Statut d'application des matériaux de câbles d'alimentation en polyoléfine ignifuges sans halogène

Statut d'application des matériaux de câbles d'alimentation en polyoléfine ignifuges sans halogène

Avec le développement rapide de l'économie nationale, l'énergie électrique, la construction et les communications et d'autres industries ont une demande de plus en plus élevée de fils et de câbles, la production de câbles en polyoléfine a connu une tendance de croissance exponentielle sans précédent, on s'attend à ce que d'ici 2024, l'ampleur de la demande de la Chine pour les fils et câbles devraient dépasser 1,9 billion de yuans, le taux de croissance annuel composé est d'environ 4%, la demande du marché des matériaux ignifuges sans halogène pour les fils et câbles est d'environ 200 kt, on s'attend à ce qu'au cours des 3 à 5 prochaines années. On s'attend à ce qu'au cours des 3 à 5 prochaines années, la demande pour ce type de câble augmente à un taux d'environ 10 % et que d'ici 2025, la demande de matériaux ignifuges pour fils et câbles sans halogène atteindra environ 350 kt.Les matériaux polyoléfiniques couramment utilisés dans les câbles ont une inflammabilité relativement élevée, sont sujets à la décomposition et à la combustion à des températures élevées, et produisent un grand nombre de gouttelettes fondues pendant la combustion, enflammant d'autres combustibles et élargissant la portée de l'incendie, ce qui peut entraîner de graves blessures. et d'énormes pertes économiques.Par conséquent, la recherche sur les produits ignifuges sur les câbles en polyoléfine est un sujet de préoccupation majeur.

Les matériaux de câble ignifuges en polyoléfine sont ignifuges modifiés par des additifs ignifuges pour les matériaux d'isolation des câbles et les matériaux de gaine.Les matériaux de base en polyoléfine pour les câbles ignifuges doivent répondre aux exigences suivantes :

(1) avoir de bonnes propriétés électriques, propriétés mécaniques et propriétés de traitement ;

(2) est propice à l’augmentation de la quantité de remplissage d’additifs ignifuges.

Les additifs pour câbles ignifuges doivent répondre aux exigences suivantes :

(1) possède lui-même des propriétés ignifuges ;

(2) Réduire la quantité de fumée et la toxicité des matériaux des câbles en polyoléfine ;

(3) maintenir les propriétés électriques, les propriétés mécaniques et les propriétés de traitement des matériaux de câbles ignifuges.

Cet article commence par la sélection de matériaux matriciels en polyoléfines de câbles ignifuges sans halogène pour analyser la pyrolyse des polyoléfines et le mécanisme ignifuge, et discute des types d'additifs ignifuges et du mécanisme ignifuge, et discute enfin de l'état actuel de la recherche sur les flammes. technologie des matériaux de câbles en polyoléfine retardateurs, avantages et inconvénients et applications spécifiques.

1. Sélection du matériau de base du matériau du câble ignifuge

En tant que support de transmission de puissance, les performances d'isolation et la résistance mécanique du câble sont cruciales, et le matériau de la matrice du câble affecte directement les propriétés électriques et mécaniques du matériau du câble.Les matériaux de matrice de câble en polyoléfine désormais largement utilisés pour le polyéthylène et le polyéthylène réticulé, en plus du polypropylène comme base du matériau du câble d'alimentation, font également l'objet de recherches.

PE

Le PE n'a pas de groupes polaires dans sa structure moléculaire et est un matériau polymère non polaire, tandis que les retardateurs de flamme sans halogène ont généralement une forte polarité et une mauvaise compatibilité avec le PE.Par conséquent, améliorer la polarité du matériau de base du câble PE ou utiliser un agent de couplage pour traiter les additifs ignifuges, afin d'améliorer la quantité de remplissage et la compatibilité des ignifugeants non halogénés, est une étape clé pour améliorer les performances ignifuges du PE.La méthode couramment utilisée pour améliorer la polarité du matériau de base en PE consiste à mélanger et à modifier le PE avec des polymères plus polaires, notamment : EVA, EEA et EPDM.D'une part, l'ajout de ces copolymères introduit des groupes polaires, ce qui à son tour améliore l'affinité entre la matrice polymère et le retardateur de flamme inorganique, et peut augmenter la quantité de charge du retardateur de flamme et améliorer les propriétés ignifuges du matériau composite. .D'autre part, ces copolymères ont de bonnes propriétés de flexion, de ténacité, de résistance à la fissuration sous contrainte environnementale et les propriétés adhésives, en particulier les propriétés mécaniques, peuvent être améliorées.

