Lựa chọn chất bôi trơn có tác động tối thiểu đến khả năng bắt lửa trong công thức phối trộn cáp

Lựa Chọn Chất Bôi Trơn Tối Thiểu Ảnh Hưởng Đến Khả Năng Dễ Cháy trong Công Thức Hợp Chất Cáp

Giới thiệu

Việc lựa chọn chất bôi trơn trong công thức hợp chất cáp đòi hỏi phải xem xét cẩn thận tác động của chúng đến khả năng chống cháy. Một chất bôi trơn tối ưu nên cung cấp khả năng hỗ trợ xử lý tuyệt vời mà không ảnh hưởng đến khả năng chống cháy của vật liệu. Bài viết này phác thảo các khuyến nghị dựa trên cấu trúc hóa học, độ ổn định nhiệt và các hiệu ứng hiệp đồng với hệ thống chống cháy, dựa trên thực tiễn công nghiệp và dữ liệu nghiên cứu.

1. Các Loại và Cơ Chế Chất Bôi Trơn Khuyến Nghị

1.1. Chất bôi trơn gốc silicon (Bột/Dầu silicon)

• Ưu điểm chính: Năng lượng liên kết Si-O trong silicon (452 kJ/mol) cao hơn đáng kể so với liên kết C-C (348 kJ/mol). Ở nhiệt độ cao, chúng tạo thành một lớp bảo vệ silica dày đặc, ức chế sự lan truyền ngọn lửa. Ví dụ, việc thêm 0,5-3% Javachem® GT series (Zhejiang Jiahua) vào các hợp chất cáp polyolefin chống cháy không halogen có thể tăng Chỉ số Oxy (OI) lên trên 37%, giảm tích tụ khuôn và tăng tốc độ dây lên 20%.

• Ứng dụng: Thích hợp cho các hợp chất cáp gốc EVA/PE, đặc biệt trong các hệ thống chứa nhiều chất độn (>60% chất độn). Bản chất kỵ nước của chúng làm giảm sự hấp thụ độ ẩm và cải thiện khả năng chịu thời tiết.

• Các loại điển hình: Dow Corning DC-3200, Shin-Etsu KF-96, Zhejiang Jiahua GT-300.

1.2. Xà phòng kim loại (Calcium/Zinc Stearate)

• Cơ chế chống cháy: Calcium stearate phân hủy ở 200-250°C, tạo ra CaO và CO₂. CaO có thể phản ứng với Aluminum Trihydroxide (ATH) để tạo thành calcium aluminate, tăng cường mật độ lớp than. Các nghiên cứu cho thấy rằng 2-3% calcium stearate có thể giảm Tốc độ giải phóng nhiệt cực đại (PHRR) xuống 15% và cải thiện sự phân tán của chất độn.

• Khả năng tương thích quy trình: Cho thấy sự hiệp đồng đáng kể với chất chống cháy phốt pho-nitơ (ví dụ: MPP). Có thể thay thế một phần chất bôi trơn truyền thống trong các công thức không halogen mà không ảnh hưởng đến xếp hạng UL94 V-0 khi sử dụng ở mức 1-2%.

• Lưu ý: Việc sử dụng quá nhiều có thể gây ra hiện tượng nở hoa; nên sử dụng kết hợp với chất bôi trơn bên trong (ví dụ: Pentaerythritol stearate).

1.3. Sáp Polyethylene bị oxy hóa (OPE Wax)

• Đặc điểm: Hàm lượng carbonyl (1,5-3%) cải thiện khả năng tương thích với các chất chống cháy phân cực như Magnesium Hydroxide (MDH). Lớp bị oxy hóa hình thành ở nhiệt độ cao có thể ngăn chặn quá trình đốt cháy. Các thử nghiệm cho thấy các hợp chất cáp có 1,5% sáp OPE duy trì OI là 32%, cao hơn 5 điểm so với các hợp chất có sáp PE tiêu chuẩn.

• Lời khuyên ứng dụng: Ưu tiên các loại có điểm nóng chảy cao (Điểm nhỏ giọt: 105-115°C) với trọng lượng phân tử từ 8000-15000, thích hợp cho các quy trình đùn ở 180-220°C.

