EVA أبحاث تكنولوجيا مثبطات اللهب الخالية من الهالوجين ومادة الكابلات ذات الدخان المنخفض

EVA أبحاث تكنولوجيا مثبطات اللهب الخالية من الهالوجين ومادة الكابلات ذات الدخان المنخفض

سيطرت مواد الكابلات المقاومة للهب المحتوية على الهالوجين منذ فترة طويلة على سوق مواد الكابلات نظرًا لمقاومتها العالية للهب وأداء المعالجة الجيد والتكلفة المنخفضة. ومع ذلك، فإن الكابلات التي تحتوي على الهالوجينات تنتج غازات سامة وضارة عند حرقها. يموت الكثير من الأشخاص في الحرائق بسبب الاختناق الناجم عن الدخان والغازات السامة؛ يمكن لغازات هاليد الهيدروجين الناتجة عن الاحتراق أن تلحق الضرر أيضًا بالمعدات الإلكترونية والكهربائية.

في عام 2003، أصدر الاتحاد الأوروبي توجيهات RoHS، التي نصت بوضوح على الحد الأقصى لقيمة 'البروم' المسموح بها في المعدات الإلكترونية والكهربائية. ومنذ ذلك الحين، انخفض استخدام الكابلات المحتوية على الهالوجين سنة بعد سنة. أصبحت الكابلات المقاومة للهب الخالية من الهالوجين منخفضة الدخان القوة الرئيسية في سوق الكابلات تدريجيًا. قام العديد من مصنعي مواد الكابلات والمؤسسات البحثية بزيادة استثماراتهم في البحث والتطوير لمواد الكابلات المقاومة للهب والخالية من الهالوجين منخفضة الدخان.

حاليًا، يبلغ الطلب في السوق السنوي على مواد الكابلات المقاومة للهب الخالية من الهالوجين حوالي 200 كيلو طن، ومن المتوقع أن يزداد الطلب على مواد الكابلات المقاومة للهب الخالية من الهالوجين بمعدل حوالي 10٪ في السنوات القليلة المقبلة. بحلول عام 2025، من المتوقع أن يصل الطلب السنوي على مواد الكابلات المقاومة للهب الخالية من الهالوجين إلى حوالي 350 كيلو طن.

أنا. اختيار المواد الأساسية المقاومة للهب (EVA).

المادة الأساسية الأكثر أهمية لمركبات الكابلات الخالية من الهالوجين منخفضة الدخان هي بوليمر الإيثيلين-أسيتات فينيل (EVA). إنه يتميز بدرجة حرارة انصهار منخفضة، قابلية تدفق جيدة، قطبية، وخالي من الهالوجين، مما يسمح له بالتوافق مع البوليمرات المختلفة ومثبطات اللهب الخالية من الهالوجين. وهذا يجعلها تستخدم على نطاق واسع في مركبات الكابلات المقاومة للهب الخالية من الهالوجين منخفضة الدخان.

ومع ذلك، يحتوي EVA على مؤشر الأكسجين المحدد (LOI) بنسبة 17% إلى 19% فقط، مما يصنفه على أنه مادة قابلة للاشتعال. وهذا يحد بشكل كبير من تطبيقه وتطويره في الكابلات المقاومة للهب. لذلك، من الضروري تعديل EVA لمثبطات اللهب لتوسيع نطاق استخدامها.

يتم استخدام مواد الكابلات الخالية من الهالوجين منخفضة الدخان على نطاق واسع في مختلف المجالات، بما في ذلك محطات الطاقة النووية والفضاء والصناعات العسكرية، وكذلك في مترو الأنفاق والسكك الحديدية عالية السرعة والسفن والمباني الشاهقة ومناطق التعدين. في السنوات الأخيرة، استحوذت المنتجات المحلية على جزء من السوق في مجالات المنتجات المتوسطة إلى المنخفضة، بأسعار أقل نسبيًا. ومع ذلك، بالنسبة للمنتجات الراقية، يتم استيرادها بشكل أساسي، مما يؤدي إلى ارتفاع الأسعار.

