การเลือกใช้น้ำมันหล่อลื่นที่มีผลกระทบต่อการติดไฟน้อยที่สุดในสูตรผสมสารประกอบสายเคเบิล

การเลือกใช้สารหล่อลื่นที่มีผลกระทบต่อการติดไฟน้อยที่สุดในสูตรผสมสารประกอบสายเคเบิล

บทนำ

การเลือกใช้สารหล่อลื่นในสูตรผสมสารประกอบสายเคเบิลต้องพิจารณาอย่างรอบคอบถึงผลกระทบต่อการหน่วงไฟ สารหล่อลื่นที่ดีที่สุดควรช่วยในการแปรรูปได้อย่างดีเยี่ยมโดยไม่กระทบต่อความทนไฟของวัสดุ บทความนี้สรุปคำแนะนำตามโครงสร้างทางเคมี ความเสถียรทางความร้อน และผลเสริมฤทธิ์กับระบบหน่วงไฟ โดยอิงจากแนวทางปฏิบัติในอุตสาหกรรมและข้อมูลการวิจัย

1. ประเภทและกลไกของสารหล่อลื่นที่แนะนำ

1.1. สารหล่อลื่นชนิดซิลิโคน (ผงซิลิโคน/น้ำมัน)

• ข้อดีหลัก: พลังงานพันธะ Si-O ในซิลิโคน (452 kJ/mol) สูงกว่าพันธะ C-C (348 kJ/mol) อย่างมีนัยสำคัญ ที่อุณหภูมิสูง พวกมันจะสร้างชั้นป้องกันซิลิกาหนาแน่นที่ยับยั้งการแพร่กระจายของเปลวไฟ ตัวอย่างเช่น การเติม Javachem® GT series (Zhejiang Jiahua) 0.5-3% ลงในสารประกอบสายเคเบิลโพลีโอเลฟินที่หน่วงไฟปราศจากฮาโลเจน สามารถเพิ่ม Oxygen Index (OI) เป็นมากกว่า 37% ลดการสะสมของแม่พิมพ์ และเพิ่มความเร็วสายได้ 20%

• การประยุกต์ใช้งาน: เหมาะสำหรับสารประกอบสายเคเบิลชนิด EVA/PE โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระบบที่มีสารตัวเติมสูง (>60% filler) คุณสมบัติที่ไม่ชอบน้ำของพวกมันช่วยลดการดูดซึมความชื้นและปรับปรุงสภาพอากาศ

• เกรดทั่วไป: Dow Corning DC-3200, Shin-Etsu KF-96, Zhejiang Jiahua GT-300

1.2. สบู่โลหะ (แคลเซียม/สังกะสีสเตียเรต)

• กลไกการหน่วงไฟ: แคลเซียมสเตียเรตสลายตัวที่ 200-250°C ทำให้เกิด CaO และ CO₂ CaO สามารถทำปฏิกิริยากับอะลูมิเนียมไตรไฮดรอกไซด์ (ATH) เพื่อสร้างแคลเซียมอะลูมิเนต ซึ่งช่วยเพิ่มความหนาแน่นของชั้นถ่าน การศึกษาแสดงให้เห็นว่าแคลเซียมสเตียเรต 2-3% สามารถลดอัตราการปล่อยความร้อนสูงสุด (PHRR) ได้ 15% และปรับปรุงการกระจายตัวของสารตัวเติม

• ความเข้ากันได้ของกระบวนการ: แสดงให้เห็นถึงการทำงานร่วมกันอย่างมีนัยสำคัญกับสารหน่วงไฟฟอสฟอรัส-ไนโตรเจน (เช่น MPP) สามารถแทนที่สารหล่อลื่นแบบดั้งเดิมบางส่วนในสูตรปราศจากฮาโลเจนโดยไม่ส่งผลกระทบต่อระดับ UL94 V-0 เมื่อใช้ที่ 1-2%

