Кабельные безгалогенные полимерные композиции
Безгалогенные полимерные композиции предназначены для изготовления защитных оболочек и изоляции кабелей исполнения «нг (А) – HF» или «нг (А) – FRHF», эксплуатирующихся в условиях повышенной пожарной опасности. Материал Lekron HFK-44 применяется для заполнения междужильного пространства кабелей, отвечающих классу пожарной опасности не ниже П1б.8.1.2.2. (для кабелей без огнестойкого исполнения) и П1б.7.1.2.2. (для кабелей в огнестойком исполнении) по ГОСТ Р 53315 – 2009 (ГОСТ 31565-2012), вследствие чего их применение в составе кабельных изделий не противоречит обязательным требованиям действующих стандартов.
Представленные на рынке современные безгалогенные негорючие материалы в большинстве случаев базируются на использовании в качестве антипирена гидроксида алюминия, что создает определенные сложности при переработке таких материалов, поскольку разложение антипирена начинается при относительно невысокой температуре. Это свойство существенно ограничивает скоростные режимы переработки материалов вследствие их высокого саморазогрева.
Преимуществом безгалогенных полимерных материалов Lekron по сравнению с материалами аналогичного назначения является то, что в качестве антипирена в материалах применяется гидроксид магния, более термостойкий и обладающий большей энергией разложения по сравнению с гидроксидом алюминия. Это позволяет нашим специалистам вести переработку материала на более высоких скоростях.
Для повышения скорости экструзии и снижения саморазогрева материала в состав безгалогенных материалов марки Lekron дополнительно введена кремнийорганическая полимерная добавка, облегчающая переработку материалов.
Общее описание
Композиции предназначены для изолирования, заполнения междужильного пространства, а также наложения защитных покровов кабелей, эксплуатирующихся в условиях одиночной или групповой прокладки во внутренних электроустановках, а также в зданиях и сооружениях с массовым пребыванием людей.
Композиции предназначены для кабелей, эксплуатирующихся в диапазоне температур от минус 40 до плюс 70 °С.
Безгалогенная полимерная негорючая кабельная композиция
Изобретение относится к кабельной технике, а именно к материалам для изолирования, наложения защитных покровов кабелей, эксплуатирующихся в условиях одиночной или групповой прокладки во внутренних электроустановках, а также в зданиях и сооружениях с массовым пребыванием людей. Полимерная негорючая кабельная композиция в виде гранул, содержащих 15-25 мас.% этиленвинилацетата с содержанием винилацетата 28% и с показателем текучести расплава 3-5, 6-10 мас.% металлоценового полиэтилена с показателем текучести расплава 3-5 и плотностью 0,91-0,92 г/см 3 , 2-6 мас.% модифицированного линейного полиэтилена LLDPE-g-MA, 15-40 мас.% мелкодисперсного гидроксида алюминия или мелкодисперсного гидроксида магния или их смеси, 20-50 мас.% мелкодисперсного кальцита, 1-2 мас.% силиконового масла, 0,2-0,5 мас.% стабилизатора, 0,2-0,6 мас.% антиоксиданта. Изобретение позволяет создать однородную по химическому и морфологическому составу композицию с постоянными физико-химическими свойствами и стабильной воспроизводимостью. 2 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к кабельной технике, а именно к материалам для изолирования, наложения защитных покровов кабелей, эксплуатирующихся в условиях одиночной или групповой прокладки во внутренних электроустановках, а также в зданиях и сооружениях с массовым пребыванием людей. Предлагаемая безгалогенная полимерная негорючая кабельная композиция (Далее — композиция), представляет собой термопластичный материал, который выпускается в виде гранул.
Из уровня техники известны следующие решения.
Известна безгалогенная полимерная негорючая кабельная композиция, содержащая 50-60% гидроксида алюминия; 10-15% сополимера этиленвинилацетата, 10-15% металлоценового полиэтилена, 10-15% полиола полиэстера привитого винилового полимера, 1-5% малеинового ангидрида привитого аморфического полиолефина, 1-5% термопластикового эластомера полиолефина; 0,2-1% антиоксиданта (патент Китая №108864640, дата публикации: 23.11.2018).
