Bakit Karaniwang Ginagamit ang 3.5 Hydrated Zinc Borate bilang Flame Retardant sa PVC Cables?

Ang polyvinyl chloride (PVC) ay ang nangingibabaw na pagpipilian para sa pagkakabukod ng cable at mga materyales sa kaluban, at ang mga katangian ng flame retardant nito ay direktang nauugnay sa ligtas na operasyon ng power system. Kabilang sa maraming flame retardant,3.5 hydrated zinc borate (2ZnO·3B₂O₃·3.5H₂O)ay naging isang pangunahing bahagi sa PVC cable formulations. Ang artikulong ito ay sistematikong susuriin ang siyentipikong batayan sa likod ng pagpiling ito.

I. Chemical na batayan ng mekanismo ng flame retardant: multi-mode synergistic effect

1.1 Dehydration at heat absorption process sa thermal decomposition stage

Ang nilalaman ng kristal na tubig na 3.5% hydrated zinc borate (mga 14.5%) ay tiyak na idinisenyo upang makamit ang perpektong tugma sa pagitan ng temperatura ng thermal decomposition nito at ng paunang temperatura ng decomposition ng PVC (mga 200-300°C). Kapag ang cable ay nakatagpo ng pinagmumulan ng apoy, ang zinc borate ay naglalabas ng mala-kristal na tubig sa hanay ng temperatura na 210-320°C

Zn₂B₆O₁₁·3.5H₂O → Zn₂B₆O₁₁ + 3.5H₂O↑

Ang prosesong ito ay sumisipsip ng malaking halaga ng init (dehydration enthalpy na humigit-kumulang 280 J/g), na epektibong binabawasan ang temperatura sa ibabaw ng materyal at naantala ang thermal degradation rate ng PVC resin matrix. Kung ikukumpara sa mas mataas na hydration form gaya ng 5-hydrate at 7-hydrate, ang dehydration temperature window na 3.5 hydrate ay mas tumpak, na iniiwasan ang proteksyon blind spot na dulot ng napaaga na pag-aalis ng tubig o delayed dehydration.

1.2 Mekanismo ng pagbuo ng malasalamin na proteksiyon na layer

Ang dehydrated anhydrous zinc borate (Zn₂B₆O₁₁) ay natutunaw sa 400-500°C at tumutugon sa hydrogen chloride (HCl) na ginawa ng PVC decomposition:

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

Ang nabuong ZnCl₂ at BCl₃ ay kumikilos bilang Lewis acid catalyst para i-promote ang crosslinking reaction ng PVC, na bumubuo ng pinalawak na carbon layer. Kasabay nito, ang boron oxide ay ginagawang malapot na B₂O₃ salamin sa temperaturang higit sa 700°C

2BCl₃ + 3H₂O → B₂O₃ + 6HCl

Ang katawan ng salamin ay sumasakop sa ibabaw ng carbon layer, na bumubuo ng isang siksik na proteksiyon na hadlang. Ang dynamic na lagkit nito (10³-10⁴ Pa·s) ay maaaring epektibong harangan ang oxygen permeation at heat transfer sa temperatura ng apoy.

Ⅱ. Natatanging compatibility at synergistic effect sa PVC system

2.1 Pag-optimize ng Acid Capture Agent Function

Ang HCl na inilabas mula sa PVC pyrolysis ay hindi lamang nagpapabilis ng pagkasira ng materyal, ngunit gumagawa din ng kinakaing unti-unti at nakakalason na usok.Zinc boratemahusay na nakukuha ang HCl sa pamamagitan ng dalawang hakbang na reaksyon:

1. Pangunahing pagkuha: Ang mga surface hydroxyl group ay tumutugon sa HCl upang makabuo ng ZnCl ₂ at boric acid

2. Pangalawang pagkuha: Ang nabuong boric acid ay higit na tumutugon sa HCl upang bumuo ng BCl₃

Ang bawat nunal ng 3.5 hydrated zinc borate ay maaaring theoretically kumonsumo ng 12 mol ng HCl, na may kapasidad na makuha na 43.7%. Kung ikukumpara sa mga tradisyunal na flame retardant tulad ng aluminum hydroxide (33%) lamang, ang unit mass acid neutralization efficiency nito ay tumaas ng 32%.