في صناعة الاتصالات السلكية واللاسلكية، وخاصة مع تطوير مشاريع توصيل الألياف إلى المنزل و4G، زاد الطلب على مواد الكابلات منخفضة الدخان الخالية من الهالوجين بشكل كبير، وظهرت متطلبات جديدة. تشتمل المواد الأساسية للمركبات الخالية من الهالوجين منخفضة الدخان عادةً على EVA والبولي إيثيلين (PE) والبولي بروبيلين (PP) ومطاط الإيثيلين البروبيلين (EPR). وبصرف النظر عن EVA، الذي يحتوي على مجموعات قطبية، فإن المواد الأخرى عبارة عن مواد غير قطبية أو ذات قطبية منخفضة جدًا.

كمواد أساسية، فإن PE وPP وEPR لها عيبان متأصلان:

• ضعف التوافق مع مثبطات اللهب القطبية: تتميز هذه المواد بتوافق ضعيف مع مثبطات اللهب الخالية من الهالوجين والتي تتميز بقطبية قوية. يؤدي هذا إلى تشتت غير متساوٍ لمثبطات اللهب داخل المادة الأساسية. عند إضافة كمية كبيرة من مثبطات اللهب الخالية من الهالوجين، فإن الخواص الميكانيكية للمادة تتعرض للخطر بشدة.

• مقاومة ضعيفة للزيت والمذيبات غير القطبية: تتمتع جميع المواد الثلاث بمقاومة ضعيفة للزيت والمحاليل غير القطبية، مما يجعل من الصعب عليها تلبية متطلبات الكابلات في البيئات المعقدة.

يتم بلمرة EVA من مونومرات الإيثيلين ومونومرات أسيتات الفينيل، كما هو موضح في الشكل 1. يؤدي إدخال VA إلى تعطيل انتظام جزيئات البولي إيثيلين، مما يؤدي إلى انخفاض في التبلور وزيادة في القطبية. يؤدي هذا إلى تحسين مقاومة التشققات الناتجة عن الإجهاد البيئي، والتوافق مع الحشوات، وخصائص التشابك الإشعاعي، ومقاومة الزيت، وأداء الانحناء المتكرر لـ EVA. ومع ذلك، فإن قوة الشد والصلابة ونقطة الانصهار وخصائص العزل الكهربائي لـ EVA تنخفض، وتتدهور أيضًا نفاذيته للهواء وبخار الماء.

عندما يكون الجزء الكتلي VA أكبر من 40%، يظهر الجزيء بأكمله ترتيبًا مضطربًا مع مرونة المطاط، والتي يشار إليها عادةً باسم مطاط أسيتات فينيل الإيثيلين (EVM). عندما يكون الجزء الكتلي VA بين 5% و40%، تحتوي المادة على كمية صغيرة من التبلور ويطلق عليها عمومًا اسم البلاستيك EVA.

يؤدي إدخال المجموعات القطبية إلى درجات متفاوتة من الانخفاض في الأداء الكهربائي وقوة الشد لـ EVA. عادة، يتم استخدام راتنجات EVA فقط لعزل الكابلات ذات الجهد المنخفض. عند استخدامه كغمد خالٍ من الهالوجين منخفض الدخان، للتعويض عن قوة الشد غير الكافية، غالبًا ما يتم دمج EVA مع PE وPP وبوليمر إيثيلين أوكتين (POE).

يمكن استخدام الخلطات لإنتاج كل من الكابلات البلاستيكية الحرارية والكابلات المطاطية المتصلدة بالحرارة، مع درجات حرارة تشمل 70، 90، 105، 125، 150، و175 درجة مئوية. يستطيع القائمون على التركيب تصميم مواد كابلات مثبطة للهب خالية من الهالوجين منخفضة الدخان استنادًا إلى EVA/EVM التي تلبي متطلبات الأداء للمستخدمين (أو المعايير).

نظرًا للتوافق الجيد وأداء البثق لـ EVA مع مثبطات اللهب الخالية من الهالوجين، تستخدم صناعة الكابلات EVA كمادة أساسية لإعداد طبقات حاجز الأكسجين شديدة المقاومة للهب (يشير عادةً إلى مؤشر الأكسجين المحدود أكثر من 40%).

