No complexo sistema de formulação de materiais de cabos de cloreto de polivinila (PVC), a quantidade de adição deborato de zinco(principalmente 2ZnO·3B₂O₃·3,5H₂O) não é um valor empírico isolado, mas um resultado de otimização do sistema determinado pela química sinérgica de supressão de fumaça do "cloro zinco boro", pelas metas de desempenho do produto final e pela relação custo-benefício abrangente. Este artigo partirá das propriedades intrínsecas de retardamento de chama do PVC, analisará profundamente o mecanismo único do borato de zinco em seu sistema e construirá uma lógica científica de tomada de decisão para a quantidade adicional.
O próprio PVC é um polímero com retardamento de chama intrínseco (teor de cloro ~ 56,7%), e seu mecanismo retardador de chama depende principalmente da reação em cadeia interrompida dos radicais livres de cloro na fase gasosa. No entanto, o PVC tem dois pontos principais durante a combustão:
1. Emissão maciça de fumaça: A combustão incompleta produz uma grande quantidade de partículas de carbono (fumaça preta espessa).
2. Libera gás corrosivo e tóxico de cloreto de hidrogênio (HCl).
Portanto, em materiais de cabos de PVC (especialmente do tipo sem halogênio com baixo teor de fumaça, LSZH-FR), o objetivo principal dos aditivos mudou de "melhorar o retardamento de chama" para "supressão eficiente de fumaça, reduzindo a liberação de HCl e melhorando a qualidade dos resíduos de combustão". O borato de zinco é um “sinergista funcional” projetado para resolver esses pontos problemáticos.
A eficácia do borato de zinco no PVC é determinada pela sua reação química com os produtos da pirólise do PVC, o que determina a sua faixa de concentração efetiva.
Reação química central - sinergia ternária "cloro zinco boro":
O PVC se decompõe e libera HCl quando aquecido. O HCl reage com o borato de zinco para produzir cloreto de zinco (ZnCl ₂) e oxicloreto de boro.
2ZnO·3B₂O₃·3,5H₂O + 22HCl → 2ZnCl₂ + 6BCl₃ + 14,5H₂O
（Posteriormente, ZnCl ₂ e BCl₃ serão posteriormente convertidos em compostos de cloro contendo oxigênio sob condições de alta temperatura e vapor de água）
·O efeito de carbonização catalítica do ZnCl ₂: O ZnCl ₂ gerado é um forte catalisador de ácido de Lewis. Pode catalisar fortemente as reações de reticulação, ciclização e aromatização da estrutura de polieno formada após a remoção de HCl no PVC, promovendo a formação de camadas de carbono expandido mais precoces, mais densas e de maior resistência. Uma densa camada de carbono pode:
1. Bloqueie fisicamente a transferência de calor e massa.
2. Capturar eficientemente as partículas de fuligem e fixá-las na fase condensada é a chave para alcançar a supressão da fumaça.
·O efeito de barreira de vidro das espécies de boro: O oxicloreto de boro formado durante a reação derrete em altas temperaturas, formando uma camada protetora vítrea cobrindo a superfície da camada de carbono, estabilizando ainda mais a camada de carbono, isolando o oxigênio e promovendo a oxidação da matéria orgânica na superfície da camada de carbono (reduzindo a fumaça preta).
Portanto, a quantidade deborato de zincoadicionado deve ser suficiente para garantir reação suficiente com o HCl liberado pelo PVC, gerando uma quantidade suficiente de ZnCl ₂ para construir uma rede de carvão catalítico eficaz.
Em antimônio tradicional contendo materiais de cabo retardadores de chama de PVC, o borato de zinco é frequentemente usado como um substituto parcial ou intensificador.
·Evolução do personagem:
·Substituição completa: Em fórmulas ecologicamente corretas que exigem total "livre de antimônio", o borato de zinco pode ser usado sozinho como sinérgico supressor de fumaça.
·Substituição parcial (tendência dominante): Para equilibrar desempenho e custo e responder aos requisitos de redução de antimônio, o borato de zinco é comumente usado para substituir 20% -50% de Sb₂O₃. Por exemplo, se a fórmula original usava 4 phr Sb₂O₃, ela pode ser ajustada para 2 phr Sb₂O₃+1,5-3 phr borato de zinco.
· Lógica colaborativa: o Sb₂O₃ melhora principalmente a eficiência do retardador de chama da fase gasosa, enquanto o borato de zinco fortalece a fase condensada para suprimir a formação de fumaça e carvão. A combinação dos dois consegue uma "prevenção tridimensional de incêndio" entre a fase gasosa e a fase condensada.
Este é o principal fator determinante que determina a quantidade de adição.
·Material padrão do cabo retardador de chama e supressor de fumaça:
·Objetivo: Atender aos padrões retardadores de chama, como UL 1581 VW-1/IEC 60332 e ter boa supressão de fumaça.
·Faixa de adição típica: 1-3 phr (partes por cem partes de resina de PVC).
· Materiais com baixo teor de fumaça e sem halogênio (LSZH) ou cabos com requisitos rigorosos de supressão de fumaça:
·Objetivo: Atender aos padrões de baixa emissão de fumaça, como IEC 61034/EN 50268-2, ou requisitos rigorosos em locais como metrôs, navios (como EN 45545-2), usinas nucleares, etc.
