الحرارة الأقصى (PHRR) بنسبة 15٪ وتحسين تشتت الحشو.

• توافق العملية: يظهر تآزرًا كبيرًا مع مثبطات اللهب الفوسفور-النيتروجين (مثل MPP). يمكن أن يحل محل جزء من مواد التشحيم التقليدية في التركيبات الخالية من الهالوجين دون التأثير على تصنيف UL94 V-0 عند استخدامه بنسبة 1-2٪.

• ملاحظة: قد يتسبب الاستخدام المفرط في التفتح؛ يوصى باستخدامه مع مواد التشحيم الداخلية (مثل ستيرات البنتا إريثريتول).

1.3. شمع البولي إيثيلين المؤكسد (شمع OPE)

• الخصائص: يحسن محتوى الكربونيل (1.5-3٪) التوافق مع مثبطات اللهب القطبية مثل هيدروكسيد المغنيسيوم (MDH). يمكن للطبقة المؤكسدة المتكونة في درجات الحرارة المرتفعة أن تمنع الاحتراق. تظهر الاختبارات أن مركبات الكابلات التي تحتوي على 1.5٪ من شمع OPE تحافظ على OI يبلغ 32٪، أي أعلى بـ 5 نقاط من تلك التي تحتوي على شمع PE القياسي.

• نصيحة التطبيق: يفضل الدرجات ذات نقطة الانصهار العالية (نقطة الانخفاض: 105-115 درجة مئوية) بأوزان جزيئية تتراوح بين 8000-15000، وهي مناسبة لعمليات البثق عند 180-220 درجة مئوية.

• الدرجات النموذجية: Honeywell A-C 629، Clariant Licowax OP.

1.4. مسحوق البولي تترافلوروإيثيلين (PTFE) الدقيق

• ميزات مثبطات اللهب: يتمتع PTFE بدرجة تحلل عالية (~500 درجة مئوية)، مما ينتج عنه كميات ضئيلة فقط من CO₂ و HF عند الاحتراق. تمنع طبقة الفحم المتكونة التنقيط. يمكن أن يؤدي إضافة 0.5-1٪ من مسحوق PTFE الدقيق إلى PP المثبط للهب إلى تقليل حدوث التنقيط من 70٪ إلى أقل من 10٪.

• القيمة المحددة: مناسب للكابلات منخفضة الدخان (مثل النقل بالسكك الحديدية)، حيث يقلل معامل الاحتكاك المنخفض جدًا (0.05-0.1) من حرارة الاحتكاك البيني أثناء البثق عالي السرعة.

• الدرجات النموذجية: DuPont Teflon® MP100، Daikin Polyflon® L-15.

2. أنواع مواد التشحيم التي تتطلب الحذر

2.1. الأحماض الدهنية (حمض الستياريك/حمض الأوليك)

• تحليل المخاطر: يتمتع حمض الستياريك (C18H36O2) بحرارة احتراق عالية (42 ميجا جول/كجم، ~10٪ أعلى من PE). ينتج عن تحلله هيدروكربونات طويلة السلسلة يمكن أن تعزز انتشار اللهب. قد يؤدي إضافة أكثر من 0.5٪ إلى انخفاض تصنيف UL94 من V-0 إلى V-2.

• البدائل: استبدال كامل بستيرات الكالسيوم أو استخدام حمض هيدروكسي ستيريك منخفض الوزن الجزيئي (مثل حمض 12-هيدروكسي ستيريك)، والذي يتمتع بحرارة احتراق أقل بنسبة 18٪.

2.2. الأميدات القياسية (EBS)

• القيود: يتحلل EBS فوق 300 درجة مئوية، مما يولد الأمونيا وغازات النتريل، والتي قد تتداخل مع آلية تكوين الفحم لمثبطات اللهب القائمة على الفوسفور. تظهر التجارب أن 1٪ EBS يمكن أن يزيد وقت الاحتراق الرأسي بمقدار 2-3 ثوانٍ.

• اتجاه التحسين: استخدم EBS المعدل بالسيلاين (مثل Clariant Licowax EBS-S)، حيث يمكن لمركبات السيلازانات المنبعثة أثناء الاحتراق أن تعوض جزئيًا الآثار السلبية لتحلل الأميد.

2.3. شموع البارافين (البارافين السائل/الشمع الميكروكريستاليني)

• مخاطر الاحتراق: تميل المكونات المتطايرة للبارافين إلى الهجرة إلى السطح، مما يشكل طبقة قابلة للاشتعال. في اختبارات OI، يمكن أن يؤدي إضافة 2٪ من البارافين إلى تقليل قيمة OI بمقدار 3-5 نقاط.

• البدائل: استخدم شموع فيشر-تروبش ذات نقطة انصهار عالية (>90 درجة مئوية)، والتي تتمتع بتوزيع وزن جزيئي ضيق، واستقرار حراري أفضل من البارافين، وبقايا فحم أعلى عند الاحتراق.