• Các loại điển hình: Honeywell A-C 629, Clariant Licowax OP.

1.4. Bột siêu mịn Polytetrafluoroethylene (PTFE)

• Tính năng chống cháy: PTFE có nhiệt độ phân hủy cao (~500°C), chỉ tạo ra một lượng nhỏ CO₂ và HF khi đốt cháy. Lớp than hình thành ngăn chặn sự nhỏ giọt nóng chảy. Việc thêm 0,5-1% bột siêu mịn PTFE vào PP chống cháy có thể giảm tỷ lệ nhỏ giọt nóng chảy từ 70% xuống dưới 10%.

• Giá trị cụ thể: Thích hợp cho cáp ít khói (ví dụ: giao thông đường sắt), nơi hệ số ma sát rất thấp (0,05-0,1) làm giảm nhiệt ma sát bề mặt trong quá trình đùn tốc độ cao.

• Các loại điển hình: DuPont Teflon® MP100, Daikin Polyflon® L-15.

2. Các loại chất bôi trơn cần thận trọng

2.1. Axit béo (Axit Stearic/Axit Oleic)

• Phân tích rủi ro: Axit stearic (C18H36O2) có nhiệt đốt cháy cao (42 MJ/kg, ~10% cao hơn PE). Sự phân hủy của nó tạo ra các hydrocarbon mạch dài có thể thúc đẩy sự lan truyền ngọn lửa. Việc thêm hơn 0,5% có thể khiến xếp hạng UL94 giảm từ V-0 xuống V-2.

• Các lựa chọn thay thế: Thay thế hoàn toàn bằng calcium stearate hoặc sử dụng axit hydroxystearic có trọng lượng phân tử thấp (ví dụ: axit 12-hydroxystearic), có nhiệt đốt cháy thấp hơn 18%.

2.2. Amide tiêu chuẩn (EBS)

• Hạn chế: EBS phân hủy trên 300°C, tạo ra khí amoniac và nitrile, có thể cản trở cơ chế tạo than của chất chống cháy gốc phốt pho. Các thí nghiệm cho thấy 1% EBS có thể làm tăng thời gian cháy dọc lên 2-3 giây.

• Hướng cải thiện: Sử dụng EBS đã biến tính silan (ví dụ: Clariant Licowax EBS-S), trong đó các siloxan được giải phóng trong quá trình đốt cháy có thể chống lại một phần các tác động tiêu cực của sự phân hủy amide.

2.3. Sáp parafin (Parafin lỏng/Sáp vi tinh thể)

• Rủi ro cháy: Các thành phần dễ bay hơi của parafin có xu hướng di chuyển lên bề mặt, tạo thành một lớp dễ cháy. Trong các thử nghiệm OI, việc thêm 2% parafin có thể làm giảm giá trị OI xuống 3-5 điểm.

• Các lựa chọn thay thế: Sử dụng sáp Fischer-Tropsch có điểm nóng chảy cao (>90°C), có phân bố trọng lượng phân tử hẹp, độ ổn định nhiệt tốt hơn parafin và cặn than cao hơn khi đốt cháy.

3. Chiến lược lựa chọn và Tối ưu hóa quy trình

3.1. Thiết kế hiệp đồng với chất chống cháy

• Hiệp đồng phốt pho-silicon: Khi chất bôi trơn silicon được kết hợp với nhôm phosphinate, siloxan có thể thúc đẩy sự làm giàu bề mặt của chất chống cháy gốc phốt pho, tạo thành một lớp bảo vệ composite "Si-P-char", tăng OI lên trên 35%.

• Hiệp đồng xà phòng kim loại-hydroxide: Ở tỷ lệ khối lượng 1:10 (calcium stearate:ATH), calcium aluminate hình thành sẽ tăng cường độ bền của than, tăng cặn ở 800°C từ 22% lên 28%.