Также известна безгалогенная полимерная негорючая кабельная композиция, имеющая следующий количественный и качественный состав, базовый компонент которой включает 14-20% линейный полиэтилен низкой плотности (LLDPE), 18-25% этиленвинилацетат (EVA); 44-50% гидроксида алюминия (III) (АТН) в качестве основного антипирена (также может использоваться 18-25% гидроксида магния в качестве вторичного антипирена), 0,5-1% антиоксиданта, 2-4% силикона, связующий агент — остальное (международная публикация заявки: WO 2018056916 А1, дата публикации: 29.03.2018).
Наиболее близким аналогом патентуемого решения является полимерный негорючий кабельный безгалогенный материал, включающий 20-40% этиленвинилацетатного сополимера, 10-25% этиленакрилатного сополимера, 5-10% смазки, 1-5% антиоксиданта, 2-6% жаропрочного агента, 3-7% наполнителя для эластичности и 3-8% антипиренов (патент Китая №106397946, дата публикации: 15.02.2017).
Недостатком известных решений является применение дорогостоящих веществ-совместителей, как то: полиола полиэстера привитого винилового полимера и этиленакрилатного сополимера (патент Китая 108864640, патент Китая 106397946). Безгалогенная полимерная негорючая кабельная композиция (международная публикация заявки: WO 2018056916 А1, дата публикации: 29.03.2018) не является свободно воспроизводимой в силу своего химического состава.
Техническая проблема состоит в создании композиции, которая была бы однородна по своему химическому и морфологическому составу и обеспечивала бы достаточную прочность готовому кабельному изделию.
Поставленная задача решается:
1) в сравнении с патентами Китая заменой применения полиола полиэстера привитого винилового полимера и этиленакрилатного сополимера на модифицированный линейный полиэтилен LLDPE-g-MA.
2) в сравнении с материалом, описанным в патентной заявке WO 2018056916 А1, заменой смазок, силиконового масла, стабилизаторов и антиоксидантов (смазочно-стабилизирующего комплекса).
Технический результат патентуемого изобретения заключается в создании однородной по химическому и морфологическому составу композиции с постоянными физико-химическими свойствами и стабильной воспроизводимостью.
Заявленный технический результат обеспечивается за счет состава безгалогенной полимерной негорючей кабельной композиции, представляющей собой термопластичный материал в виде гранул, содержащих, в мас%:
| Этиленвинилацетат с содержанием винилацетата 28% и с | 15-25 |
| показателем текучести расплава 3-5 | |
| Металлоценовый полиэтилен с показателем текучести расплава | 6-10 |
| 3-5 и плотностью 0,91-0,92 г/см 3 | |
| Модифицированный линейный полиэтилен LLDPE-g-MA | 2-6 |
| Мелкодисперсный гидроксид алюминия или мелкодисперсный | 15-40 |
| гидооксид магния или их смесь | |
| Мелкодисперсный кальцит | 20-50 |
| Силиконовое масло | 1-2 |
| Стабилизатор | 0,2-0,5 |
| Антиоксидант | 0,2-0,6 |
| Смазка | до 0,2 |
| Пигмент минеральный | 0,25-1. |
В данной композиции этиленвинилацетат с данным содержанием винилацетата и с таким показателем текучести расплава обеспечивает лучшую наполняемость всей системы минеральными наполнителями.
Металлоценовый полиэтилен обеспечивает высокую прочность материала в готовом кабельно-проводниковом изделии.
Модифицированный линейный полиэтилен LLDPE-g-MA обеспечивает однородность расплава полимеров и их высокую совместимость с минеральными наполнителями.
Мелкодисперсный гидроксид алюминия, или мелкодисперсный гидроксид магния, или их смесь являются антипиренами и обеспечивают необходимую негорючесть системы. Смесь может содержать любое относительное содержание компонентов.
Мелкодисперсный кальцит выступает в качестве модификатора перерабатываемости минеральных наполнителей. В данной композиции может быть использован мелкодисперсный кальцит в виде мела или микромрамора.
Установлено, что ввод в рецептуру 2-6% модифицированного линейного пoлиэтилeнa LLDPE-g-MA coвмecтнo с металлоценовым полиэтиленом приводит к обеспечению необходимой прочности и необходимого уровня наполняемости минеральным наполнителем системы, что ведет к получению стабильного состава композиции и ее удешевлению.