3. استراتيجية الاختيار وتحسين العملية

3.1. التصميم التآزري مع مثبطات اللهب

• تآزر الفوسفور-السيليكون: عند دمج مواد تشحيم السيليكون مع فوسفينات الألومنيوم، يمكن لمركبات السيلازانات أن تعزز الإثراء السطحي لمثبطات اللهب القائمة على الفوسفور، مما يشكل طبقة واقية مركبة من "Si-P-char"، مما يزيد من OI إلى أكثر من 35٪.

• تآزر الصابون المعدني-الهيدروكسيد: بنسبة كتلة 1:10 (ستيرات الكالسيوم:ATH)، يعزز ألومينات الكالسيوم المتكون قوة الفحم، مما يزيد من البقايا عند 800 درجة مئوية من 22٪ إلى 28٪.

3.2. مطابقة معلمات المعالجة

• التحكم في درجة الحرارة: درجة حرارة المعالجة المثلى لمواد تشحيم السيليكون هي 180-200 درجة مئوية؛ تجنب تجاوز 220 درجة مئوية لمنع كسر رابطة Si-O. أضف الصابون المعدني لاحقًا في دورة الخلط (130-150 درجة مئوية) لمنع التحلل المبكر.

• عملية التشتت: بالنسبة للأنظمة المعبأة بكثافة، استخدم الطاردات اللولبية المزدوجة ذات القص العالي (سرعة اللولب 300-400 دورة في الدقيقة) للتشتت الموحد لمواد التشحيم ومثبطات اللهب. يمكن أن يؤدي الخلط المسبق لمسحوق السيليكون مع ATH والإضافة على خطوتين إلى زيادة قوة الشد بنسبة 12٪.

3.3. شهادة التحقق من الاختبار

• الاختبارات الأساسية: مؤشر الأكسجين (GB/T 2406.2) ≥32٪؛ الاحتراق الرأسي (UL94) V-0؛ كثافة الدخان (GB/T 8323.2) Dm(4min) ≤75.

• الأداء على المدى الطويل: بعد التقادم الحراري (120 درجة مئوية × 168 ساعة)، يجب أن يكون التغير في قوة الشد ≤±10٪، ويجب أن يكون التغير في الاستطالة عند الكسر ≤±15٪.

• الامتثال البيئي: يفضل مواد التشحيم المتوافقة مع RoHS و REACH. بالنسبة للكابلات الطبية، يجب الامتثال لمعايير مثل USP Class VI.

4. أمثلة على التركيبات النموذجية

4.1. مركب كابلات البولي أوليفين الخالي من الهالوجين والمثبط للهب

• التركيبة (أجزاء بالوزن): EVA (VA 18٪) 100، هيدروكسيد المغنيسيوم 120، مسحوق السيليكون 2، ستيرات الكالسيوم 1.5، مضاد للأكسدة 1010 0.5، مثبت ضوئي 770 0.3.

• الخصائص: OI 37٪، قوة الشد 11 ميجا باسكال، الاستطالة عند الكسر 160٪، انكماش الحرارة (120 درجة مئوية × 24 ساعة) 0.8٪.

4.2. مركب كابلات PVC عالي مثبط للهب

• التركيبة (أجزاء بالوزن): PVC 100، ثلاثي أكسيد الأنتيمون 5، مثبط اللهب إستر الفوسفات 20، ستيرات الكالسيوم 1.2، شمع OPE 1.0، زيت فول الصويا المؤكسد 5.

• الخصائص: UL94 V-0، OI 34٪، المقاومة السطحية >10^14 Ω·cm. مناسب لكابلات التحكم الصناعية.

5. التحكم في المخاطر واتجاهات الصناعة

• استقرار الدُفعات: قم بإجراء تحليل الوزن الحراري (TGA) على دفعات مواد التشحيم الواردة لضمان درجة حرارة التحلل الأولية >250 درجة مئوية والمواد المتطايرة ≤0.5٪.

• التحقق من البدائل: استخدم "طريقة الاستبدال التدريجي" لاستبدال مواد التشحيم المستوردة: ابدأ بمنتج محلي بنسبة 30٪، وزد تدريجياً إلى 100٪ بعد التحقق من الأداء. على سبيل المثال، نجح مسحوق السيليكون من Yanshan Petrochemical في استبدال Dow Corning DC-3200 في الكابلات الكهروضوئية.

• الاستدامة: تتمتع مواد التشحيم الحيوية (مثل الأميدات القائمة على زيت الخروع) بانبعاثات كربونية أقل بنسبة ~40٪ من المواد التقليدية، ويمكن للنباتات أن تمتص ثاني أكسيد الكربون المنبعث أثناء الاحتراق، بما يتماشى مع اللوائح مثل CBAM التابعة للاتحاد الأوروبي.

الخلاصة

تعد مواد التشحيم القائمة على السيليكون، والصابون المعدني، وشمع البولي إيثيلين المؤكسد، ومسحوق PTFE الدقيق خيارات مثالية لمركبات الكابلات التي تحقق التوازن بين التشحيم ومثبطات اللهب. يتطلب التطبيق العملي التحسين بناءً على نظام مثبطات اللهب المحدد، وظروف المعالجة، ومتطلبات الأداء، والتحقق من خلال التجارب الصغيرة النطاق للتوافق وأداء الاحتراق.