PP

Le PP est largement utilisé dans diverses industries pour les fils et les câbles d’équipements électriques en raison de ses excellentes propriétés électriques, de sa résistance aux réactifs chimiques et de sa résistance à l’huile.Les matériaux PP habituels ont une ténacité et une résistance aux chocs médiocres, et les chercheurs les ont modifiés par copolymérisation, mélange, greffage, nano-addition, etc., et les propriétés mécaniques et électriques ont été grandement améliorées.Comparé aux câbles XLPE, le PP thermoplastique modifié est plus simple à traiter et présente les caractéristiques de recyclage, ce qui améliore le taux de production des câbles et réduit considérablement les coûts de production.De plus, la résistance à la température du câble PP est supérieure à celle du XLPE, ce qui peut améliorer considérablement la capacité du câble, ce qui est très attendu dans le domaine des câbles d'alimentation.

La chaleur de combustion du PP est très élevée, son faible taux de carbone et limite le PP en tant que matériau de câble ignifuge. Le principal inconvénient de sa chaîne moléculaire est plus courte, sa cristallinité est plus élevée, ce qui conduit à sa compatibilité avec les ignifugeants est relativement mauvaise, une petite quantité de retardateur de flamme qui entraînera une diminution significative du traitement et des propriétés mécaniques du PP.Surtout lorsque le câble doit être plié, sa résistance à la flexion est également faible, ce qui peut provoquer des dommages mécaniques lors du transport et de la pose.Par conséquent, sous l’hypothèse de ne pas affecter les propriétés mécaniques du PP, l’amélioration de ses propriétés ignifuges est devenue un point chaud de la recherche sur la modification des ignifugeants du PP.

Les méthodes de modification du matériau de base ignifuge PP sont variées, mais celles utilisées dans le domaine du mélange d'isolants de câbles et de la modification par copolymérisation constituent le moyen le plus efficace.La modification de mélange est du PP et d'autres élastomères : PE, EVA, mélange de POE, la modification de copolymérisation est une chaîne moléculaire PP connectée à une chaîne moléculaire d'éthylène ou de propylène.Ces deux méthodes à faible coût, processus simple et flexibilité technique, tant au niveau national qu'à l'étranger, ont de bonnes perspectives de développement.

2. Types ignifuges de câbles en polyoléfine

Caractéristiques de combustion des polyoléfines

Le PE, le PP et d'autres éléments constitutifs des polyoléfines dans la teneur en C, H sont extrêmement élevés et donc très faciles à brûler, la limite de l'indice d'oxygène n'est que de 17 % et, dans le processus de combustion, il est sujet à la fonte des gouttelettes et au phénomène d'incendie retardé. .Le processus de combustion des polyoléfines existe dans le ramollissement, la décomposition, la combustion en trois étapes, dans lesquelles le processus de décomposition produira un grand nombre de substances combustibles et la chaleur dégagée pendant le processus de combustion favorisera la décomposition de la polyoléfine.Par conséquent, le mécanisme ignifuge des matériaux ignifuges pour câbles en polyoléfine se manifeste principalement dans l'utilisation de retardateurs de flamme pour ralentir la décomposition thermique du matériau, limitant ainsi le transfert de chaleur pour éviter le rôle du feu.Selon la composition des retardateurs de flamme, les retardateurs de flamme sans halogène peuvent être divisés en phosphore, azote, silicium, bore, hydroxyde métallique inorganique et type d'expansion.

Retardateurs de flamme sans halogène

À l'heure actuelle, les retardateurs de flamme sans halogène couramment utilisés pour les câbles électriques comprennent les retardateurs de flamme à base d'azote, de phosphore, de bore et de silicium.

