حالة تطبيق مواد كابلات الطاقة المصنوعة من البولي أوليفينات المقاومة للهب والخالية من الهالوجين

حالة تطبيق مواد كابلات الطاقة المصنوعة من البولي أوليفينات المقاومة للهب والخالية من الهالوجين

مع التطور السريع للاقتصاد المحلي والطاقة الكهربائية والبناء والاتصالات وغيرها من الصناعات لديها طلب متزايد على الأسلاك والكابلات، وكان إنتاج كابلات البولي أوليفين اتجاه نمو أسي غير مسبوق، ومن المتوقع أنه بحلول عام 2024، حجم الطلب الصيني على من المتوقع أن تتجاوز الأسلاك والكابلات 1.9 تريليون يوان، ويبلغ معدل النمو السنوي المركب حوالي 4٪، ويبلغ الطلب في سوق مواد الأسلاك والكابلات المقاومة للهب الخالية من الهالوجين حوالي 200 كيلو طن، ومن المتوقع أنه خلال 3 إلى 5 سنوات القادمة من المتوقع أنه خلال 3 إلى 5 سنوات القادمة، سيزداد الطلب على هذا النوع من الكابلات بمعدل حوالي 10٪، وبحلول عام 2025، سيصل الطلب على مواد الأسلاك والكابلات المقاومة للهب الخالية من الهالوجين إلى حوالي 350 كيلو طن.تتميز مواد البولي أوليفين المستخدمة عادة في الكابلات بقابلية اشتعال عالية نسبيًا، وتكون عرضة للتحلل والاحتراق عند درجات حرارة عالية، وتنتج عددًا كبيرًا من القطرات المنصهرة أثناء الاحتراق، مما يؤدي إلى اشتعال مواد قابلة للاحتراق أخرى وتوسيع نطاق الحريق، مما قد يؤدي إلى إصابات خطيرة وخسائر اقتصادية فادحة.لذلك، كانت أبحاث مثبطات اللهب لكابلات البولي أوليفين نقطة ساخنة للقلق.

مواد الكابلات المقاومة للهب من مادة البولي أوليفين هي مثبطات للهب تم تعديلها بواسطة إضافات مثبطات اللهب لمواد عزل الكابلات ومواد الغلاف.يجب أن تستوفي المواد الأساسية من مادة البولي أوليفين للكابلات المقاومة للهب المتطلبات التالية:

(1) لديها خصائص كهربائية جيدة، خصائص ميكانيكية وخصائص المعالجة؛

(2) يفضي إلى زيادة كمية الحشو من إضافات مثبطات اللهب.

يجب أن تستوفي المواد المضافة للكابلات المقاومة للهب المتطلبات التالية:

(1) في حد ذاته له خصائص مثبطة للهب؛

(2) تقليل كمية الدخان وسمية مواد كابلات البولي أوليفين؛

(3) الحفاظ على الخواص الكهربائية والخواص الميكانيكية وخصائص المعالجة لمواد الكابلات المقاومة للهب.

تبدأ هذه المقالة باختيار مواد مصفوفة البولي أوليفينات المقاومة للهب الخالية من الهالوجين لتحليل الانحلال الحراري للبولي أوليفينات وآلية مثبطات اللهب، وتناقش أنواع إضافات مثبطات اللهب وآلية مثبطات اللهب، وتناقش أخيرًا الوضع الحالي للبحث حول اللهب تكنولوجيا مواد كابلات البولي أوليفين المثبطة ومزاياها وعيوبها وتطبيقاتها المحددة.

1. اختيار المواد الأساسية لمواد الكابلات المقاومة للهب

باعتباره حاملًا لنقل الطاقة، يعد أداء العزل والقوة الميكانيكية للكابل أمرًا بالغ الأهمية، وتؤثر مادة مصفوفة الكابل بشكل مباشر على الخواص الكهربائية والميكانيكية لمادة الكابل.الآن يتم استخدام مواد مصفوفة كابلات البولي أوليفين على نطاق واسع للبولي إيثيلين والبولي إيثيلين المتقاطع، بالإضافة إلى مادة البولي بروبيلين كقاعدة لمواد كابلات الطاقة، وهي أيضًا محور البحث.

