Selección de Lubricantes con Mínimo Impacto en la Inflamabilidad en las Formulaciones de Compuestos para Cables

Selección de Lubricantes con Impacto Mínimo en la Inflamabilidad en las Formulaciones de Compuestos para Cables

Introducción

La selección de lubricantes en las formulaciones de compuestos para cables requiere una cuidadosa consideración de su impacto en la resistencia a la llama. Un lubricante óptimo debe proporcionar una excelente ayuda al procesamiento sin comprometer la resistencia al fuego del material. Este artículo describe recomendaciones basadas en la estructura química, la estabilidad térmica y los efectos sinérgicos con los sistemas retardantes de llama, basándose en las prácticas de la industria y los datos de investigación.

1. Tipos de Lubricantes Recomendados y Mecanismos

1.1. Lubricantes a base de silicona (Polvo/Aceite de Silicona)

• Ventajas Clave: La energía de enlace Si-O en las siliconas (452 kJ/mol) es significativamente mayor que la de los enlaces C-C (348 kJ/mol). A altas temperaturas, forman una densa capa protectora de sílice que inhibe la propagación de la llama. Por ejemplo, agregar 0.5-3% de la serie Javachem® GT (Zhejiang Jiahua) a compuestos de cable de poliolefina ignífugos libres de halógenos puede aumentar el Índice de Oxígeno (OI) a más del 37%, reducir la acumulación en la matriz y aumentar la velocidad de la línea en un 20%.

• Aplicación: Adecuado para compuestos de cable a base de EVA/PE, especialmente en sistemas altamente cargados (>60% de carga). Su naturaleza hidrofóbica reduce la absorción de humedad y mejora la resistencia a la intemperie.

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

1.2. Jabones Metálicos (Estearato de Calcio/Zinc)

• Mecanismo de Retardancia a la Llama: El estearato de calcio se descompone a 200-250°C, generando CaO y CO₂. El CaO puede reaccionar con el trihidróxido de aluminio (ATH) para formar aluminato de calcio, mejorando la densidad de la capa de carbón. Los estudios demuestran que el 2-3% de estearato de calcio puede reducir la Tasa de Liberación de Calor Pico (PHRR) en un 15% y mejorar la dispersión de la carga.

• Compatibilidad del Proceso: Muestra una sinergia significativa con los retardantes de llama de fósforo-nitrógeno (por ejemplo, MPP). Puede reemplazar parte de los lubricantes tradicionales en formulaciones libres de halógenos sin afectar la clasificación UL94 V-0 cuando se usa al 1-2%.

• Nota: El uso excesivo puede causar florecimiento; se recomienda usar en combinación con lubricantes internos (por ejemplo, estearato de pentaeritritol).

1.3. Cera de Polietileno Oxidado (Cera OPE)

• Características: El contenido de carbonilo (1.5-3%) mejora la compatibilidad con retardantes de llama polares como el hidróxido de magnesio (MDH). La capa oxidada formada a altas temperaturas puede suprimir la combustión. Las pruebas muestran que los compuestos de cable con 1.5% de cera OPE mantienen un OI de 32%, 5 puntos más alto que aquellos con cera PE estándar.

• Consejos de Aplicación: Prefiera grados de alto punto de fusión (Punto de Gota: 105-115°C) con pesos moleculares entre 8000-15000, adecuados para procesos de extrusión a 180-220°C.

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

1.4. Micropolvo de Politetrafluoroetileno (PTFE)

• Características de Retardancia a la Llama: El PTFE tiene una alta temperatura de descomposición (~500°C), produciendo solo trazas de CO₂ y HF al quemarse. La capa de carbón formada evita el goteo por fusión. Agregar 0.5-1% de micropolvo de PTFE a PP retardante de llama puede reducir la incidencia de goteo por fusión del 70% a menos del 10%.

• Valor Específico: Adecuado para cables de bajo humo (por ejemplo, tránsito ferroviario), donde su muy bajo coeficiente de fricción (0.05-0.1) reduce el calor de fricción interfacial durante la extrusión a alta velocidad.

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

2. Tipos de Lubricantes que Requieren Precaución

2.1. Ácidos Grasos (Ácido Esteárico/Ácido Oleico)

• Análisis de Riesgos: El ácido esteárico (C18H36O2) tiene un alto calor de combustión (42 MJ/kg, ~10% más alto que el PE). Su descomposición produce hidrocarburos de cadena larga que pueden promover la propagación de la llama. Agregar más del 0.5% puede hacer que la clasificación UL94 baje de V-0 a V-2.

• Alternativas: Reemplazar completamente con estearato de calcio o usar ácido hidroxisteárico de bajo peso molecular (por ejemplo, ácido 12-hidroxisteárico), que tiene un 18% menos de calor de combustión.

2.2. Amidas Estándar (EBS)

• Limitaciones: El EBS se descompone por encima de 300°C, generando amoníaco y gases nitrilo, que pueden interferir con el mecanismo de formación de carbón de los retardantes de llama a base de fósforo. Los experimentos muestran que el 1% de EBS puede aumentar el tiempo de combustión vertical en 2-3 segundos.

