Зошто 3,5 хидриран цинк борат најчесто се користи како отпорник на пламен во ПВЦ каблите?

Поливинил хлоридот (ПВЦ) е доминантен избор за изолација на кабелот и материјалите за обвивка, а неговите својства на отпорност на пламен се директно поврзани со безбедното работење на електроенергетскиот систем. Помеѓу бројните ретарданти на пламен,3,5 хидриран цинкборат (2ZnO·3B2O3·3,5H2O)стана клучна компонента во формулациите на ПВЦ кабли. Оваа статија систематски ќе ја анализира научната основа зад овој избор.

I. Хемиска основа на механизмот за заштитување на пламен: мулти-режим синергетски ефект

1.1 Процесот на дехидрација и апсорпција на топлина во фазата на термичко распаѓање

Содржината на кристална вода од 3,5% хидриран цинк-борат (околу 14,5%) е прецизно дизајнирана да постигне идеално усогласување помеѓу температурата на неговото термичко распаѓање и почетната температура на распаѓање на ПВЦ (околу 200-300°C). Кога кабелот ќе наиде на извор на пожар, цинкборат ослободува кристална вода во температурен опсег од 210-320°C

Zn2B6O11·3,5H2O → Zn2B6O11 + 3,5H2O↑

Овој процес апсорбира голема количина топлина (енталпија на дехидрација од околу 280 J/g), ефикасно ја намалува површинската температура на материјалот и ја одложува стапката на термичка деградација на матрицата на ПВЦ смола. Во споредба со формите на повисока хидратација како што се 5-хидрат и 7-хидрат, прозорецот за температура на дехидрација од 3,5 хидрат е попрецизен, избегнувајќи ги заштитните слепи точки предизвикани од предвремена дехидрација или одложена дехидрација.

1.2 Механизам за формирање на стаклен заштитен слој

Дехидриран безводен цинкборат (Zn2B6O11) се топи на 400-500°C и реагира со водород хлорид (HCl) произведен со распаѓање на ПВЦ:

Zn2B6O11 + 12HCl → 2ZnCl2 + 6BCl3 + 6H2O

Создадените ZnCl2 и BCl3 делуваат како катализатори на Луис киселина за да ја промовираат реакцијата на вкрстено поврзување на PVC, формирајќи проширен јаглероден слој. Во исто време, борниот оксид се претвора во вискозна B2O3 стакло на температури над 700°C

2BCl3 + 3H2O → B2O3 + 6HCl

Стакленото тело ја покрива површината на јаглеродниот слој, формирајќи густа заштитна бариера. Неговата динамичка вискозност (10³-104 Pa·s) може ефикасно да го блокира пропустливоста на кислородот и преносот на топлина на температура на пламенот.

Ⅱ. Уникатна компатибилност и синергетски ефект со ПВЦ системот

2.1 Оптимизација на функцијата агент за зафаќање киселина

HCl ослободен од ПВЦ пиролиза не само што ја забрзува деградацијата на материјалот, туку и произведува корозивен и токсичен чад.Цинк боратефикасно зафаќа HCl преку реакција во два чекора:

1. Примарно заробување: површинските хидроксилни групи реагираат со HCl за да генерираат ZnCl 2 и борна киселина

2. Секундарно зафаќање: Создадената борна киселина дополнително реагира со HCl за да формира BCl3

Секој мол од 3,5 хидриран цинк-борат теоретски може да потроши 12 mol HCl, со капацитет за зафаќање од 43,7%. Во споредба со традиционалните забавувачи на пламен, како што е алуминиум хидроксид (само 33%), неговата ефикасност на неутрализација на киселина во единица маса е зголемена за 32%.

2.2 Синергетско засилување со антимон триоксид

Во формулацијата на ПВЦ кабли, цинк боратот покажува значаен синергетски ефект со Sb2O3:

Zn2B6O11 + Sb2O3 + HCl → ZnSb2O5 + боросиликатна стаклена фаза

Создадениот цинк антимон шпинел (ZnSb2O5) има карактеристики на висока термичка стабилност (>1000°C) и силна каталитичка способност за карбонизација. Експерименталните податоци покажуваат дека кога цинк-борат се соединува со Sb 2 O3 во масен сооднос 3:2, граничниот индекс на кислород (LOI) може да се зголеми од 28% на 34%, а густината на чадот може да се намали за 40%.

2.3 Минимално влијание врз механичките својства на материјалот

Во споредба со забавувачите на пламен со слични големини на честички, цврстината на Mohs од 3,5 хидриран цинк-борат е само 2,5, многу помала од полнилата како силициум диоксид (7,0). Неговата кристална форма слична на лист (просечна големина на честички 1-3 μm, сооднос 8-15) може да формира оџак како „картичка“ во ПВЦ матрицата. Кога се додава во доза од 15-20 phr:

· Стапка на задржување на цврстина на истегнување> 85%

· Издолжувањето при прекин се намалува само за 12-18%

· Влијанието врз обработливоста на истиснување е значително помало од оној на забавувачите на пламен, како што е магнезиум хидроксид

Ⅲ. 3.5 Инженерски предности на формата на хидратација

3.1 Баланс помеѓу термичка стабилност и прозорец за обработка

Споредба на перформансите на цинкборат со различни степени на хидратација:

3.5.

3.2 Гаранција за електрични перформанси

Кога диелектричната константа на цинк-борат (ε _r=4,2-4,8) е блиска до онаа на ПВЦ матрицата (ε _r=4,0-4,5), а нејзината слоевита структура е наредена паралелно со правецот на електричното поле:

·Одржувајте отпорност на волумен над 10 ¹4Ω· cm

· Зголемувањето на вредноста на тангентата на загубата на диелектрикот е помало од 0,002

· Има минимално влијание врз униформноста на капацитетот на кабелот

3.3 Двојни предности на еколошките и безбедносните карактеристики

Пријатност за животната средина:

·Акутна орална токсичност LD50>5000 mg/kg (вистинско нетоксично ниво)

· Не содржи халогени, тешки метали (олово, кадмиум, хром, итн.)

· 35% намалување на производството на CO во производите за согорување (во споредба со традиционалните системи за отпорност на пламен)

Механизам за сузбивање на чад:

Цинк боратот промовира формирање на ароматични јаглеродни структури наместо алифатични фрагменти во ПВЦ, зголемувајќи ја температурата на прагот на нуклеација на честичките од чад од 350°C на 480°C и намалувајќи ја густината на чадот (метод NBS) за 50-60%.

Ⅳ. Специјални сценарија за апликација

· Барања за ниски чад и халогени: Зголемувањето на дозата на цинкборат до 25 phr, во комбинација со магнезиум хидроксид (40 phr), може да постигне густина на чад IEC 61034<200

· Високо ниво на отпорност на топлина (105°C): со употреба на пластификатор естер на тримелитинска киселина, површината на цинк-борат се третира со средство за спојување на силилан, а стапката на задржување на издолжување по термичкото стареење се одржува на> 70%

Заклучок:

Примената на3,5 хидриран цинк боратво ПВЦ каблите ги одразува основните идеи за „синергија на повеќе механизми“ и „рамнотежа на перформансите“ во науката за отпорност на пламен. Неговата прецизна содржина на кристална вода, одличната способност за зафаќање киселина, ефикасната синергија со заштитувачи на пламен базирани на антимон и минималното влијание врз електричните и механичките својства на материјалите го прават идеален избор за исполнување на сеопфатните барања на модерната отпорност на пламен на кабелот, нискиот чад, нетоксичноста и високата доверливост.