بي

لا يحتوي PE على مجموعات قطبية في بنيته الجزيئية، وهو عبارة عن مادة بوليمر غير قطبية، في حين أن مثبطات اللهب الخالية من الهالوجين تتمتع عمومًا بقطبية قوية وتوافق ضعيف مع PE.ولذلك، فإن تحسين قطبية المواد الأساسية لكابل PE أو استخدام عامل الاقتران للتعامل مع إضافات مثبطات اللهب، وذلك لتحسين كمية التعبئة والتوافق مع مثبطات اللهب غير المهلجنة، يعد خطوة أساسية لتحسين أداء مثبطات اللهب لـ PE.الطريقة الشائعة الاستخدام لتحسين قطبية المادة الأساسية PE هي مزج وتعديل PE مع المزيد من البوليمرات القطبية، بما في ذلك: EVA، EEA وEPDM.من ناحية، فإن إضافة هذه البوليمرات المشتركة تقدم مجموعات قطبية، والتي بدورها تعمل على تحسين التقارب بين مصفوفة البوليمر ومثبطات اللهب غير العضوية، ويمكن أن تزيد من كمية الحشو لمثبطات اللهب وتحسين خصائص مثبطات اللهب للمادة المركبة .من ناحية أخرى، تتمتع هذه البوليمرات المشتركة بانحناء جيد وصلابة ومقاومة للتشقق الناتج عن الإجهاد البيئي وخصائص لاصقة، ويمكن تحسين الخواص الميكانيكية بشكل خاص.

ص

يستخدم PP على نطاق واسع في مجموعة متنوعة من الصناعات للأسلاك وكابلات المعدات الكهربائية بسبب خصائصه الكهربائية الممتازة، ومقاومته للكاشف الكيميائي، ومقاومة الزيت.تتميز مواد PP المعتادة بصلابة ضعيفة ومقاومة للصدمات، وقد قام الباحثون بتعديلها من خلال البلمرة المشتركة، والمزج، والتطعيم، وإضافة النانو، وما إلى ذلك، وتم تحسين الخواص الميكانيكية والكهربائية بشكل كبير.بالمقارنة مع كابلات XLPE، فإن PP البلاستيك الحراري المعدل أسهل في المعالجة وله خصائص إعادة التدوير، مما يحسن معدل إنتاج الكابلات ويقلل تكاليف الإنتاج بشكل كبير.بالإضافة إلى ذلك، فإن مقاومة درجات الحرارة لكابل PP أعلى من XLPE، ويمكن أن تحسن بشكل كبير من قدرة الكابل، ومن المتوقع بشدة في مجال كابلات الطاقة.

حرارة احتراق PP عالية جدًا، ومعدل كربون منخفض، وتحد من PP كمادة كبل مثبطة للهب هو العيب الرئيسي لسلسلتها الجزيئية أقصر، وبلورة أعلى، مما يؤدي إلى أن توافقها مع مثبطات اللهب ضعيف نسبيًا، وهو صغير كمية مثبطات اللهب التي من شأنها أن تسبب انخفاضًا كبيرًا في المعالجة والخواص الميكانيكية للـPP.خاصة عندما يحتاج الكابل إلى الثني، فإن مقاومة الانحناء تكون ضعيفة أيضًا، أثناء عملية النقل والتمديد قد تسبب أضرارًا ميكانيكية.لذلك، في ظل فرضية عدم التأثير على الخواص الميكانيكية لـ PP، أصبح تحسين خصائص مثبطات اللهب نقطة ساخنة لأبحاث تعديل مثبطات اللهب PP.

تتنوع طرق تعديل المواد الأساسية المقاومة للهب PP، ولكنها تستخدم في مجال مزج عزل الكابلات وتعديل البلمرة المشتركة وهي الطريقة الأكثر فعالية.تعديل المزج هو PP واللدائن الأخرى: PE، EVA، مزج POE، تعديل البلمرة المشتركة هو سلسلة جزيئية PP متصلة بسلسلة جزيئية من الإيثيلين أو البروبيلين.تتمتع هاتان الطريقتان بتكلفة منخفضة وعملية بسيطة ومرونة تقنية، سواء في الداخل أو الخارج، بآفاق جيدة للتنمية.

