Polyvinyylikloridi (PVC) on hallitseva valinta kaapelin eriste- ja vaippamateriaaleihin, ja sen palonestoominaisuudet liittyvät suoraan sähköjärjestelmän turvalliseen toimintaan. Lukuisten palonestoaineiden joukossa,3,5 hydratoitua sinkkiboraattia (2ZnO·3B2O3·3,5H2O)on tullut avainkomponentti PVC-kaapeleiden koostumuksissa. Tässä artikkelissa analysoidaan järjestelmällisesti tämän valinnan taustalla olevaa tieteellistä perustaa.
3,5 %:n hydratoidun sinkkiboraatin (noin 14,5 %) kidevesipitoisuus on suunniteltu täsmälleen siten, että sen termisen hajoamislämpötilan ja PVC:n alkuperäisen hajoamislämpötilan (noin 200-300 °C) välillä on ihanteellinen yhteensopivuus. Kun kaapeli kohtaa tulenlähteen, sinkkiboraatti vapauttaa kiteistä vettä lämpötila-alueella 210-320°C
Zn₂B6O11·3,5H₂O → Zn2B6O11 + 3,5 H₂O↑
Tämä prosessi absorboi suuren määrän lämpöä (dehydraatioentalpia noin 280 J/g), mikä vähentää tehokkaasti materiaalin pintalämpötilaa ja viivyttää PVC-hartsimatriisin lämpöhajoamisnopeutta. Verrattuna korkeampiin hydraattisiin muotoihin, kuten 5-hydraattiin ja 7-hydraattiin, 3,5 hydraatin kuivauslämpötilaikkuna on tarkempi, jolloin vältetään ennenaikaisen kuivumisen tai viivästyneen dehydraation aiheuttamia suojaavia sokeita pisteitä.
Dehydratoitu vedetön sinkkiboraatti (Zn2B6O11) sulaa 400-500 °C:ssa ja reagoi PVC:n hajoamisesta syntyvän vetykloridin (HCl) kanssa:
Zn₂B₆O11 + 12HCl → 2ZnCl2 + 6BCl3 + 6H₂O
Syntynyt ZnCl2 ja BCl3 toimivat Lewis-happokatalyytteinä edistäen PVC:n silloitusreaktiota muodostaen laajennetun hiilikerroksen. Samanaikaisesti boorioksidi muuttuu viskoosiksi B2O3-lasiksi yli 700 °C:n lämpötiloissa
2BCl₃ + 3H₂O → B2O3 + 6HCl
Lasirunko peittää hiilikerroksen pinnan muodostaen tiheän suojakerroksen. Sen dynaaminen viskositeetti (10³-10⁴ Pa·s) voi tehokkaasti estää hapen läpäisyn ja lämmönsiirron liekin lämpötilassa.
PVC-pyrolyysistä vapautuva HCl ei ainoastaan nopeutta materiaalin hajoamista, vaan myös tuottaa syövyttävää ja myrkyllistä savua.Sinkkiboraattivangitsee tehokkaasti HCl:n kaksivaiheisella reaktiolla:
1. Ensisijainen sieppaus: Pintahydroksyyliryhmät reagoivat HCl:n kanssa muodostaen ZnCl ₂ ja boorihappoa
2. Toissijainen talteenotto: Syntynyt boorihappo reagoi edelleen HCl:n kanssa muodostaen BCl3:a
Jokainen mooli 3,5 hydratoitua sinkkiboraattia voi teoriassa kuluttaa 12 moolia HCl:a, jonka talteenottokapasiteetti on 43,7 %. Perinteisiin palonestoaineisiin, kuten alumiinihydroksidiin (vain 33 %) verrattuna, sen massayksikköhapon neutralointitehokkuus on kasvanut 32 %.
PVC-kaapeleiden koostumuksessa sinkkiboraatilla on merkittävä synergistinen vaikutus Sb2O3:n kanssa:
Zn₂B6O11 + Sb2O3 + HCl → ZnSb2O5+borosilikaattilasifaasi
Syntetyllä sinkki-antimonispinellillä (ZnSb2O5) on korkea lämpöstabiilisuus (>1000 °C) ja vahva katalyyttinen hiiltymiskyky. Kokeelliset tiedot osoittavat, että kun sinkkiboraattia sekoitetaan Sb203:n kanssa massasuhteessa 3:2, rajahappiindeksiä (LOI) voidaan nostaa 28 %:sta 34 %:iin ja savun tiheyttä voidaan vähentää 40 %.