I. Retardateurs de flamme à base d'azote

Principalement de la mélamine et son sel, sa température de décomposition est élevée, le processus de combustion produit principalement : NH3, N2, NO et vapeur d'eau et autres produits non toxiques, non corrosifs.Les retardateurs de flamme à base d'azote absorbent une grande quantité de chaleur et libèrent des gaz ininflammables par volatilisation et décomposition thermique, ce qui peut réduire considérablement la température de surface des polymères et diluer la concentration de gaz inflammables et d'oxygène dans l'environnement, et finalement obtenir une bonne flamme. effets retardateurs.Les retardateurs de flamme à base d'azote et d'autres retardateurs de flamme appliqués en même temps ont un bon effet synergique, par exemple, le retardateur de flamme azote ⁃ phosphore qui peut favoriser la carbonisation du phosphore, la formation d'une couche de carbone expansé, joue un bon rôle dans l'isolation thermique et ignifuge.Certains retardateurs de flamme azotés tels que le cyanurate de mélamine sont souvent utilisés comme lubrifiants et compatibilisants pour améliorer le mélange d'autres retardateurs de flamme dans les polyoléfines.

II.Retardateurs de flamme au phosphore

L'utilisation principale des groupes phosphore dans le processus de décomposition thermique peut rendre la carbonisation par déshydratation de la surface du polymère et jouer un rôle dans l'isolation ignifuge.Parmi eux, le polyphosphate d'ammonium (APP) est couramment utilisé dans les systèmes ignifuges des câbles d'alimentation.Les inconvénients des retardateurs de flamme contenant du phosphore sont que l'élément phosphore présente une neurotoxicité, une faible stabilité, une mauvaise résistance à l'eau, une mauvaise compatibilité avec les polymères et un impact relativement important sur les propriétés mécaniques, de sorte que l'application est limitée.

III.Composés de bore

Le mécanisme ignifuge des composés de bore consiste à former une couche d'isolation vitreuse pendant le processus de combustion, à bloquer l'effet de l'oxygène et des gaz combustibles volatils, à empêcher une oxydation supplémentaire de la couche de charbon de bois et à favoriser la formation de charbon de bois.Comparé au retardateur de flamme au phosphore, le retardateur de flamme au bore a une bonne stabilité thermique, une faible toxicité et une faible fumée, il est donc plus approprié pour la vulgarisation et l'application.Le borate de zinc est couramment utilisé comme coefficient ignifuge, mais son effet à lui seul n'est pas bon et il est principalement utilisé comme coefficient ignifuge.

IV.Silicone ignifuge

Le retardateur de flamme au silicium est un nouveau type de retardateur de flamme respectueux de l'environnement avec une efficacité ignifuge élevée, une faible toxicité, des gouttelettes anti-fusion et des caractéristiques sans fumée.Les ignifuges à base de silice inorganique, notamment les minéraux silicatés, tels que le talc, le silicate en couches et le silicate poreux, sont couramment utilisés dans les ignifugeants des câbles électriques. Ils favorisent non seulement la formation de carbone dans le processus de combustion, mais augmentent également le rôle de absorption de fumée.

V. Retardateurs de flamme à base d'hydroxydes métalliques inorganiques

À l'heure actuelle, les hydroxydes métalliques inorganiques couramment utilisés sont l'hydroxyde d'aluminium (ATH) et l'hydroxyde de magnésium (MDH), qui ont les caractéristiques d'une faible fumée, non toxiques, écologiques et respectueux de l'environnement, et ont reçu une grande attention en tant que nouvelle flamme sans pollution. retardateurs.L'ATH et le MDH commencent à se décomposer et à absorber une grande quantité de chaleur pour réduire la température locale de la zone de combustion lorsque la température est supérieure à 200 ℃, et la décomposition de la vapeur d'eau générée par la décomposition des gaz combustibles dilue la concentration de l'oxygène, tandis que le gaz non combustible généré par la décomposition des gaz combustibles et de l'oxygène.La vapeur d'eau générée par leur décomposition dilue la concentration de gaz combustibles et d'oxygène, et en même temps, les oxydes non combustibles générés forment un film isolant qui a pour effet de retarder la flamme.