2. أنواع مثبطات اللهب لكابلات البولي أوليفين

خصائص احتراق البولي أوليفين

PE وPP والعناصر المكونة للبولي أوليفينات الأخرى في محتوى C وH عالية للغاية، وبالتالي من السهل جدًا حرقها، ويبلغ الحد الأقصى لمؤشر الأكسجين 17٪ فقط، وفي عملية الاحتراق يكون عرضة لذوبان القطرات وظاهرة الحريق المتأخرة .توجد عملية احتراق البولي أوليفين في ثلاث مراحل من التليين والتحلل والاحتراق، حيث ستنتج عملية التحلل عددًا كبيرًا من المواد القابلة للاحتراق، والحرارة المنبعثة أثناء عملية الاحتراق لتعزيز تحلل البولي أوليفين.ولذلك، فإن آلية مثبطات اللهب لمواد كابلات البولي أوليفينات المثبطة للهب تتجلى بشكل رئيسي في استخدام مثبطات اللهب لإبطاء التحلل الحراري للمادة، مما يحد من نقل الحرارة لتجنب دور الحريق.وفقا لتكوين مثبطات اللهب، يمكن تقسيم مثبطات اللهب الخالية من الهالوجين إلى الفوسفور والنيتروجين والسيليكون والبورون وهيدروكسيد المعدن غير العضوي ونوع التوسع.

مثبطات اللهب الخالية من الهالوجين

في الوقت الحاضر، تشتمل مثبطات اللهب الخالية من الهالوجين شائعة الاستخدام لكابلات الطاقة على مثبطات اللهب المعتمدة على النيتروجين والفوسفور والبورون والسيليكون.

I. مثبطات اللهب ذات الأساس النيتروجيني

بشكل رئيسي الميلامين وملحه، ودرجة حرارة تحلله مرتفعة، وتنتج عملية الاحتراق بشكل رئيسي: NH3، N2، NO وبخار الماء وغيرها من المنتجات غير السامة وغير القابلة للتآكل.تمتص مثبطات اللهب القائمة على النيتروجين كمية كبيرة من الحرارة وتطلق غازات غير قابلة للاشتعال من خلال التطاير والتحلل الحراري، مما يمكن أن يقلل بشكل كبير من درجة حرارة سطح البوليمرات ويخفف تركيز الغازات القابلة للاشتعال والأكسجين في البيئة، ويحقق في النهاية لهبًا جيدًا آثار مثبطة.مثبطات اللهب القائمة على النيتروجين ومثبطات اللهب الأخرى المطبقة في نفس الوقت لها تأثير تآزري جيد، على سبيل المثال، مثبطات اللهب النيتروجينية والفوسفورية التي يمكن أن تعزز تفحيم الفوسفور، وتكوين طبقة كربون موسعة، وتلعب دورًا جيدًا في العزل الحراري. ومثبطات اللهب.غالبًا ما تستخدم بعض مثبطات اللهب النيتروجينية مثل سيانورات الميلامين كمواد تشحيم ومتوافقة لتحسين خلط مثبطات اللهب الأخرى في البولي أوليفينات.

ثانيا.مثبطات اللهب الفوسفورية

الاستخدام الرئيسي لمجموعات الفوسفور في عملية التحلل الحراري يمكن أن يجعل الكربنة الجفاف سطح البوليمر، تلعب دورا في عزل مثبطات اللهب.من بينها، يتم استخدام بولي فوسفات الأمونيوم (APP) بشكل شائع في نظام مثبطات اللهب لكابلات الطاقة.عيوب مثبطات اللهب المحتوية على الفسفور هي أن عنصر الفسفور له سمية عصبية، وثبات منخفض، وضعف مقاومة الماء، وضعف التوافق مع البوليمرات، وتأثير كبير نسبيًا على الخواص الميكانيكية، لذا فإن التطبيق محدود.