2.2 Synergistic Enhancement na may Antimony Trioxide

Sa pagbabalangkas ng mga PVC cable, ang zinc borate ay nagpapakita ng isang makabuluhang synergistic na epekto sa Sb₂O₃:

Zn₂B₆O₁₁ + Sb₂O₃ + HCl → ZnSb₂O₅+borosilicate glass phase

Ang nabuong zinc antimony spinel (ZnSb₂O₅) ay may mga katangian ng mataas na thermal stability (>1000°C) at malakas na catalytic carbonization na kakayahan. Ipinapakita ng pang-eksperimentong data na kapag ang zinc borate ay pinagsama sa Sb ₂ O3 sa isang 3:2 mass ratio, ang limitasyon ng oxygen index (LOI) ay maaaring tumaas mula 28% hanggang 34%, at ang density ng usok ay maaaring mabawasan ng 40%.

2.3 Pinakamababang epekto sa materyal na mekanikal na katangian

Kung ikukumpara sa mga flame retardant na may katulad na laki ng particle, ang Mohs hardness ng 3.5 hydrated zinc borate ay 2.5 lamang, mas mababa kaysa sa mga filler gaya ng silica (7.0). Ang mala-sheet na kristal na anyo nito (average na laki ng particle 1-3 μm, aspect ratio 8-15) ay maaaring bumuo ng stack na "tulad ng card" sa PVC matrix. Kapag idinagdag sa dosis na 15-20 phr:

·Tensile strength retention rate>85%

· Ang elongation sa break ay bumababa lamang ng 12-18%

· Ang epekto sa pagiging maproseso ng extrusion ay makabuluhang mas mababa kaysa sa mga retardant ng apoy tulad ng magnesium hydroxide

Ⅲ. 3.5 Mga bentahe ng engineering ng hydration form

3.1 Balanse sa pagitan ng thermal stability at processing window

Paghahambing ng pagganap ng zinc borate na may iba't ibang antas ng hydration:

3.5 Ang mga hydrates ay nananatiling matatag sa kumbensyonal na temperatura ng extrusion ng PVC (170-190°C) upang maiwasan ang porosity at mga depekto sa ibabaw na dulot ng dehydration sa panahon ng pagproseso.

3.2 Garantiya ng Pagganap ng Elektrisidad

Kapag ang dielectric constant ng zinc borate (ε _r=4.2-4.8) ay malapit sa PVC matrix (ε _r=4.0-4.5), at ang layered na istraktura nito ay nakaayos parallel sa direksyon ng electric field:

·Panatilihin ang resistivity ng volume na higit sa 10 ¹⁴Ω· cm

· Ang pagtaas sa dielectric loss tangent value ay mas mababa sa 0.002

· May kaunting epekto sa pagkakapareho ng kapasidad ng cable

3.3 Dalawahang bentahe ng mga tampok sa kapaligiran at kaligtasan

Kabaitan sa kapaligiran:

· Talamak na oral toxicity LD50>5000 mg/kg (aktwal na hindi nakakalason na antas)

·Hindi naglalaman ng mga halogens, mabibigat na metal (lead, cadmium, chromium, atbp.)

·35% na pagbawas sa pagbuo ng CO sa mga produkto ng pagkasunog (kumpara sa tradisyonal na flame retardant system)

Mekanismo ng pagsugpo sa usok:

Itinataguyod ng zinc borate ang pagbuo ng mga aromatic carbon structure sa halip na mga aliphatic fragment sa PVC, pinatataas ang temperatura ng nucleation threshold ng mga particle ng usok mula 350°C hanggang 480°C at binabawasan ang density ng usok (paraan ng NBS) ng 50-60%.

Ⅳ. Mga senaryo ng espesyal na aplikasyon

· Mababang usok at walang halogen na mga kinakailangan: Ang pagtaas ng dosis ng zinc borate sa 25 phr, na sinamahan ng magnesium hydroxide (40 phr), ay maaaring makamit ang IEC 61034 smoke density<200

·High heat resistance level (105°C): gamit ang trimellitic acid ester plasticizer, ang ibabaw ng zinc borate ay ginagamot ng silane coupling agent, at ang elongation retention rate pagkatapos ng thermal aging ay pinananatili sa>70%

Konklusyon:

Ang aplikasyon ng3.5 hydrated zinc boratesa PVC cables ay sumasalamin sa mga pangunahing ideya ng "multi mechanism synergy" at "performance balance" sa flame retardant science. Ang tumpak na nilalaman ng kristal na tubig nito, mahusay na kakayahan sa pagkuha ng acid, mahusay na synergy na may antimony based na flame retardant, at kaunting epekto sa mga electrical at mekanikal na katangian ng mga materyales ay ginagawa itong perpektong pagpipilian upang matugunan ang komprehensibong mga kinakailangan ng modernong cable flame retardancy, mababang usok, hindi nakakalason, at mataas na pagiging maaasahan.