• Dirección de Mejora: Use EBS modificado con silano (por ejemplo, Clariant Licowax EBS-S), donde los siloxanos liberados durante la combustión pueden contrarrestar parcialmente los efectos negativos de la descomposición de la amida.

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

• Riesgos de Combustión: Los componentes volátiles de la parafina tienden a migrar a la superficie, formando una capa inflamable. En las pruebas de OI, agregar 2% de parafina puede disminuir el valor de OI en 3-5 puntos.

• Alternativas: Use ceras Fischer-Tropsch de alto punto de fusión (>90°C), que tienen una distribución de peso molecular estrecha, mejor estabilidad térmica que la parafina y mayor residuo de carbón al quemarse.

3. Estrategia de Selección y Optimización del Proceso

3.1. Diseño Sinérgico con Retardantes de Llama

• Sinergia Fósforo-Silicio: Cuando los lubricantes de silicona se combinan con fosfinato de aluminio, los siloxanos pueden promover el enriquecimiento superficial de los retardantes de llama a base de fósforo, formando una capa protectora compuesta de "Si-P-carbón", aumentando el OI a más del 35%.

• Sinergia Jabón Metálico-Hidróxido: A una proporción en masa de 1:10 (estearato de calcio:ATH), el aluminato de calcio formado mejora la resistencia del carbón, aumentando el residuo a 800°C del 22% al 28%.

3.2. Coincidencia de Parámetros de Procesamiento

• Control de Temperatura: La temperatura de procesamiento óptima para los lubricantes de silicona es de 180-200°C; evite exceder los 220°C para evitar la rotura del enlace Si-O. Agregue jabones metálicos más tarde en el ciclo de mezcla (130-150°C) para evitar la descomposición prematura.

• Proceso de Dispersión: Para sistemas altamente cargados, use extrusoras de doble husillo con alto cizallamiento (velocidad del husillo 300-400 rpm) para una dispersión uniforme de lubricantes y retardantes de llama. La premezcla de polvo de silicona con ATH y la adición en dos pasos pueden aumentar la resistencia a la tracción en un 12%.

3.3. Certificación y Validación de Pruebas

• Pruebas Básicas: Índice de Oxígeno (GB/T 2406.2) ≥32%; Combustión Vertical (UL94) V-0; Densidad de Humo (GB/T 8323.2) Dm(4min) ≤75.

• Rendimiento a Largo Plazo: Después del envejecimiento térmico (120°C×168h), el cambio en la resistencia a la tracción debe ser ≤±10%, y el cambio en el alargamiento a la rotura debe ser ≤±15%.

• Cumplimiento Ambiental: Prefiera lubricantes que cumplan con RoHS y REACH. Para cables médicos, cumpla con estándares como USP Clase VI.

4. Ejemplos de Formulación Típicos

4.1. Compuesto de Cable de Poliolefina Ignífugo Libre de Halógenos

• Formulación (partes en peso): EVA (VA 18%) 100, Hidróxido de Magnesio 120, Polvo de Silicona 2, Estearato de Calcio 1.5, Antioxidante 1010 0.5, Estabilizador de Luz 770 0.3.

• Propiedades: OI 37%, Resistencia a la Tracción 11 MPa, Alargamiento a la Rotura 160%, Contracción por Calor (120°C×24h) 0.8%.

4.2. Compuesto de Cable de PVC de Alta Resistencia a la Llama

• Formulación (partes en peso): PVC 100, Trióxido de Antimonio 5, Retardante de Llama Éster Fosfórico 20, Estearato de Calcio 1.2, Cera OPE 1.0, Aceite de Soja Epoxidado 5.

• Propiedades: UL94 V-0, OI 34%, Resistividad Superficial >10^14 Ω·cm. Adecuado para cables de control industrial.

5. Control de Riesgos y Tendencias de la Industria

• Estabilidad del Lote: Realice un Análisis Termogravimétrico (TGA) en los lotes de lubricantes entrantes para asegurar una temperatura de descomposición inicial >250°C y volátiles ≤0.5%.

• Validación Alternativa: Use un "método de reemplazo gradual" para sustituir los lubricantes importados: comience con el 30% de producto nacional, aumente gradualmente al 100% después de la verificación del rendimiento. Por ejemplo, el polvo de silicona de Yanshan Petrochemical ha reemplazado con éxito al Dow Corning DC-3200 en cables fotovoltaicos.

• Sostenibilidad: Los lubricantes de base biológica (por ejemplo, amidas a base de aceite de ricino) tienen ~40% menos emisiones de carbono que los tradicionales, y el CO₂ liberado durante la combustión puede ser absorbido por las plantas, lo que se alinea con regulaciones como el CBAM de la UE.

Conclusión

Los lubricantes a base de silicona, los jabones metálicos, la cera de polietileno oxidada y los micropolvos de PTFE son opciones ideales para compuestos de cable que equilibran la lubricación y la resistencia a la llama. La aplicación práctica requiere optimización basada en el sistema retardante de llama específico, las condiciones de procesamiento y los requisitos de rendimiento, validados a través de pruebas a pequeña escala para la compatibilidad y el rendimiento de la combustión.