·Faixa de adição típica: 3-8 phr. A elevada quantidade de adição visa construir um sistema de barreira catalítica de carbonização e vitrificação extremamente potente, garantindo que a transmitância de fumaça atenda ao padrão em cenários de ventilação forçada ou incêndio em túneis.
·Sistema estabilizador de cálcio e zinco de alto enchimento:
·Ao usar uma grande quantidade de enchimentos, como carbonato de cálcio (CaCO₃), é necessário aumentar a quantidade de borato de zinco adicionado de forma adequada (como 2-5 phr) para compensar o "efeito de diluição" dos enchimentos no retardamento de chama e na supressão de fumaça.
·Composto com hidróxido de alumínio (ATH): Em formulações livres de halogênio, o ATH é o principal enchimento. O borato de zinco (2-5 phr) pode formar uma sinergia de temperatura com o efeito endotérmico de desidratação do ATH, exercendo efeitos de supressão de fumaça em uma faixa mais ampla de temperatura.
·Composto com compostos de molibdênio: O molibdato de cálcio/molibdato de zinco é um supressor de fumaça de alto nível. O borato de zinco pode ser combinado com ele a um custo menor (como uma proporção de 1:0,5-1) para alcançar eficiência sinérgica.
A adição de borato de zinco não é necessariamente melhor, e um ponto de equilíbrio precisa ser encontrado no seguinte “triângulo de desempenho”:
1. Efeito positivo (aumentado com o aumento da dosagem):
·Desempenho de supressão de fumaça (diminuição significativa na densidade da fumaça)
·Melhoria da resistência e qualidade do carbono residual
·Um certo grau de efeito sinérgico retardador de chama (o índice de oxigênio pode aumentar ligeiramente)
2. Efeito negativo (manifestado quando adicionado excessivamente):
·Fluidez de processamento reduzida: O borato de zinco é um pó inorgânico e a adição excessiva pode aumentar a viscosidade do fundido, afetando a velocidade de extrusão e a suavidade da superfície.
·Perda de propriedades mecânicas: O enchimento excessivo pode levar a uma diminuição da resistência à tração, especialmente do alongamento na ruptura.
·Impacto no desempenho elétrico: Traços de íons metálicos podem ter um impacto potencial na resistividade do volume e devem ser cuidadosamente avaliados para materiais de cabos de alta tensão.
·Aumento de custos.
Portanto, a "quantidade de adição ideal" é o ponto que tem o impacto menos abrangente na processabilidade, nas propriedades mecânicas e no custo, ao mesmo tempo que atende aos níveis alvo de supressão de fumaça e retardador de chama.
Recomenda-se usar as seguintes etapas para determinar a quantidade ideal de adição na fórmula específica:
1. Determinação de benchmark: Esclareça os padrões de aplicação final de materiais de cabos (nível retardador de chama, nível de densidade de fumaça, ambiente de uso).
2. Projeto do ponto de partida:
·Para materiais retardadores de chama e supressores de fumaça em geral: a partir de 1,5 phr.
·Para material LSZH: a partir de 3,5 phr.
·Se substituir Sb₂O₃: use 30% da massa de Sb₂O₃ como ponto de partida paraborato de zinco.
3. Projeto experimental: Usando o ponto de partida como mediana, projete um gradiente de adição (como ± 1,5 phr) para preparar uma série de amostras.
4. Principais testes de desempenho:
·Funções principais: Teste de densidade de fumaça (caixa NBS), índice de oxigênio, combustão vertical.
·Desempenho abrangente: resistência à tração e alongamento, taxa de fluxo de fusão (ou reologia capilar), resistividade de volume.
5. Análise e determinação de dados: Desenhe um gráfico de curva de adição de desempenho. Encontre a "área do ponto de inflexão" onde o desempenho da supressão de fumaça atinge a área da plataforma alvo, mas o processamento e as propriedades mecânicas ainda não diminuíram drasticamente, e esta área é a faixa ideal de quantidade de adição.
A quantidade de borato de zinco adicionada ao material do cabo de PVC é uma variável típica orientada para o desempenho. Um número simples (como 3 phr) não pode ser aplicado a todos os cenários.
A lógica de tomada de decisão científica é:
1. Acionado pelo mecanismo: Certifique-se de que a quantidade adicionada seja suficiente para iniciar uma reação de carvão catalítico "cloro zinco boro" eficaz.
2. Orientado por padrões: Determine o resultado final da demanda com base no rigor dos padrões de supressão de fumaça e retardador de chamas que o produto final deve passar.
3. Impulso colaborativo: No sistema complexo (com Sb₂O₃, ATH, etc.), o efeito sinérgico de "1+1>2" pode ser alcançado otimizando a proporção, o que pode reduzir a dosagem total.
4. Movimentação equilibrada: Com a premissa de atender aos requisitos funcionais, encontrar o ponto econômico ideal por meio de experimentos que minimizem o impacto no processamento e no desempenho da aplicação.
Portanto, para engenheiros de formulação de materiais de cabos, a verdadeira habilidade profissional não reside em lembrar uma proporção universal, mas em dominar os métodos do sistema acima, sendo capaz de calcular sob medida o esquema ideal de adição de borato de zinco para cada produto específico de material de cabo de PVC, equilibrando seu desempenho, custo e requisitos regulatórios.
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