Силиконовое масло представляет из себя привитой полидиметилсилоксан с вязкостью в пределах от 200 до 1000000 мм 2 /с.
Смазка играет роль вещества, обеспечивающего требуемые реологические свойства готовой композиции. В качестве смазки вводятся вещества, которые при нагревании полимера до температуры плавления равномерно распространяются по всему объему расплава полимера, влияя на текучесть. В данном случае это смесь стеаратов металлов и полиэтиленовых восков.
Приготовление композиции осуществляют следующим образом.
Сыпучие компоненты последовательно подаются в высокоскоростной смеситель, снабженный контуром охлаждения, для избегания точечных температур около 300+-5°С, т.к при данной температуре наступает частичное термическое разложение антипиренов. Смешение зависит от типа смесителя и продолжается до тех пор, пока не будет получено равномерное распределение смазочно-стабилизационного комплекса в смеси. По достижении равномерного распределения, смесь подается в компаундирующий экструдер, из которого затем подается в экструдер-гранулятор.
Для получения заявленной композиции применяют следующие марки компонентов:
— гидроксид алюминия химически осажденный («1-2»): Martinal-104 LEO,Aluprem TGR-2, Apyral 40 CD, Alolt-60 DLS;
— гидроксид алюминия («7-10»): SibelcoPortaflame SG25, Тригал A-05P, Тригал A-05H;
— стабилизатор «791»: Tinuvin 791,Richvin 791;
— антиоксидант «1024»: Richnox MD-1024, Evernox MD-1024, Irganox 1024, Chinox 1024;
— антиоксидант «1010»: Richnox 1010P, Evernox 10, Irganox 1010, Chinox 1010;
— антиоксидант «DSTDP»: Chinox DSTDP, Irganox DSTDP, Richnox DSTDP, Evernox DSTDP, Songnox DSTDP;
— антиоксидант «168»: Richfos 168P, Exerfos 168, Irgafos 168, Chinox 168, Ethanox 368;
— антиоксидант «1076»: Richnox 1076, Evernox 76.
Примеры осуществления изобретения.
В высокоскоростной смеситель было загружено:
| Этиленвинилацетат с содержанием винилацетата 28% и с | 15 |
| показателем текучести расплава 3-5 | |
| Металлоценовый полиэтилен с показателем текучести расплава | 6 |
| 3-5 и плотностью 0,91-0,92 г/см 3 | |
| Модифицированный линейный полиэтилен LLDPE-g-MA | 2 |
| Мелкодисперсный гидроксид алюминия | 40 |
| Мелкодисперсный мел | 33,45 |
| Силиконовое масло | 2 |
| Стабилизатор | 0,5 |
| Антиоксидант | 0,6 |
| Смазка | 0,2 |
| Пигмент минеральный в виде углерода технического | 0,25. |
В результате был получен материал с прочностью 12 МПа. Прочность данного материала соответствует необходимым предельным минимальным значениям установленных нормативом параметров, что обусловлено высоким содержанием в данной рецептуре гидроксида алюминия и минимальной концентрацией металлоценового полиэтилена.
В высокоскоростной смеситель было загружено:
| Этиленвинилацетат с содержанием винилацетата 28% и с | 15 |
| показателем текучести расплава 3-5 | |
| Металлоценовый полиэтилен с показателем текучести расплава | 8 |
| 3-5 и плотностью 0,91-0,92 г/см 3 | |
| Модифицированный линейный полиэтилен LLDPE-g-MA | 2 |
| Мелкодисперсный гидроксид алюминия | 30 |
| Мелкодисперсный гидроксид магния | 10 |
| Мелкодисперсный мел | 31,45 |
| Силиконовое масло | 2 |
| Стабилизатор | 0,5 |
| Антиоксидант | 0,6 |
| Смазка | 0,2 |
| Пигмент минеральный в виде углерода технического | 0,25. |
В результате был получен материал с прочностью 15 МПа. Прочность данного материала соответствует необходимым средним значениям установленных нормативом параметров, что обусловлено применением смеси антипирренов содержащей гидроксид алюминия и гидроксид магния и увеличенной концентрацией металлоценового полиэтилена.