Verrattuna palonestoaineisiin, joiden hiukkaskoko on samanlainen, 3,5 hydratoidun sinkkiboraatin Mohs-kovuus on vain 2,5, paljon pienempi kuin täyteaineiden, kuten piidioksidin (7,0). Sen levymäinen kidemuoto (keskimääräinen hiukkaskoko 1-3 μm, kuvasuhde 8-15) voi muodostaa "korttimaisen" pinon PVC-matriisiin. Lisättynä annoksella 15-20 phr:
· Vetolujuuden säilymisaste> 85 %
· Murtovenymä pienenee vain 12-18 %
·Vaikutus ekstruusioprosessoitavuuteen on huomattavasti pienempi kuin palonestoaineilla, kuten magnesiumhydroksidilla
Sinkkiboraatin suorituskyvyn vertailu eri hydraatioasteilla:
|
Kosteutettu muoto |
Kuivumisen aloituslämpötila (°C) |
Pääkuivausväli (°C) |
Vastaava aste PVC-käsittelylämpötilan kanssa |
|
3.5 Nesteytys |
215 |
225-320 |
Erinomainen (PVC-käsittely 180-210 °C) |
|
5 Nesteytys |
185 |
190-280 |
Hyvä (varhainen kuivumisriski) |
|
7 Nesteytys |
150 |
155-260 |
Huono (altis vedenhukkaa käsittelyn aikana) |
3.5 Hydraatit pysyvät stabiileina PVC:n tavanomaisessa ekstruusiolämpötilassa (170-190°C), jotta vältetään huokoisuus ja pintavauriot, jotka aiheutuvat kuivumisesta käsittelyn aikana.
Kun sinkkiboraatin dielektrisyysvakio (ε _r=4,2-4,8) on lähellä PVC-matriisin dielektrisyysvakiota (ε _r=4,0-4,5) ja sen kerrosrakenne on järjestetty samansuuntaisesti sähkökentän suunnan kanssa:
·Säilytä tilavuusresistanssi yli 10 ¹⁴Ω· cm
· Dielektrisen häviön tangentin arvon kasvu on alle 0,002
· Vaikuttaa vain vähän kaapelin kapasitanssin tasaisuuteen
Ympäristöystävällisyys:
·Akuutti myrkyllisyys suun kautta LD50>5000 mg/kg (todellinen myrkytön taso)
·Ei sisällä halogeeneja, raskasmetalleja (lyijyä, kadmiumia, kromia jne.)
· 35 % vähennys CO:n muodostumisessa palamistuotteista (verrattuna perinteisiin palonestojärjestelmiin)
Savunpoistomekanismi:
Sinkkiboraatti edistää aromaattisten hiilirakenteiden muodostumista alifaattisten fragmenttien sijasta PVC:ssä, nostaen savuhiukkasten ydintymiskynnyslämpötilaa 350°C:sta 480°C:een ja alentaa savutiheyttä (NBS-menetelmä) 50-60 %.
·Matalat savu- ja halogeenittomat vaatimukset: Sinkkiboraatin annoksen lisääminen 25 phr:iin yhdistettynä magnesiumhydroksidiin (40 phr) voi saavuttaa IEC 61034 -savun tiheyden <200
· Korkea lämmönkestävyystaso (105 °C): trimelliittihappoesteripehmitintä käyttämällä sinkkiboraatin pinta käsitellään silaaniliitosaineella ja venymän säilymisnopeus lämpövanhentamisen jälkeen pidetään > 70 %:ssa
Sovellus3,5 hydratoitua sinkkiboraattiaPVC-kaapeleissa heijastaa "monimekanismien synergiaa" ja "suorituskykytasapainoa" palonestotieteessä. Sen tarkka kidevesipitoisuus, erinomainen hapon sieppauskyky, tehokas synergia antimonipohjaisten palonestoaineiden kanssa ja minimaalinen vaikutus materiaalien sähköisiin ja mekaanisiin ominaisuuksiin tekevät siitä ihanteellisen valinnan täyttämään nykyaikaisen kaapelin palonestokyvyn, vähäisen savun, myrkyllisyyden ja korkean luotettavuuden kattavat vaatimukset.
