Tại sao kẽm borat 3,5 ngậm nước thường được sử dụng làm chất chống cháy trong cáp PVC?

Polyvinyl clorua (PVC) là lựa chọn hàng đầu cho vật liệu cách điện và vỏ bọc cáp, đồng thời đặc tính chống cháy của nó có liên quan trực tiếp đến hoạt động an toàn của hệ thống điện. Trong số rất nhiều chất chống cháy,3,5 kẽm borat ngậm nước (2ZnO·3B₂O₃·3,5H₂O)đã trở thành một thành phần quan trọng trong công thức cáp PVC. Bài viết này sẽ phân tích một cách có hệ thống cơ sở khoa học đằng sau sự lựa chọn này.

I. Cơ sở hóa học của cơ chế chống cháy: tác dụng hiệp đồng đa chế độ

1.1 Quá trình khử nước và hấp thụ nhiệt ở giai đoạn phân hủy nhiệt

Hàm lượng nước tinh thể của borat kẽm hydrat hóa 3,5% (khoảng 14,5%) đã được thiết kế chính xác để đạt được sự phù hợp lý tưởng giữa nhiệt độ phân hủy nhiệt của nó và nhiệt độ phân hủy ban đầu của PVC (khoảng 200-300°C). Khi cáp gặp nguồn lửa, kẽm borat sẽ giải phóng nước kết tinh ở nhiệt độ 210-320°C

Zn₂B₆O₁₁·3,5H₂O → Zn₂B₆O₁₁ + 3,5H₂O↑

Quá trình này hấp thụ một lượng nhiệt lớn (entanpy khử nước khoảng 280 J/g), làm giảm nhiệt độ bề mặt của vật liệu một cách hiệu quả và trì hoãn tốc độ phân hủy nhiệt của ma trận nhựa PVC. So với các dạng hydrat hóa cao hơn như 5-hydrat và 7-hydrat, khoảng nhiệt độ khử nước là 3,5 hydrat chính xác hơn, tránh các điểm mù bảo vệ do mất nước sớm hoặc mất nước chậm.

1.2 Cơ chế hình thành lớp bảo vệ thủy tinh

Kẽm borat khan khử nước (Zn₂B₆O₁₁) nóng chảy ở 400-500°C và phản ứng với hydro clorua (HCl) tạo ra khi phân hủy PVC:

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

ZnCl₂ và BCl₃ được tạo ra đóng vai trò là chất xúc tác axit Lewis để thúc đẩy phản ứng liên kết ngang của PVC, tạo thành lớp cacbon giãn nở. Đồng thời, oxit boron được chuyển hóa thành thủy tinh B₂O₃ nhớt ở nhiệt độ trên 700°C

2BCl₃ + 3H₂O → B₂O₃ + 6HCl

Thân kính bao phủ bề mặt lớp carbon, tạo thành hàng rào bảo vệ dày đặc. Độ nhớt động của nó (10³-10⁴ Pa·s) có thể ngăn chặn hiệu quả sự thẩm thấu oxy và truyền nhiệt ở nhiệt độ ngọn lửa.

Ⅱ. Khả năng tương thích độc đáo và tác dụng hiệp đồng với hệ thống PVC

2.1 Tối ưu hóa chức năng thu giữ axit

HCl thoát ra từ quá trình nhiệt phân PVC không chỉ làm tăng tốc độ phân hủy vật liệu mà còn tạo ra khói ăn mòn và độc hại.kẽm boratthu giữ HCl hiệu quả thông qua phản ứng hai bước:

1. Bắt sơ cấp: Các nhóm hydroxyl bề mặt phản ứng với HCl để tạo ra ZnCl ₂ và axit boric

2. Thu giữ thứ cấp: Axit boric được tạo ra tiếp tục phản ứng với HCl để tạo thành BCl₃

Mỗi mol 3,5 borat kẽm ngậm nước về mặt lý thuyết có thể tiêu thụ 12 mol HCl, với khả năng thu giữ là 43,7%. So với các chất chống cháy truyền thống như nhôm hydroxit (chỉ 33%), hiệu suất trung hòa axit khối lượng đơn vị của nó tăng 32%.