• หมายเหตุ: การใช้มากเกินไปอาจทำให้เกิดการบาน ขอแนะนำให้ใช้ร่วมกับสารหล่อลื่นภายใน (เช่น เพนทาอีริทริทอลสเตียเรต)

1.3. ขี้ผึ้งโพลีเอทิลีนออกซิไดซ์ (OPE Wax)

• ลักษณะเฉพาะ: ปริมาณคาร์บอนิล (1.5-3%) ช่วยเพิ่มความเข้ากันได้กับสารหน่วงไฟขั้วโลก เช่น แมกนีเซียมไฮดรอกไซด์ (MDH) ชั้นออกซิไดซ์ที่ก่อตัวขึ้นที่อุณหภูมิสูงสามารถยับยั้งการเผาไหม้ การทดสอบแสดงให้เห็นว่าสารประกอบสายเคเบิลที่มี OPE wax 1.5% ยังคงรักษา OI ไว้ที่ 32% ซึ่งสูงกว่าสารประกอบที่มี PE wax มาตรฐาน 5 จุด

• คำแนะนำการใช้งาน: ชอบเกรดจุดหลอมเหลวสูง (Drop Point: 105-115°C) ที่มีน้ำหนักโมเลกุลระหว่าง 8000-15000 เหมาะสำหรับกระบวนการอัดขึ้นรูปที่ 180-220°C

• เกรดทั่วไป: Honeywell A-C 629, Clariant Licowax OP

1.4. ผงไมโครโพลีเตตระฟลูออโรเอทิลีน (PTFE)

• คุณสมบัติการหน่วงไฟ: PTFE มีอุณหภูมิการสลายตัวสูง (~500°C) ทำให้เกิด CO₂ และ HF เพียงเล็กน้อยเมื่อเกิดการเผาไหม้ ชั้นถ่านที่ก่อตัวขึ้นจะป้องกันการหยดละลาย การเติมผงไมโคร PTFE 0.5-1% ลงใน PP ที่หน่วงไฟสามารถลดอุบัติการณ์การหยดละลายจาก 70% เหลือต่ำกว่า 10%

• ค่าเฉพาะ: เหมาะสำหรับสายเคเบิลควันต่ำ (เช่น การขนส่งทางราง) ซึ่งค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานต่ำมาก (0.05-0.1) ช่วยลดความร้อนจากแรงเสียดทานระหว่างพื้นผิวในระหว่างการอัดขึ้นรูปด้วยความเร็วสูง

• เกรดทั่วไป: DuPont Teflon® MP100, Daikin Polyflon® L-15

2. ประเภทสารหล่อลื่นที่ต้องใช้ความระมัดระวัง

2.1. กรดไขมัน (กรดสเตียริก/กรดโอเลอิก)

• การวิเคราะห์ความเสี่ยง: กรดสเตียริก (C18H36O2) มีความร้อนจากการเผาไหม้สูง (42 MJ/kg, ~10% สูงกว่า PE) การสลายตัวของมันทำให้เกิดไฮโดรคาร์บอนสายยาวที่สามารถส่งเสริมการแพร่กระจายของเปลวไฟ การเติมมากกว่า 0.5% อาจทำให้ระดับ UL94 ลดลงจาก V-0 เป็น V-2

• ทางเลือก: แทนที่ด้วยแคลเซียมสเตียเรตอย่างสมบูรณ์หรือใช้กรดไฮดรอกซีสเตียริกที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำ (เช่น กรด 12-ไฮดรอกซีสเตียริก) ซึ่งมีความร้อนจากการเผาไหม้ต่ำกว่า 18%

2.2. เอไมด์มาตรฐาน (EBS)

• ข้อจำกัด: EBS สลายตัวที่อุณหภูมิสูงกว่า 300°C ทำให้เกิดก๊าซแอมโมเนียและไนไตรล์ ซึ่งอาจรบกวนกลไกการก่อตัวของถ่านของสารหน่วงไฟชนิดฟอสฟอรัส การทดลองแสดงให้เห็นว่า EBS 1% สามารถเพิ่มเวลาการเผาไหม้ในแนวตั้งได้ 2-3 วินาที

