Seleção de Lubrificantes com Impacto Mínimo na Inflamabilidade em Formulações de Compostos para Cabos

Seleção de Lubrificantes com Impacto Mínimo na Inflamabilidade em Formulações de Compostos para Cabos

Introdução

A seleção de lubrificantes em formulações de compostos para cabos requer uma consideração cuidadosa de seu impacto na retardância à chama. Um lubrificante ideal deve fornecer excelente auxílio ao processamento sem comprometer a resistência ao fogo do material. Este artigo descreve recomendações com base na estrutura química, estabilidade térmica e efeitos sinérgicos com sistemas retardantes de chama, com base em práticas da indústria e dados de pesquisa.

1. Tipos e Mecanismos de Lubrificantes Recomendados

1.1. Lubrificantes à Base de Silicone (Pó/Óleo de Silicone)

• Principais Vantagens: A energia de ligação Si-O em silicones (452 kJ/mol) é significativamente maior do que as ligações C-C (348 kJ/mol). Em altas temperaturas, eles formam uma camada protetora densa de sílica que inibe a propagação da chama. Por exemplo, a adição de 0,5-3% da série Javachem® GT (Zhejiang Jiahua) a compostos de cabos de poliolefina retardantes de chama sem halogênio pode aumentar o Índice de Oxigênio (OI) para mais de 37%, reduzir o acúmulo na matriz e aumentar a velocidade da linha em 20%.

• Aplicação: Adequado para compostos de cabos à base de EVA/PE, especialmente em sistemas altamente carregados (>60% de carga). Sua natureza hidrofóbica reduz a absorção de umidade e melhora a resistência às intempéries.

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

1.2. Sabões Metálicos (Estearato de Cálcio/Zinco)

• Mecanismo de Retardância à Chama: O estearato de cálcio se decompõe a 200-250°C, gerando CaO e CO₂. CaO pode reagir com o tri-hidróxido de alumínio (ATH) para formar aluminato de cálcio, aumentando a densidade da camada de carvão. Estudos mostram que 2-3% de estearato de cálcio podem reduzir a Taxa de Liberação de Calor de Pico (PHRR) em 15% e melhorar a dispersão da carga.

• Compatibilidade do Processo: Mostra sinergia significativa com retardantes de chama de fósforo-nitrogênio (por exemplo, MPP). Pode substituir parte dos lubrificantes tradicionais em formulações sem halogênio sem afetar a classificação UL94 V-0 quando usado em 1-2%.

• Observação: O uso excessivo pode causar floração; recomenda-se o uso em combinação com lubrificantes internos (por exemplo, estearato de pentaeritritol).

1.3. Cera de Polietileno Oxidado (Cera OPE)

• Características: O teor de carbonila (1,5-3%) melhora a compatibilidade com retardantes de chama polares como o Hidróxido de Magnésio (MDH). A camada oxidada formada em altas temperaturas pode suprimir a combustão. Testes mostram que compostos de cabos com 1,5% de cera OPE mantêm um OI de 32%, 5 pontos a mais do que aqueles com cera PE padrão.

• Conselhos de Aplicação: Prefira graus de alto ponto de fusão (Ponto de Gota: 105-115°C) com pesos moleculares entre 8000-15000, adequados para processos de extrusão a 180-220°C.

• Graus Típicos: Honeywell A-C 629, Clariant Licowax OP.

1.4. Micropó de Politetrafluoroetileno (PTFE)

• Recursos de Retardância à Chama: O PTFE tem uma alta temperatura de decomposição (~500°C), produzindo apenas pequenas quantidades de CO₂ e HF durante a combustão. A camada de carvão formada impede o gotejamento por fusão. A adição de 0,5-1% de micropó de PTFE a PP retardante de chama pode reduzir a incidência de gotejamento por fusão de 70% para menos de 10%.

• Valor Específico: Adequado para cabos de baixa emissão de fumaça (por exemplo, trânsito ferroviário), onde seu coeficiente de atrito muito baixo (0,05-0,1) reduz o calor de atrito interfacial durante a extrusão em alta velocidade.

• Graus Típicos: DuPont Teflon® MP100, Daikin Polyflon® L-15.

2. Tipos de Lubrificantes que Exigem Cuidado

2.1. Ácidos Graxos (Ácido Esteárico/Ácido Oleico)

• Análise de Risco: O ácido esteárico (C18H36O2) tem um alto calor de combustão (42 MJ/kg, ~10% maior que o PE). Sua decomposição produz hidrocarbonetos de cadeia longa que podem promover a propagação da chama. A adição de mais de 0,5% pode fazer com que a classificação UL94 caia de V-0 para V-2.

• Alternativas: Substitua totalmente por estearato de cálcio ou use ácido hidroxisteárico de baixo peso molecular (por exemplo, ácido 12-hidroxisteárico), que tem 18% menos calor de combustão.

2.2. Amidas Padrão (EBS)

• Limitações: O EBS se decompõe acima de 300°C, gerando amônia e gases nitrílicos, que podem interferir no mecanismo de formação de carvão dos retardantes de chama à base de fósforo. Experimentos mostram que 1% de EBS pode aumentar o tempo de queima vertical em 2-3 segundos.