ثانيا. مثبطات اللهب منخفضة الدخان وخالية من الهالوجين لمواد الكابلات EVA.

تشتمل مثبطات اللهب الخالية من الهالوجين المستخدمة بشكل شائع لمواد الكابلات EVA على مثبطات اللهب القابلة للتوسيع والمعتمدة على البورون والسيليكون. كل نوع من مثبطات اللهب لديه آلية مختلفة لتثبيط اللهب.

• مثبطات لهب هيدروكسيد المعدن لمواد الكابلات EVA

يتم استخدام ثلاثي هيدروكسيد الألومنيوم (ATH) وهيدروكسيد المغنيسيوم (MH) بشكل شائع كمثبطات لهب خالية من الهالوجين. إنها تمتلك ثلاث وظائف رئيسية: تثبيط اللهب، وإخماد الدخان، والتعبئة. هذه المواد وفيرة وفعالة من حيث التكلفة، وتهيمن على سوق مثبطات اللهب الخالية من الهالوجين.

عند تسخينها، تتحلل هيدروكسيدات المعادن إلى أكاسيد معدنية وبخار ماء. لا يزيل بخار الماء الحرارة فحسب، بل يخفف أيضًا تركيز الأكسجين في الهواء. تعمل أكاسيد المعادن كحاجز للأكسجين وتمنع تبديد الحرارة.

ومع ذلك، فإن كفاءة مثبطات اللهب هيدروكسيد المعدن منخفضة نسبيًا مقارنة بمثبطات اللهب المحتوية على الهالوجين. ولتحقيق نفس المستوى من مثبطات اللهب، تكون كمية هيدروكسيد المعدن المطلوبة عدة مرات، أو حتى أكثر، من مثبطات اللهب المحتوية على الهالوجين. بالإضافة إلى ذلك، فإن مثبطات اللهب هيدروكسيد المعدن لديها توافق ضعيف مع البولي أوليفينات. يعد تعديل السطح ضروريًا لتقليل الطاقة السطحية للمسحوق، وبالتالي زيادة تحميل مثبطات اللهب وتحسين الخواص الميكانيكية للمادة المركبة.

يؤدي ميكرون هيدروكسيدات المعدن إلى زيادة مساحة التلامس بين المسحوق والبولي أوليفينات، مما يمكن أن يخفف من انخفاض الخواص الميكانيكية الناتج عن التحميل العالي لمثبطات اللهب، وبالتالي تحسين كفاءة تثبيط اللهب.

يمكن مزج ATH وMH وإضافتهما إلى EVA، مع الاستفادة من درجات حرارة تحللهما المختلفة (ATH عند 200 درجة مئوية وMH عند 330 درجة مئوية) لتحقيق تأثير متدرج لتثبيط اللهب أثناء احتراق {[t3] } مواد الكابلات.

علاوة على ذلك، استخدم الباحثون المتوافقات لزيادة نسبة مثبطات اللهب في البولي أوليفينات. يمكن للمتوافقات أن تخفف من انخفاض الخواص الميكانيكية الناتج عن إضافة مثبطات اللهب. ويمكن إضافتها أثناء خلط مواد الكابلات دون عمليات إضافية، وتكون التأثيرات كبيرة جدًا.

• مثبطات اللهب المنتفخة لمواد الكابلات EVA

تتكون مثبطات اللهب المنتفخة (IFRs) في المقام الأول من مركبات الفوسفور والنيتروجين. تتحلل المواد المعتمدة على الفوسفور عند التسخين لتنتج أحماضًا تعزز تفحيم البوليمرات، وتشكل طبقة حاجز كربون. تتحلل المواد ذات الأساس النيتروجيني لإنتاج غازات تعطي حاجز الكربون بنية قرص العسل. تعمل طبقة الكربون على شكل قرص العسل على عزل الأكسجين والحرارة، كما تمنع التقطير.