• ทิศทางการปรับปรุง: ใช้ EBS ที่ดัดแปลงด้วยไซเลน (เช่น Clariant Licowax EBS-S) ซึ่งไซล็อกเซนที่ปล่อยออกมาในระหว่างการเผาไหม้สามารถต้านทานผลกระทบด้านลบของการสลายตัวของเอไมด์ได้บางส่วน

2.3. พาราฟินแว็กซ์ (พาราฟินเหลว/ไมโครคริสตัลไลน์แว็กซ์)

• ความเสี่ยงจากการเผาไหม้: ส่วนประกอบที่ระเหยง่ายของพาราฟินมีแนวโน้มที่จะย้ายไปที่พื้นผิว ทำให้เกิดชั้นที่ติดไฟได้ ในการทดสอบ OI การเติมพาราฟิน 2% สามารถลดค่า OI ได้ 3-5 จุด

• ทางเลือก: ใช้ขี้ผึ้ง Fischer-Tropsch ที่มีจุดหลอมเหลวสูง (>90°C) ซึ่งมีการกระจายน้ำหนักโมเลกุลที่แคบ ความเสถียรทางความร้อนที่ดีกว่าพาราฟิน และมีสารตกค้างของถ่านสูงกว่าเมื่อเกิดการเผาไหม้

3. กลยุทธ์การเลือกและการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ

3.1. การออกแบบเสริมฤทธิ์กับสารหน่วงไฟ

• การทำงานร่วมกันของฟอสฟอรัส-ซิลิคอน: เมื่อสารหล่อลื่นซิลิโคนรวมกับอะลูมิเนียมฟอสฟิเนต ไซล็อกเซนสามารถส่งเสริมการเสริมสร้างพื้นผิวของสารหน่วงไฟชนิดฟอสฟอรัส ทำให้เกิดชั้นป้องกันแบบผสม "Si-P-char" เพิ่ม OI เป็นมากกว่า 35%

• การทำงานร่วมกันของสบู่โลหะ-ไฮดรอกไซด์: ที่อัตราส่วนมวล 1:10 (แคลเซียมสเตียเรต:ATH) แคลเซียมอะลูมิเนตที่ก่อตัวขึ้นช่วยเพิ่มความแข็งแรงของถ่าน เพิ่มสารตกค้างที่ 800°C จาก 22% เป็น 28%

3.2. การจับคู่พารามิเตอร์การประมวลผล

• การควบคุมอุณหภูมิ: อุณหภูมิการประมวลผลที่เหมาะสมที่สุดสำหรับสารหล่อลื่นซิลิโคนคือ 180-200°C หลีกเลี่ยงการเกิน 220°C เพื่อป้องกันการแตกของพันธะ Si-O เติมสบู่โลหะในภายหลังในรอบการผสม (130-150°C) เพื่อป้องกันการสลายตัวก่อนวัยอันควร

• กระบวนการกระจายตัว: สำหรับระบบที่มีสารตัวเติมสูง ให้ใช้เครื่องอัดรีดสกรูคู่ที่มีแรงเฉือนสูง (ความเร็วสกรู 300-400 รอบต่อนาที) เพื่อการกระจายตัวของสารหล่อลื่นและสารหน่วงไฟที่สม่ำเสมอ การผสมผงซิลิโคนกับ ATH ล่วงหน้าและเติมในสองขั้นตอนสามารถเพิ่มความต้านทานแรงดึงได้ 12%

3.3. การรับรองและการตรวจสอบการทดสอบ

• การทดสอบพื้นฐาน: Oxygen Index (GB/T 2406.2) ≥32%; การเผาไหม้ในแนวตั้ง (UL94) V-0; ความหนาแน่นของควัน (GB/T 8323.2) Dm(4min) ≤75%

• ประสิทธิภาพระยะยาว: หลังจากการบ่มด้วยความร้อน (120°C×168h) การเปลี่ยนแปลงความต้านทานแรงดึงควรเป็น ≤±10% และการเปลี่ยนแปลงการยืดตัว ณ จุดขาดควรเป็น ≤±15%

• การปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อม: เลือกใช้สารหล่อลื่นที่สอดคล้องกับ RoHS และ REACH สำหรับสายเคเบิลทางการแพทย์ ให้ปฏิบัติตามมาตรฐานเช่น USP Class VI

4. ตัวอย่างสูตรทั่วไป

4.1. สารประกอบสายเคเบิลโพลีโอเลฟินที่หน่วงไฟปราศจากฮาโลเจน

• สูตร (ส่วนโดยน้ำหนัก): EVA (VA 18%) 100, แมกนีเซียมไฮดรอกไซด์ 120, ผงซิลิโคน 2, แคลเซียมสเตียเรต 1.5, สารต้านอนุมูลอิสระ 1010 0.5, สารกันแสง 770 0.3

• คุณสมบัติ: OI 37%, ความต้านทานแรงดึง 11 MPa, การยืดตัว ณ จุดขาด 160%, การหดตัวด้วยความร้อน (120°C×24h) 0.8%

4.2. สารประกอบสายเคเบิล PVC ที่หน่วงไฟสูง

• สูตร (ส่วนโดยน้ำหนัก): PVC 100, แอนติโมนีไตรออกไซด์ 5, สารหน่วงไฟฟอสเฟตเอสเทอร์ 20, แคลเซียมสเตียเรต 1.2, OPE Wax 1.0, น้ำมันถั่วเหลืองอีพอกซิไดซ์ 5

• คุณสมบัติ: UL94 V-0, OI 34%, สภาพต้านทานพื้นผิว >10^14 Ω·cm เหมาะสำหรับสายเคเบิลควบคุมอุตสาหกรรม

5. การควบคุมความเสี่ยงและแนวโน้มอุตสาหกรรม

• ความเสถียรของชุดงาน: ดำเนินการวิเคราะห์เทอร์โมกราวิเมตริก (TGA) ในชุดสารหล่อลื่นที่เข้ามาเพื่อให้แน่ใจว่าอุณหภูมิการสลายตัวเริ่มต้น >250°C และสารระเหย ≤0.5%

• การตรวจสอบความถูกต้องทางเลือก: ใช้ "วิธีการเปลี่ยนทีละขั้นตอน" สำหรับการแทนที่สารหล่อลื่นนำเข้า: เริ่มต้นด้วยผลิตภัณฑ์ในประเทศ 30% ค่อยๆ เพิ่มเป็น 100% หลังจากการตรวจสอบประสิทธิภาพ ตัวอย่างเช่น ผงซิลิโคนของ Yanshan Petrochemical ได้แทนที่ Dow Corning DC-3200 ในสายเคเบิลโฟโตโวลตาอิกสำเร็จ

• ความยั่งยืน: สารหล่อลื่นจากชีวภาพ (เช่น เอไมด์จากน้ำมันละหุ่ง) มีการปล่อยคาร์บอนต่ำกว่าสารหล่อลื่นแบบดั้งเดิมประมาณ 40% และ CO₂ ที่ปล่อยออกมาในระหว่างการเผาไหม้สามารถดูดซึมได้โดยพืช ซึ่งสอดคล้องกับข้อบังคับเช่น CBAM ของสหภาพยุโรป

บทสรุป

สารหล่อลื่นชนิดซิลิโคน สบู่โลหะ ขี้ผึ้งโพลีเอทิลีนออกซิไดซ์ และผงไมโคร PTFE เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุดสำหรับสารประกอบสายเคเบิลที่สมดุลระหว่างการหล่อลื่นและการหน่วงไฟ การใช้งานจริงต้องมีการปรับให้เหมาะสมตามระบบหน่วงไฟเฉพาะ สภาพการประมวลผล และข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ ซึ่งได้รับการตรวจสอบความถูกต้องผ่านการทดลองขนาดเล็กเพื่อความเข้ากันได้และประสิทธิภาพการเผาไหม้