ثالثا.مركبات البورون

تتمثل آلية مثبطات اللهب لمركبات البورون في تشكيل طبقة عازلة زجاجية أثناء عملية الاحتراق، لمنع تأثير الأكسجين والغازات القابلة للاحتراق المتطايرة، لمنع المزيد من أكسدة طبقة الفحم وتعزيز تكوين الفحم.بالمقارنة مع مثبطات لهب الفوسفور، فإن مثبطات لهب البورون تتمتع بثبات حراري جيد، وسمية منخفضة ودخان صغير، لذلك فهي أكثر ملاءمة للتعميم والتطبيق.يستخدم بورات الزنك بشكل شائع كعامل مثبط للهب، لكن تأثيره وحده ليس جيدًا، ويستخدم بشكل أساسي كعامل مثبط للهب.

رابعا.مثبطات اللهب السيليكون

مثبطات اللهب السيليكونية هي نوع جديد من مثبطات اللهب الصديقة للبيئة ذات كفاءة عالية في تثبيط اللهب، وسمية منخفضة، وقطرات مضادة للانصهار، وميزات خالية من الدخان.مثبطات اللهب غير العضوية التي تعتمد على السيليكا تستخدم بشكل شائع في مثبطات اللهب لكابلات الطاقة، بما في ذلك معادن السيليكات، مثل التلك والسيليكات ذات الطبقات والسيليكات المسامية، وما إلى ذلك. فهي لا تعزز تكوين الكربون في عملية الاحتراق فحسب، بل تزيد أيضًا من دور امتصاص الدخان.

خامسا - مثبطات اللهب هيدروكسيد المعادن غير العضوية

في الوقت الحاضر، هيدروكسيدات المعادن غير العضوية شائعة الاستخدام هي هيدروكسيد الألومنيوم (ATH) وهيدروكسيد المغنيسيوم (MDH)، والتي تتميز بخصائص الدخان المنخفض وغير السامة والخضراء وحماية البيئة، وقد حظيت باهتمام واسع باعتباره لهبًا جديدًا خاليًا من التلوث. مثبطات.يبدأ ATH وMDH في التحلل وامتصاص كمية كبيرة من الحرارة لتقليل درجة الحرارة المحلية لمنطقة الاحتراق عندما تكون درجة الحرارة أعلى من 200 درجة مئوية، كما يؤدي تحلل بخار الماء الناتج عن تحلل الغازات القابلة للاحتراق إلى تخفيف تركيز الغازات القابلة للاحتراق. الأكسجين، بينما الغاز غير القابل للاحتراق الناتج عن تحلل الغازات القابلة للاحتراق والأكسجين.يعمل بخار الماء الناتج عن تحللها على تخفيف تركيز الغازات القابلة للاحتراق والأكسجين، وفي الوقت نفسه، تشكل الأكاسيد غير القابلة للاحتراق المتولدة طبقة عزل، والتي لها تأثير مثبطات اللهب.

تعتمد هيدروكسيدات المعادن غير العضوية على تحللها الخاص لتقليل حرارة الاحتراق، مع تخفيف الأكسجين، وبالتالي تكون كفاءة مثبطات اللهب أقل، وغالبًا ما يكون المحتوى أكثر من 50٪.في الوقت نفسه، قطبية هيدروكسيد المعدن غير العضوي كبيرة، وتوافق المواد الأساسية لكابل البولي أوليفين ضعيف، مما يؤدي إلى صعوبة التفريق أثناء المعالجة، وسهولة تشكيل نقاط ضغط ميكانيكية، مما يجعل الخواص الميكانيكية لمواد الكابلات كبيرة. مخفض.في الوقت الحاضر، يركز البحث على ATH وMDH كمثبطات للهب لا يزال يركز على تحسين مشكلة التوافق، وتشمل الطرق المستخدمة بشكل شائع: ترقق الجسيمات وتعديل السطح وزيادة المتوافق.