3.2. Phù hợp thông số xử lý

• Kiểm soát nhiệt độ: Nhiệt độ xử lý tối ưu cho chất bôi trơn silicon là 180-200°C; tránh vượt quá 220°C để ngăn chặn sự đứt gãy liên kết Si-O. Thêm xà phòng kim loại sau trong chu kỳ trộn (130-150°C) để ngăn chặn sự phân hủy sớm.

• Quá trình phân tán: Đối với các hệ thống chứa nhiều chất độn, hãy sử dụng máy đùn trục vít đôi với độ cắt cao (tốc độ trục vít 300-400 vòng/phút) để phân tán đồng đều chất bôi trơn và chất chống cháy. Trộn trước bột silicon với ATH và thêm vào hai bước có thể tăng độ bền kéo lên 12%.

3.3. Chứng nhận và xác thực thử nghiệm

• Các bài kiểm tra cơ bản: Chỉ số Oxy (GB/T 2406.2) ≥32%; Cháy dọc (UL94) V-0; Mật độ khói (GB/T 8323.2) Dm(4min) ≤75.

• Hiệu suất dài hạn: Sau khi lão hóa nhiệt (120°C×168h), sự thay đổi độ bền kéo phải là ≤±10% và sự thay đổi độ giãn dài khi đứt phải là ≤±15%.

• Tuân thủ môi trường: Ưu tiên các chất bôi trơn tuân thủ RoHS và REACH. Đối với cáp y tế, tuân thủ các tiêu chuẩn như USP Class VI.

4. Ví dụ về công thức điển hình

4.1. Hợp chất cáp polyolefin chống cháy không halogen

• Công thức (phần theo trọng lượng): EVA (VA 18%) 100, Magnesium Hydroxide 120, Bột silicon 2, Calcium Stearate 1.5, Chất chống oxy hóa 1010 0.5, Chất ổn định ánh sáng 770 0.3.

• Thuộc tính: OI 37%, Độ bền kéo 11 MPa, Độ giãn dài khi đứt 160%, Co ngót nhiệt (120°C×24h) 0.8%.

4.2. Hợp chất cáp PVC chống cháy cao

• Công thức (phần theo trọng lượng): PVC 100, Antimony Trioxide 5, Chất chống cháy este phốt phát 20, Calcium Stearate 1.2, Sáp OPE 1.0, Dầu đậu nành đã epoxit hóa 5.

• Thuộc tính: UL94 V-0, OI 34%, Điện trở bề mặt >10^14 Ω·cm. Thích hợp cho cáp điều khiển công nghiệp.

5. Kiểm soát rủi ro và xu hướng ngành

• Tính ổn định theo lô: Thực hiện Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) trên các lô chất bôi trơn đến để đảm bảo nhiệt độ phân hủy ban đầu >250°C và chất dễ bay hơi ≤0.5%.

• Xác thực thay thế: Sử dụng "phương pháp thay thế từng bước" để thay thế chất bôi trơn nhập khẩu: bắt đầu với 30% sản phẩm trong nước, tăng dần lên 100% sau khi xác minh hiệu suất. Ví dụ, bột silicon của Yanshan Petrochemical đã thay thế thành công Dow Corning DC-3200 trong cáp quang điện.

• Tính bền vững: Chất bôi trơn có nguồn gốc sinh học (ví dụ: amide gốc dầu thầu dầu) có lượng khí thải carbon thấp hơn ~40% so với chất bôi trơn truyền thống và CO₂ được thải ra trong quá trình đốt cháy có thể được thực vật hấp thụ, phù hợp với các quy định như CBAM của EU.

Kết luận

Chất bôi trơn gốc silicon, xà phòng kim loại, sáp polyethylene bị oxy hóa và bột siêu mịn PTFE là những lựa chọn lý tưởng cho các hợp chất cáp cân bằng giữa khả năng bôi trơn và khả năng chống cháy. Ứng dụng thực tế đòi hỏi phải tối ưu hóa dựa trên hệ thống chống cháy cụ thể, điều kiện xử lý và yêu cầu về hiệu suất, được xác nhận thông qua các thử nghiệm quy mô nhỏ để kiểm tra khả năng tương thích và hiệu suất cháy.