• Direção de Melhoria: Use EBS modificado com silano (por exemplo, Clariant Licowax EBS-S), onde os siloxanos liberados durante a combustão podem neutralizar parcialmente os efeitos negativos da decomposição da amida.

2.3. Ceras de Parafina (Parafina Líquida/Cera Microcristalina)

• Riscos de Combustão: Componentes voláteis da parafina tendem a migrar para a superfície, formando uma camada inflamável. Em testes de OI, a adição de 2% de parafina pode diminuir o valor de OI em 3-5 pontos.

• Alternativas: Use ceras Fischer-Tropsch de alto ponto de fusão (>90°C), que têm uma distribuição de peso molecular estreita, melhor estabilidade térmica do que a parafina e maior resíduo de carvão após a combustão.

3. Estratégia de Seleção e Otimização do Processo

3.1. Design Sinérgico com Retardantes de Chama

• Sinergia Fósforo-Silício: Quando os lubrificantes de silicone são combinados com fosfinato de alumínio, os siloxanos podem promover o enriquecimento superficial de retardantes de chama à base de fósforo, formando uma camada protetora composta de "Si-P-carvão", aumentando o OI para mais de 35%.

• Sinergia Sabão Metálico-Hidróxido: Em uma proporção em massa de 1:10 (estearato de cálcio:ATH), o aluminato de cálcio formado aumenta a resistência do carvão, aumentando o resíduo a 800°C de 22% para 28%.

3.2. Correspondência de Parâmetros de Processamento

• Controle de Temperatura: A temperatura ideal de processamento para lubrificantes de silicone é 180-200°C; evite exceder 220°C para evitar a quebra da ligação Si-O. Adicione sabões metálicos mais tarde no ciclo de mistura (130-150°C) para evitar a decomposição prematura.

• Processo de Dispersão: Para sistemas altamente carregados, use extrusoras de rosca dupla com alta cisalhamento (velocidade da rosca 300-400 rpm) para dispersão uniforme de lubrificantes e retardantes de chama. A pré-mistura de pó de silicone com ATH e a adição em duas etapas podem aumentar a resistência à tração em 12%.

3.3. Certificação e Validação de Testes

• Testes Básicos: Índice de Oxigênio (GB/T 2406.2) ≥32%; Queima Vertical (UL94) V-0; Densidade de Fumaça (GB/T 8323.2) Dm(4min) ≤75.

• Desempenho de Longo Prazo: Após o envelhecimento térmico (120°C×168h), a mudança na resistência à tração deve ser ≤±10%, e a mudança no alongamento na ruptura deve ser ≤±15%.

• Conformidade Ambiental: Prefira lubrificantes em conformidade com RoHS e REACH. Para cabos médicos, cumpra os padrões como USP Classe VI.

4. Exemplos Típicos de Formulação

4.1. Composto de Cabo de Poliolefina Retardante de Chama Sem Halogênio

• Formulação (partes em peso): EVA (VA 18%) 100, Hidróxido de Magnésio 120, Pó de Silicone 2, Estearato de Cálcio 1,5, Antioxidante 1010 0,5, Estabilizador de Luz 770 0,3.

• Propriedades: OI 37%, Resistência à Tração 11 MPa, Alongamento na Ruptura 160%, Encolhimento Térmico (120°C×24h) 0,8%.

4.2. Composto de Cabo de PVC de Alta Retardância à Chama

• Formulação (partes em peso): PVC 100, Trióxido de Antimônio 5, Retardante de Chama Éster Fosfato 20, Estearato de Cálcio 1,2, Cera OPE 1,0, Óleo de Soja Epoxidado 5.

• Propriedades: UL94 V-0, OI 34%, Resistividade Superficial >10^14 Ω·cm. Adequado para cabos de controle industrial.

5. Controle de Risco e Tendências da Indústria

• Estabilidade do Lote: Realize a Análise Termogravimétrica (TGA) em lotes de lubrificantes recebidos para garantir a temperatura inicial de decomposição >250°C e voláteis ≤0,5%.

• Validação Alternativa: Use um "método de substituição gradual" para substituir lubrificantes importados: comece com 30% de produto nacional, aumente gradualmente para 100% após a verificação do desempenho. Por exemplo, o pó de silicone da Yanshan Petrochemical substituiu com sucesso o Dow Corning DC-3200 em cabos fotovoltaicos.

• Sustentabilidade: Lubrificantes de base biológica (por exemplo, amidas à base de óleo de rícino) têm ~40% menos emissões de carbono do que os tradicionais, e o CO₂ liberado durante a combustão pode ser absorvido pelas plantas, alinhando-se com regulamentos como o CBAM da UE.

Conclusão

Lubrificantes à base de silicone, sabões metálicos, cera de polietileno oxidada e micropós de PTFE são as escolhas ideais para compostos de cabos que equilibram lubrificação e retardância à chama. A aplicação prática requer otimização com base no sistema retardante de chama específico, condições de processamento e requisitos de desempenho, validada por meio de testes em pequena escala para compatibilidade e desempenho de queima.