السادس.مثبطات اللهب المنتفخة

يعتمد تركيب مثبطات اللهب المنتفخة بشكل أساسي على الفوسفور والنيتروجين، والذي يجمع بين مزايا هذين النوعين من مثبطات اللهب ويتميز بعدم السمية ودخان أقل.يشكل الفوسفور طبقة عزل بعد تسخينه، ويتحلل النيتروجين إلى ماء وغاز بعد تسخينه، حيث يسهل الغاز المتحلل بواسطة النيتروجين تكوين طبقة الفحم الرغوية من الفوسفور.يمكن لطبقة الفحم الرغوية أن تلعب دور حاجز الأكسجين والعزل الحراري، وفي الوقت نفسه، يمكنها منع القطرات المنصهرة.بالمقارنة مع أنظمة مثبطات اللهب الأخرى الخالية من الهالوجين، في مجال مثبطات اللهب PE وPP، يمكن تحقيق تأثير مثبطات اللهب الممتاز عندما يكون محتوى IFR من 20% إلى 30%.

يصل محتوى الفسفور النظري لـ APP إلى 31% أو أكثر، وهو مصدر الحمض الأكثر شيوعًا في IFR، ويعمل أيضًا كمصدر للغاز.ومع ذلك، فإن APP المطبق في PE وPP به العديد من العيوب في الأداء، على سبيل المثال، الاستقرار الحراري ليس مرتفعًا بدرجة كافية، والرائحة المهيجة وظاهرة العفن المسببة للتآكل أثناء المعالجة؛ضعف التوافق مع PE وPP، والتي لا يمكن أن تلبي متطلبات الخواص الميكانيكية؛مقاومة ضعيفة للماء، امتصاص كبير للرطوبة، وما إلى ذلك.لذلك، يعد تعديل سطح APP أحد الطرق الفعالة لحل المشكلات المذكورة أعلاه.

يمكن تقسيم تعديل سطح APP إلى نوعين: طريقة الطلاء الفيزيائي وطريقة التعديل الكيميائي السطحي.مفتاح الطلاء المادي هو أن مادة الطلاء تحتاج إلى توافق جيد مع التطبيق لضمان صلابة الطلاء؛تحتاج مادة الطلاء أيضًا إلى ثبات حراري جيد وتوافق بيني ومقاومة جيدة للماء.بالمقارنة مع الطلاء الفيزيائي، فإن التعديل الكيميائي لديه قوة ربط أقوى، ولكن التعديل الكيميائي سيؤدي إلى ارتفاع تكلفة APP ورفع عتبة التطبيق.

تكنولوجيا مثبطات اللهب لمادة الكابل

وفقًا للأحكام الواردة في مادة الكابلات المقاومة للهب منخفضة الدخان والخالية من الهالوجين GB/T32129-2015 للأسلاك والكابلات، يجب أن تلبي مواد كابلات الطاقة PE وPP المعدلة أداء الجدول 1.

سابعا.مثبطات اللهب هيدروكسيد المعادن المعدلة

هيدروكسيد المعدن هو مثبط للهب الأخضر يستخدم على نطاق واسع، ونظرًا لعيوبه مثل الخواص الميكانيكية الضعيفة وضعف التوافق مع مواد الكابلات المثبطة للهب المعدلة، حاول الباحثون تعديله من أجل تعزيز التوافق وتحسين كفاءة مثبطات اللهب.بأخذ MDH كمثال، يتم تعديل سطحه باستخدام عامل اقتران مع مجموعات محبة للماء ومحبة للدهون في نفس الوقت، وعامل اقتران يربط أكاسيد المعادن والبولي أوليفينات معًا، مما يمكن أن يحسن التوافق بشكل جيد للغاية.

خاتمة

تتمتع مواد الكابلات المقاومة للهب المصنوعة من البولي أوليفين بخصائص عزل جيدة وتستخدم بكميات كبيرة في جميع أنحاء العالم لعزل كابلات الطاقة، مما يساهم بشكل مهم في نقل الطاقة.ومع ذلك، مع التركيز على القضايا البيئية، يعد استخدام مثبطات اللهب الخالية من الهالوجين بدلاً من مثبطات اللهب الهالوجينية التقليدية اتجاهًا مهمًا في تطوير عزل الكابلات.