2.2 Tăng cường tác dụng hiệp đồng với Antimon Trioxide

Trong công thức của cáp PVC, kẽm borat thể hiện tác dụng hiệp đồng đáng kể với Sb₂O₃:

Zn₂B₆O₁₁ + Sb₂O₃ + HCl → ZnSb₂O₅+pha thủy tinh borosilicat

Spinel antimon kẽm được tạo ra (ZnSb₂O₅) có đặc tính ổn định nhiệt cao (>1000°C) và khả năng cacbon hóa xúc tác mạnh. Dữ liệu thực nghiệm cho thấy khi kẽm borat được kết hợp với Sb ₂ O3 theo tỷ lệ khối lượng 3:2, chỉ số oxy giới hạn (LOI) có thể tăng từ 28% lên 34% và mật độ khói có thể giảm 40%.

2.3 Tác động tối thiểu đến tính chất cơ lý của vật liệu

So với các chất chống cháy có kích thước hạt tương tự, độ cứng Mohs của borat kẽm hydrat hóa 3,5 chỉ là 2,5, thấp hơn nhiều so với các chất độn như silica (7,0). Dạng tinh thể giống như tấm của nó (kích thước hạt trung bình 1-3 μ m, tỷ lệ khung hình 8-15) có thể tạo thành một ngăn xếp "giống như thẻ" trong ma trận PVC. Khi thêm vào với liều lượng 15-20 phr:

·Tỷ lệ duy trì độ bền kéo>85%

·Độ giãn dài khi đứt chỉ giảm 12-18%

·Tác động đến khả năng xử lý ép đùn thấp hơn đáng kể so với các chất chống cháy như magie hydroxit

Ⅲ. 3.5 Ưu điểm kỹ thuật của dạng hydrat hóa

3.1 Cân bằng giữa độ ổn định nhiệt và cửa sổ xử lý

So sánh hiệu suất của borat kẽm với các mức độ hydrat hóa khác nhau:

3.5 Hydrat vẫn ổn định ở nhiệt độ ép đùn thông thường của PVC (170-190°C) để tránh độ xốp và khuyết tật bề mặt do mất nước trong quá trình xử lý.

3.2 Đảm bảo hiệu suất điện

Khi hằng số điện môi của kẽm borat (ε _r=4,2-4,8) gần với hằng số điện môi của ma trận PVC (ε _r=4,0-4,5) và cấu trúc phân lớp của nó được bố trí song song với hướng của điện trường:

·Duy trì điện trở suất trên 10 ¹⁴Ω· cm

·Sự gia tăng giá trị tiếp tuyến tổn thất điện môi nhỏ hơn 0,002

·Có tác động tối thiểu đến tính đồng nhất của điện dung cáp

3.3 Ưu điểm kép của tính năng môi trường và an toàn

Thân thiện với môi trường:

·Độc tính cấp tính qua đường miệng LD50>5000 mg/kg (mức độ không độc hại thực tế)

·Không chứa halogen, kim loại nặng (chì, cadmium, crom, v.v.)

·Giảm 35% lượng CO phát sinh trong các sản phẩm đốt (so với hệ thống chống cháy truyền thống)

Cơ chế khử khói:

Kẽm borat thúc đẩy sự hình thành cấu trúc cacbon thơm thay vì các mảnh béo trong PVC, làm tăng nhiệt độ ngưỡng tạo mầm của các hạt khói từ 350°C lên 480°C và giảm mật độ khói (phương pháp NBS) từ 50-60%.

Ⅳ. Kịch bản ứng dụng đặc biệt

·Yêu cầu ít khói và không có halogen: Tăng liều kẽm borat lên 25 phr, kết hợp với magie hydroxit (40 phr), có thể đạt được mật độ khói IEC 61034<200

·Khả năng chịu nhiệt cao (105°C): sử dụng chất hóa dẻo este axit triellitic, bề mặt kẽm borat được xử lý bằng chất liên kết silan, duy trì độ giãn dài sau khi lão hóa nhiệt ở mức >70%

Phần kết luận:

Việc áp dụng3,5 kẽm borat ngậm nướctrong cáp PVC phản ánh ý tưởng cốt lõi về "sức mạnh tổng hợp đa cơ chế" và "cân bằng hiệu suất" trong khoa học chống cháy. Hàm lượng nước tinh thể chính xác, khả năng giữ axit tuyệt vời, sự kết hợp hiệu quả với chất chống cháy dựa trên antimon và tác động tối thiểu đến các tính chất cơ và điện của vật liệu khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng để đáp ứng các yêu cầu toàn diện về khả năng chống cháy cáp hiện đại, ít khói, không độc hại và độ tin cậy cao.