ومع ذلك، بالمقارنة مع مثبطات اللهب من هيدروكسيد المعدن، فإن IFRs أكثر تكلفة، حيث تبلغ تكلفة IFRs النموذجية 3 إلى 5 أضعاف تكلفة هيدروكسيدات المعدن. تُستخدم IFRs بشكل أساسي في مواد الكابلات المتخصصة عالية القيمة، حيث يكون استخدامها محدودًا نسبيًا. يعد تطوير التقارير المالية المرحلية بأسعار أقل أحد اتجاهات التطوير المستقبلية.

عند مقارنتها بمثبطات لهب هيدروكسيد المعدن، تنتج IFRs المزيد من الدخان أثناء الاحتراق. في مواد الكابلات المقاومة للهب الخالية من الهالوجين، يتم استخدام IFRs بشكل عام مع مثبطات اللهب من هيدروكسيد المعدن. من ناحية، فإن كفاءة تثبيط اللهب العالية للـ IFRs يمكن أن تقلل من كمية هيدروكسيد المعدن المطلوبة. من ناحية أخرى، هيدروكسيدات المعادن لها تأثيرات ممتازة في إخماد الدخان. إن الجمع بين هذين النوعين من مثبطات اللهب يمكن أن يحقق مثبطات لهب أفضل منخفضة الدخان وخالية من الهالوجين.

بالإضافة إلى ما سبق، تشتمل التقارير المالية الدولية أيضًا على الجرافيت القابل للتوسيع (EG). في حين أن EG أقل فعالية عند استخدامه بمفرده، إلا أنه يمكن بسهولة دمجه مع مثبطات اللهب الأخرى.

• مثبطات اللهب القائمة على البورون لمواد الكابلات EVA.

تشكل مثبطات اللهب القائمة على البورون طبقة واقية تشبه الزجاج أثناء الاحتراق، مما يحمي طبقة الكربون البولي أوليفين من التدمير ويمنع هروب المواد المتطايرة القابلة للاحتراق. بورات الزنك، وهو مثبط شائع للهب يعتمد على البورون، يطلق جزيئات الماء عند تسخينه، مما يساعد على إزالة الحرارة وخفض نقطة الاشتعال، وبالتالي تحقيق تأثير مثبط للهب.

• مثبطات اللهب القائمة على السيليكون لمواد الكابلات EVA.

تعتبر مثبطات اللهب ذات الأساس السيليكوني صديقة للبيئة وتمتلك سمية منخفضة وخصائص مضادة للتنقيط وعديمة الدخان. عندما يحترق السيليكون العضوي، يبقى السيليكون في الطور المكثف، مكونًا طبقة زجاجية متفحمة غير عضوية تعمل كحاجز للحرارة والأكسجين، وبالتالي تعزيز تأثير مثبطات اللهب.

يمكن للمواد المثبطة للهب المقاومة للحريق والقابلة للتخزين (والتي تشكل قشرة خزفية صلبة تحت درجات حرارة عالية بسبب وجود مثبطات اللهب السيليكونية) أن تتزجج تلقائيًا أثناء احتراق الكابل، مما يؤدي إلى إنشاء غلاف صلب يوفر العزل وعزل الأكسجين. كلما ارتفعت درجة حرارة الاشتعال، أصبحت القشرة الخزفية أكثر صلابة وكثافة، مما يؤدي إلى مقاومة أفضل للحريق.

يمكن أن يؤدي الجمع بين المواد المقاومة للحريق القابلة للتسيراميك مع مثبطات اللهب الأخرى إلى تحقيق تثبيط لهب فعال للغاية ومقاومة للحريق. في الوقت الحالي، يتم استخدام البولي أوليفينات المقاومة للهب القابلة للتسيراميك على نطاق واسع وكابلات السيليكون القابلة للتسيراميك على نطاق واسع في المشاريع المهمة مثل المباني الشاهقة والنقل عبر السكك الحديدية والسفن، مما يمثل اتجاهًا هامًا في تطوير الكابلات المقاومة للهب والمقاومة للحريق.

