Чому гідратований борат цинку 3,5 зазвичай використовується як антипірен у кабелях із ПВХ?

Полівінілхлорид (ПВХ) є домінуючим вибором для матеріалів ізоляції та оболонки кабелю, а його вогнезахисні властивості безпосередньо пов’язані з безпечною роботою енергосистеми. Серед численних антипіренів,3,5 гідратований борат цинку (2ZnO·3B₂O₃·3,5H₂O)стала ключовим компонентом у складі кабелю з ПВХ. У цій статті буде систематично проаналізовано наукову основу цього вибору.

I. Хімічні основи вогнезахисного механізму: багаторежимний синергічний ефект

1.1 Процес дегідратації та поглинання тепла на стадії термічного розкладання

Вміст кристалічної води 3,5% гідратованого борату цинку (приблизно 14,5%) був точно розроблений для досягнення ідеальної відповідності між його температурою термічного розкладання та початковою температурою розкладання ПВХ (приблизно 200-300°C). Коли кабель стикається з джерелом вогню, борат цинку виділяє кристалічну воду в діапазоні температур 210-320°C.

Zn₂B₆O₁₁·3,5H₂O → Zn₂B₆O₁₁ + 3,5H₂O↑

Цей процес поглинає велику кількість тепла (ентальпія дегідратації приблизно 280 Дж/г), ефективно знижуючи температуру поверхні матеріалу та сповільнюючи швидкість термічної деградації матриці полівінілхлориду. Порівняно з формами з вищою гідратацією, такими як 5-гідрат і 7-гідрат, вікно температури дегідратації 3,5 гідрату є більш точним, уникаючи захисних сліпих зон, викликаних передчасним або відстроченим зневодненням.

1.2 Механізм утворення склоподібного захисного шару

Зневоднений безводний борат цинку (Zn₂B₆O₁₁) плавиться при 400-500°C і реагує з хлористим воднем (HCl), що утворюється в результаті розкладання ПВХ:

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

Утворені ZnCl₂ і BCl₃ діють як каталізатори кислоти Льюїса, щоб сприяти реакції зшивання ПВХ, утворюючи розширений вуглецевий шар. У той же час оксид бору перетворюється на в’язке скло B₂O₃ при температурах вище 700°C

2BCl₃ + 3H₂O → B₂O₃ + 6HCl

Скляний корпус покриває поверхню вуглецевого шару, утворюючи щільний захисний бар'єр. Його динамічна в’язкість (10³-10⁴ Па·с) може ефективно блокувати проникнення кисню та передачу тепла при температурі полум’я.

Ⅱ. Унікальна сумісність і синергічний ефект із системою ПВХ

2.1 Оптимізація функції агента захоплення кислоти

HCl, що виділяється під час піролізу ПВХ, не тільки прискорює деградацію матеріалу, але й утворює корозійний і токсичний дим.Борат цинкуефективно захоплює HCl за допомогою двостадійної реакції:

1. Первинне захоплення: поверхневі гідроксильні групи реагують з HCl з утворенням ZnCl ₂ та борної кислоти

2. Вторинне захоплення: утворена борна кислота далі реагує з HCl з утворенням BCl₃

Кожен моль 3,5 гідратованого борату цинку теоретично може споживати 12 моль HCl із здатністю захоплення 43,7%. У порівнянні з традиційними антипіренами, такими як гідроксид алюмінію (лише 33%), його ефективність нейтралізації кислоти за одиницею маси збільшена на 32%.

2.2 Синергічне посилення за допомогою триоксиду сурми

У складі ПВХ-кабелів борат цинку демонструє значний синергічний ефект із Sb₂O₃:

Zn₂B₆O₁₁ + Sb₂O₃ + HCl → ZnSb₂O₅+фаза боросилікатного скла

Отримана шпінель цинкової сурми (ZnSb₂O5) має характеристики високої термічної стабільності (>1000°C) і сильну здатність до каталітичної карбонізації. Експериментальні дані показують, що коли борат цинку з’єднується з Sb ₂ O3 у масовому співвідношенні 3:2, граничний кисневий індекс (LOI) можна збільшити з 28% до 34%, а щільність диму можна зменшити на 40%.

2.3 Мінімальний вплив на механічні властивості матеріалу

Порівняно з антипіренами з аналогічними розмірами частинок, твердість за Моосом гідратованого борату цинку 3,5 становить лише 2,5, що набагато нижче, ніж у таких наповнювачів, як кремнезем (7,0). Його листоподібна кристалічна форма (середній розмір частинок 1-3 мкм, співвідношення сторін 8-15) може утворювати стопку "картки" в ПВХ матриці. При додаванні в дозуванні 15-20 phr:

· Коефіцієнт збереження міцності на розрив >85%

· Відносне подовження при розриві зменшується лише на 12-18%

· Вплив на технологічність екструзії значно нижчий, ніж у антипіренів, таких як гідроксид магнію

Ⅲ. 3.5 Технічні переваги гідратної форми

3.1 Баланс між термічною стабільністю та вікном обробки

Порівняння ефективності борату цинку з різними ступенями гідратації:

3.5 Гідрати залишаються стабільними при звичайній температурі екструзії ПВХ (170-190°C), щоб уникнути пористості та дефектів поверхні, викликаних дегідратацією під час обробки.

3.2 Гарантія електричних характеристик

Коли діелектрична проникність борату цинку (ε _r=4,2-4,8) близька до ПВХ матриці (ε _r=4,0-4,5), а його шарувата структура розташована паралельно напрямку електричного поля:

·Підтримувати питомий об’ємний опір вище 10 ¹4Ω· см

· Збільшення значення тангенса діелектричних втрат становить менше 0,002

·Має мінімальний вплив на рівномірність ємності кабелю

3.3 Подвійна перевага екологічних і безпечних функцій

Екологічність:

·Гостра пероральна токсичність LD50>5000 мг/кг (фактичний нетоксичний рівень)

·Не містить галогенів, важких металів (свинцю, кадмію, хрому та ін.)

·35% зниження утворення CO в продуктах згоряння (порівняно з традиційними вогнезахисними системами)

Механізм димовидалення:

Борат цинку сприяє утворенню в ПВХ структур ароматичного вуглецю замість аліфатичних фрагментів, підвищуючи температуру порогу зародження частинок диму з 350°C до 480°C і знижуючи щільність диму (метод NBS) на 50-60%.

Ⅳ. Спеціальні сценарії застосування

· Низькі вимоги до відсутності диму та галогенів: збільшення дози борату цинку до 25 phr у поєднанні з гідроксидом магнію (40 phr) може досягти щільності диму IEC 61034 <200

· Високий рівень термостійкості (105°C): за допомогою пластифікатора ефіру тримелітової кислоти поверхня борату цинку обробляється силановим зв’язуючим агентом, і швидкість збереження подовження після термічного старіння підтримується на рівні> 70%

висновок:

Застосування3,5 гідратований борат цинкуу кабелях з ПВХ відображає основні ідеї «синергії багатьох механізмів» і «балансу продуктивності» в науці про вогнезахисні засоби. Його точний вміст кристалічної води, чудова здатність вловлювати кислоту, ефективна синергія з антипіренами на основі сурми та мінімальний вплив на електричні та механічні властивості матеріалів роблять його ідеальним вибором для задоволення комплексних вимог сучасного кабелю до вогнестійкості, низького диму, нетоксичності та високої надійності.