1. Полимерная негорючая кабельная композиция в виде гранул, содержащих, мас.%:
| Этиленвинилацетат с содержанием винилацетата | |
| 28% и с показателем текучести расплава 3-5 | 15-25 |
| Металлоценовый полиэтилен с показателем | |
| текучести расплава 3-5 и плотностью 0,91-0,92 г/см 3 | 6-10 |
| Модифицированный линейный полиэтилен LLDPE-g-МА | 2-6 |
| Мелкодисперсный гидроксид алюминия или | |
| мелкодисперсный гидроксид магния или их смесь | 15-40 |
| Мелкодисперсный кальцит | 20-50 |
| Силиконовое масло | 1-2 |
| Стабилизатор | 0,2-0,5 |
| Антиоксидант | 0,2-0,6 |
| Пигмент минеральный | 0,25-1 |
2. Полимерная негорючая кабельная композиция по п. 1, характеризующаяся тем, что силиконовое масло представляет из себя привитой полидиметилсилоксан с вязкостью в пределах от 200 до 1000000 мм 2 /с.
3. Полимерная негорючая кабельная композиция по п. 1, характеризующаяся тем, что содержит до 0,2 мас.% смазки, представляющей собой смесь стеаратов металлов и полиэтиленовых восков.
Безгалогеновый кабель и его применение
Современный уровень развития технологий привел к тому, что любое жилое или общественное помещение, цех промышленного предприятия или офис буквально окутаны проводами. По ним поступает электрический ток к оборудованию и приборам, сигналы телефонных станций, передаются электронные данные. Все используемые кабели имеют надежную изоляцию, основная ее часть которой создана из поливинилхлорида и других пластмасс, содержащих галогены.
Негативное влияние на человека галогенсодержащих пластиков в нормальных условиях не отмечено. Однако при пожарах именно они становятся причиной отравлений, так как разлагаясь выделяют комплекс летучих вредных веществ. Кроме этого – они поддерживают процесс горения, способствуя распространению пламени. Именно по этой причине рекомендуют использовать безгалогеновый кабель, в состав которого не входит хлор или бром.
Сферы применения безгалогенового кабеля
В соответствии с требованиями пожарной безопасности эта продукция применяется при прокладке в детских садах, школах, больницах и для кабельных линий зрелищных комплексов и спортивных сооружений. Кроме этого ее обязательно используют:
- в системах электроснабжения линий метрополитена;
- для прокладки систем пожарной сигнализации;
- в помещениях с высокой пожарной опасностью;
- для прокладки систем оповещения о чрезвычайных ситуациях;
- в помещениях с большим количеством электрооборудования и компьютерной техники.
Разнообразие сфер применения стало причиной, что безгалогеновый кабель различается не только по показателям пожарной безопасности, но и по другим критериям. Так, для передачи электроэнергии и ее распределения широко используется медный кабель ППГнг-HF. Аббревиатура нг-HF говорит о том, что данный тип изделий не выделяет активных галогенов при горении и не распространяет пламя при групповой прокладке. Последнее важно при прокладке кабеля в местах с большим количеством проводки.
Кабель ППГнг-FRHF обладает всеми вышеперечисленными свойствам, но при этом является огнестойким. Это является причиной того, что его рекомендуют для систем пожарных сигнализаций, аварийного электропитания в больницах и на других ответственных объектах. Кабель ППГнг-FRHF применяют при монтаже систем удаления дыма, насосов систем тушения пожара, эвакуационных лифтов.
Также в местах повышенного скопления людей, наряду с силовым безгалогенным кабелем ППГнг-HF, применяется телефонные безгалогеновые кабели марок ТБбПнг(А)-HF и ТПБбПнг(А)-HF.
Особенности безгалогеновых кабелей
При пожаре поливинилхлорид разлагается с образованием хлора, соляной кислоты. Эти вещества опасны для человека и конструкции, так как в последнем случае усиливают темпы коррозии в несколько раз. В состав безгалогеновой изоляции входят антипирены, при повышении температуры они начинают разлагаться с образованием воды. Это препятствует распространению пламени, способствует его самозатуханию. Кроме этого в состав изоляции входят вещества, в процессе горения которых не выделяется большое количество дыма.
При конструировании кабелей большое внимание уделяется не только их изоляции, но и внутреннему наполнению. Активно используют термические барьеры, экранирование металлом, компаунды с низким дымообразованием. Все это позволяет обеспечить высокий уровень пожарной безопасности кабельных трасс в соответствие с самыми высокими современными требованиями.