Les hydroxydes métalliques inorganiques dépendent de leur propre décomposition pour réduire la chaleur de combustion, tout en diluant l'oxygène, de sorte que leur efficacité ignifuge est inférieure, la teneur est souvent supérieure à 50 %.Dans le même temps, la polarité de l'hydroxyde métallique inorganique est grande et la compatibilité du matériau de base du câble en polyoléfine est mauvaise, ce qui rend sa dispersion difficile pendant le traitement, la formation facile de points de contrainte mécanique, ce qui rend les propriétés mécaniques du matériau du câble significativement réduit.À l'heure actuelle, les recherches sur l'ATH et le MDH en tant que retardateurs de flamme se concentrent toujours sur l'amélioration du problème de compatibilité, et les méthodes couramment utilisées comprennent : l'amincissement des particules, la modification de la surface et l'augmentation du compatibilisant.

VI.Retardateurs de flammes intumescents

La composition du retardateur de flamme intumescent est principalement à base de phosphore et d'azote, qui combine les avantages des deux types de retardateurs de flamme et se caractérise par une non-toxicité et moins de fumée.Le phosphore forme un film isolant après avoir été chauffé, et l'azote se décompose en eau et en gaz après avoir été chauffé, dans lequel le gaz décomposé par l'azote facilite la formation d'une couche de charbon de bois mousseuse de phosphore.La couche de charbon de bois mousseuse peut jouer le rôle de barrière à l'oxygène et d'isolation thermique, et en même temps, elle peut empêcher les gouttelettes fondues.Comparé à d'autres systèmes ignifuges sans halogène, dans le domaine des PE et PP ignifuges, un excellent effet ignifuge peut être obtenu lorsque la teneur en IFR est de 20 % à 30 %.

La teneur théorique en phosphore de l'APP peut atteindre 31 % ou plus, ce qui est la source d'acide la plus courante en IFR, et elle sert également de source de gaz.Cependant, l'APP appliqué dans le PE et le PP présente de nombreux défauts de performance, par exemple, la stabilité thermique n'est pas assez élevée, une odeur irritante et un phénomène de moisissure corrosif pendant le traitement ;mauvaise compatibilité avec le PE et le PP, qui ne peuvent répondre aux exigences de propriétés mécaniques ;mauvaise résistance à l'eau, grande absorption d'humidité, etc.Par conséquent, la modification de la surface de l’APP est l’un des moyens efficaces pour résoudre les problèmes ci-dessus.

La modification de surface de l'APP peut être divisée en deux types : la méthode de revêtement physique et la méthode de modification chimique de surface.La clé du revêtement physique est que le matériau de revêtement doit avoir une bonne compatibilité avec l'APP pour garantir la solidité du revêtement ;le matériau de revêtement doit également avoir une bonne stabilité thermique, une bonne compatibilité interfaciale et une bonne résistance à l'eau.Par rapport au revêtement physique, la modification chimique a une force de liaison plus forte, mais la modification chimique entraînera un coût plus élevé de l'APP et augmentera le seuil d'application.

Technologie ignifuge du matériau du câble

Selon les dispositions du GB/T32129-2015, matériau de câble ignifuge à faible fumée sans halogène pour fils et câbles, les matériaux de câbles d'alimentation modifiés en PE et PP doivent répondre aux performances du tableau 1.

VII.Retardateurs de flamme à base d'hydroxyde métallique modifié

L'hydroxyde métallique est un retardateur de flamme vert largement utilisé, et compte tenu de ses défauts tels que de mauvaises propriétés mécaniques et une mauvaise compatibilité des matériaux de câbles ignifuges modifiés, les chercheurs ont tenté de le modifier afin d'améliorer la compatibilité et l'efficacité du retardateur de flamme.En prenant le MDH comme exemple, sa surface est modifiée en utilisant simultanément un agent de couplage avec des groupes hydrophiles et lipophiles, et l'agent de couplage relie les oxydes métalliques et les polyoléfines entre eux, ce qui peut très bien améliorer la compatibilité.

Conclusion

Les matériaux de câbles ignifuges en polyoléfine ont de bonnes propriétés isolantes et sont utilisés en grande quantité dans le monde entier pour l'isolation des câbles électriques, apportant ainsi une contribution importante à la transmission de puissance.Cependant, avec l'accent mis sur les questions environnementales, l'utilisation de retardateurs de flamme sans halogène au lieu de retardateurs de flamme halogènes traditionnels constitue une tendance importante dans le développement de l'isolation des câbles.