ثالثا. اتجاهات التطوير لمواد الكابلات المقاومة للهب والخالية من الهالوجين منخفضة الدخان

أضاف معيار GB/T19666—2019 للأسلاك والكابلات المقاومة للهب والمقاومة للحريق متطلبات السمية المنخفضة للكابلات المثبطة للهب منخفضة الدخان والخالية من الهالوجين، مع تحديد تركيزات أكاسيد النيتروجين (NOX < 90 مجم/م3) وسيانيد الهيدروجين (HCN < 55 مجم/م3). وهذا يضع معايير أعلى لمواد الكابلات المقاومة للهب الخالية من الهالوجين منخفضة الدخان. ولذلك، فإن التطوير المستقبلي لمواد الكابلات المقاومة للهب الخالية من الهالوجين منخفضة الدخان يمكن أن يركز على الجوانب الثلاثة التالية:

• EVA ومثبطات اللهب الخالية من الهالوجين: يتمتع EVA بتوافق جيد مع مثبطات اللهب الخالية من الهالوجين وخصائص معالجة ممتازة، مما يجعله المادة الأساسية المقاومة للهب الأكثر أهمية لمواد الكابلات الخالية من الهالوجين منخفضة الدخان . ومع ذلك، فإن إدخال المجموعات القطبية في EVA يقلل من قوة الشد وأداء العزل. عند تحضير أغلفة منخفضة الدخان وخالية من الهالوجين، من الضروري دمج EVA مع بوليمرات عالية قوة الشد مثل PE وPP للوفاء بمعايير الكابلات. أداء العزل المنخفض نسبيًا لـ EVA يحد من استخدامه في كابلات الجهد المتوسط ​​والعالي. يعد تحسين أداء العزل لمواد الكابلات المقاومة للهب الخالية من الهالوجين منخفضة الدخان والمعتمدة على EVA اتجاهًا مهمًا للتطوير.

• مثبطات لهب هيدروكسيد المعدن: باعتبارها واحدة من أهم مثبطات اللهب لمواد الكابلات الخالية من الهالوجين منخفضة الدخان القائمة على EVA، يعد تعديل السطح وحجم الجسيمات متناهية الصغر من اتجاهات التطوير. يمكن لتعديلات مثبطات اللهب غير العضوية المتوسطة إلى المنخفضة في الصين أن تلبي متطلبات مواد الكابلات المثبطة للهب التقليدية الخالية من الهالوجين وتكون فعالة من حيث التكلفة. ومع ذلك، لا تزال مثبطات اللهب المصنوعة من هيدروكسيد المعدن تعتمد بشكل أساسي على الواردات. ومن المأمول أن يتم اختراق تكنولوجيا تعديل مثبطات اللهب المحلية المتطورة قريبًا لدعم التطوير عالي الجودة لمواد الكابلات المثبطة للهب الخالية من الهالوجين منخفضة الدخان في الصين.

• مزج مثبطات اللهب: يعد مزج مثبطات اللهب طريقة أساسية لمواد الكابلات المقاومة للهب الخالية من الهالوجين. ومع ذلك، عند تصميم التركيبات، من الضروري مراعاة أحدث متطلبات السمية للكابلات الخالية من الهالوجين منخفضة الدخان. يجب التحكم في استخدام مثبطات اللهب المنتفخة ضمن نطاق معقول؛ خلاف ذلك، حتى لو كان مثبطات اللهب مؤهلة، فإن أداء الدخان المنخفض والسمية المنخفضة قد لا يفي بالمتطلبات القياسية. وهذا هو التحدي الذي يجب على الباحثين مواجهته بعد تطبيق معيار الكابلات المثبطة للهب منخفض الدخان والخالي من الهالوجين.

رابعا. خاتمة

قامت شركة YINSU Flame Retardant بتطوير مثبطات اللهب FRP-950X خاصة للكابلات الخالية من الهالوجين منخفضة الدخان، والتي لا تنطبق فقط على PE، ولكنها تنطبق أيضًا على EVA بالإضافة إلى الكابلات الممزوجة بـ PE و{[t3 ]} ومركبات الكابلات بفضل محتواها العالي وكمية الإضافات المنخفضة، تحافظ بشكل فعال على المرونة الأصلية وصلابة المواد الخام وتوفر حلاً أكثر كفاءة وصديقًا للبيئة لمثبطات اللهب صناعة الأسلاك والكابلات.