Поливинилхлорид (ПВЦ) је доминантан избор за кабловску изолацију и материјале омотача, а његова својства успорења пламена су директно повезана са безбедним радом електроенергетског система. Међу бројним успоривачима пламена,3,5 хидратисани цинк борат (2ЗнО·3Б₂О₃·3,5Х2О)је постала кључна компонента у формулацијама ПВЦ каблова. Овај чланак ће систематски анализирати научну основу овог избора.
Садржај кристалне воде од 3,5% хидратисаног цинк бората (око 14,5%) је прецизно дизајниран да постигне идеално подударање између његове температуре термичког разлагања и почетне температуре распадања ПВЦ-а (око 200-300°Ц). Када кабл наиђе на извор ватре, цинк борат ослобађа кристалну воду у температурном опсегу од 210-320°Ц
Зн₂Б₆О₁₁·3,5Х₂О → Зн₂Б₆О₁₁ + 3,5Х₂О↑
Овај процес апсорбује велику количину топлоте (енталпија дехидратације од око 280 Ј/г), ефективно смањујући температуру површине материјала и одлажући стопу термичке деградације матрице ПВЦ смоле. У поређењу са облицима веће хидратације као што су 5-хидрат и 7-хидрат, прозор температуре дехидратације од 3,5 хидрата је прецизнији, избегавајући заштитне мртве тачке узроковане превременом дехидрацијом или одложеном дехидрацијом.
Дехидрирани анхидровани цинк борат (Зн₂Б₆О₁₁) се топи на 400-500°Ц и реагује са хлороводоником (ХЦл) који настаје разлагањем ПВЦ-а:
Зн₂Б₆О₁₁ + 12ХЦл → 2ЗнЦл₂ + 6БЦл₃ + 6Х₂О
Генерисани ЗнЦл₂ и БЦл₃ делују као катализатори Луисове киселине како би промовисали реакцију умрежавања ПВЦ-а, формирајући проширени слој угљеника. Истовремено, бор оксид се претвара у вискозно Б₂О₃ стакло на температурама изнад 700°Ц
2БЦл₃ + 3Х₂О → Б₂О₃ + 6ХЦл
Стаклено тело покрива површину слоја угљеника, формирајући густу заштитну баријеру. Његов динамички вискозитет (10³-10⁴ Па·с) може ефикасно да блокира продирање кисеоника и пренос топлоте на температури пламена.
ХЦл који се ослобађа пиролизом ПВЦ-а не само да убрзава деградацију материјала, већ и производи корозивни и токсичан дим.Цинк боратефикасно хвата ХЦл кроз реакцију у два корака:
1. Примарно хватање: Површинске хидроксилне групе реагују са ХЦл да би створиле ЗнЦл ₂ и борну киселину
2. Секундарно хватање: Настала борна киселина даље реагује са ХЦл да би формирала БЦл₃
Сваки мол 3,5 хидратисаног цинк бората може теоретски да потроши 12 мола ХЦл, са капацитетом хватања од 43,7%. У поређењу са традиционалним успоривачима пламена као што је алуминијум хидроксид (само 33%), ефикасност неутрализације киселине у јединичној маси је повећана за 32%.
У формулацији ПВЦ каблова, цинк борат показује значајан синергистички ефекат са Сб₂О₃:
Зн₂Б₆О₁₁ + Сб₂О₃ + ХЦл → ЗнСб₂О₅+боросиликатна стаклена фаза
Настали спинел од цинк-антимона (ЗнСб₂О₅) има карактеристике високе термичке стабилности (>1000°Ц) и јаке способности каталитичке карбонизације. Експериментални подаци показују да када се цинк борат помеша са Сб ₂ О3 у масеном односу 3:2, гранични индекс кисеоника (ЛОИ) може да се повећа са 28% на 34%, а густина дима може да се смањи за 40%.
У поређењу са успоривачима пламена са сличним величинама честица, Мохсова тврдоћа 3,5 хидратисаног цинк бората је само 2,5, много нижа од пунила као што је силицијум диоксид (7,0). Његова кристална форма у облику листа (просечна величина честица 1-3 μм, однос ширине и висине 8-15) може да формира „сличну карту“ стог у ПВЦ матрици. Када се дода у дози од 15-20 пхр:
· Стопа задржавања затезне чврстоће>85%
· Издужење при прекиду се смањује само за 12-18%
·Утицај на обрадивост екструзијом је знатно мањи од утицаја успоривача пламена као што је магнезијум хидроксид
Поређење перформанси цинк бората са различитим степенима хидратације:
|
Хидрирани облик |
Почетна температура дехидрације (°Ц) |
Главни интервал дехидрације (°Ц) |
Степен подударања са температуром обраде ПВЦ-а |
|
3.5 Хидратација |
215 |
225-320 |
Одлично (ПВЦ обрада 180-210 ° Ц) |
|
5 Хидратација |
185 |
190-280 |
Добро (са раним ризиком од дехидрације) |
|
7 Хидрација |
150 |
155-260 |
Лоше (склон губитку воде током обраде) |
3.5 Хидрати остају стабилни на уобичајеној температури екструзије ПВЦ-а (170-190°Ц) да би се избегла порозност и површински дефекти узроковани дехидратацијом током обраде.
Када је диелектрична константа цинк бората (ε _р=4,2-4,8) блиска оној ПВЦ матрице (ε _р=4,0-4,5), а њена слојевита структура је распоређена паралелно са смером електричног поља:
· Одржавајте запремински отпор изнад 10 ¹⁴Ω· цм
· Повећање вредности тангенте диелектричног губитка је мање од 0,002
·Има минималан утицај на униформност капацитивности кабла
Еколошка прихватљивост:
·Акутна орална токсичност ЛД50>5000 мг/кг (стварни нетоксични ниво)
·Не садржи халогене, тешке метале (олово, кадмијум, хром, итд.)
· 35% смањење производње ЦО у производима сагоревања (у поређењу са традиционалним системима за успоравање пламена)
Механизам за сузбијање дима:
Цинк борат промовише формирање ароматичних угљеничних структура уместо алифатичних фрагмената у ПВЦ-у, повећавајући температуру прага нуклеације честица дима са 350°Ц на 480°Ц и смањујући густину дима (НБС метода) за 50-60%.
· Ниски захтеви за дима и без халогена: Повећањем дозе цинк бората на 25 пхр, у комбинацији са магнезијум хидроксидом (40 пхр), може се постићи ИЕЦ 61034 густина дима <200
· Висок ниво отпорности на топлоту (105°Ц): коришћењем пластификатора естра тримелитичне киселине, површина цинк бората се третира силанским средством за спајање, а стопа издужења након термичког старења се одржава на >70%
Примена од3.5 хидратисани цинк борату ПВЦ кабловима одражава основне идеје "синергије више механизама" и "равнотеже перформанси" у науци о успоравању пламена. Његов прецизан садржај кристалне воде, одлична способност хватања киселине, ефикасна синергија са успоривачима пламена на бази антимона и минималан утицај на електрична и механичка својства материјала чине га идеалним избором за испуњавање свеобухватних захтева савременог отпора пламена на кабловима, ниске количине дима, нетоксичности и високе поузданости.