Безгалогенные кабельные композиции на основе полиолефинов соответствуют пониженной пожароопасности: плюсы и минусы
Традиционно для изоляции и оболочек кабельных изделий в наиболее значительных объёмах применяются композиции на основе поливинилхлорида (ПВХ) и полиолефинов (ПО), в основном, полиэтилена (ПЭ), как конкретного представителя этого класса полимеров. В течение долгого времени считалось аксиомой, что там, где требуется повышенная пожаробезопасность, необходимо использовать композиции на основе ПВХ, которые уже по своей природе обладают меньшей горючестью по сравнению с композициями на основе полиэтилена. Проводимые в своё время работы по снижению горючести композиций на основе ПЭ не обеспечивали того уровня, который был, достигнут разработчиками кабельных ПВХ композиций.
Однако, в последнее время помимо требований снижения горючести, остро был поставлен вопрос и по другим аспектам проблемы пожаробезопасности: токсичности летучих продуктов горения, дымообразующей способности в условиях пожара, их коррозионной активности. В связи с этим, примерно три десятилетия тому назад появилось активно рекламируемое направление работ по созданию, так называемых, безгалогенных кабельных композиций на основе полиолефинов, которые должны были бы соответствовать по уровню негорючести композициям на основе ПВХ и, в то же время имели бы преимущества по остальным показателям пожаробезопасности.
Появившемуся новому классу кабельных композиций был присвоен целый ряд логотипов-синонимов, однако в отечественной практике обычно используют следующие логотипы: «HF» или «нг-HF», что означает безгалогенный негорючий компаунд. При горении кабелей с ПВХ композициями выделяются в большом количестве черный дым и токсичные летучие продукты, включая СО и хлористый водород, который обладает резким раздражающим запахом, а пары с водой образуют соляную кислоту с высокой коррозионной активностью.
Понятие безгалогенный или «ноль галогенов” становится символом трудной горючести, малодымности, малой токсичности летучих продуктов горения, отсутствия в летучих продуктах токсичного, коррозионно-активного и раздражающего дыхание газа — хлористого водорода и других галоидоводородов.
Одним словом, заявлено, что для пожароопасных условий применение безгалогенных композиций и кабелей с их использованием более предпочтительно по сравнению с ПВХ композициями и кабелями на их основе. Изучение литературных источников по вопросам пожаробезопасности различных кабельных полимерных композиций показывает, что преимущества безгалогенных композиций выглядят не такими уж бесспорными.
По всем показателям пожаробезопасности, от которых зависит склонность к загоранию, самостоятельному горению и дальнейшему распространению пламени, безусловное преимущество по пожаробезопасности было у образцов на основе ПВХ по сравнению с безгалогенными композициями.
На кабельных изделиях было показано, что тепловыделение при горении кабелей с безгалогенными композициями в 2-5 раз выше, чем у кабелей с антипирированными ПВХ композициями, что ещё раз убедительно подтверждает более низкий уровень пожаробезопасности кабелей на основе полиолефинов.
Фирма Драка-NKT в 1992-1995 г.г. провела исследование 16-ти промышленных безгалогенных компаундов с целью выбора оптимального материала для оболочек силовых и оптических кабелей. Для сравнения использовался серийный ПВХ компаунд.
Это исследование косвенно говорит о тех проблемах, с которыми сталкиваются разработчики безгалогенных компаундов: низкая степень негорючести, низкая технологичность, высокая цена и другие недостатки, которые не устранены и до настоящего времени. Указывается на возможность выделения в условиях пожара из полиолефиновых компаундов таких высокотоксичных летучих продуктов как акролеин и формальдегид.
Кабели с использованием безгалогенных компаундов по нераспрстранению горения кабелей при пучковой прокладке могут обеспечить требования МЭК 332-3 лишь по категории С, т.е. по самой низкой категории. Более того, изготовители безгалогенных кабелей признают тот факт, что при их переработке возможно выделение части гидратированной воды из применяемых антипиренов, в результате они могут не соответствовать заявленным требованиям по нераспространению горения и должны быть признанными дефектными, однако методы обнаружения данного дефекта не разработаны.