Dans le système de formulation complexe des matériaux de câbles en polychlorure de vinyle (PVC), la quantité ajoutée deborate de zinc(principalement 2ZnO·3B₂O₃·3,5H₂O) n'est pas une valeur empirique isolée, mais un résultat d'optimisation du système déterminé par la chimie synergique de suppression de fumée du « chlore zinc bore », les objectifs de performance du produit final et la rentabilité globale. Cet article partira des propriétés ignifuges intrinsèques du PVC, analysera en profondeur le mécanisme unique du borate de zinc dans son système et construira une logique de prise de décision scientifique pour la quantité ajoutée.
Le PVC lui-même est un polymère doté d'un caractère ignifuge intrinsèque (teneur en chlore ~ 56,7 %) et son mécanisme ignifuge repose principalement sur la réaction en chaîne interrompue des radicaux libres de chlore en phase gazeuse. Cependant, le PVC présente deux problèmes majeurs lors de la combustion :
1. Émission massive de fumée : Une combustion incomplète produit une grande quantité de particules de carbone (fumée noire épaisse).
2. Libérez du gaz corrosif et toxique de chlorure d'hydrogène (HCl).
Par conséquent, dans les matériaux de câbles en PVC (en particulier le type sans halogène à faible fumée, LSZH-FR), l'objectif principal des additifs est passé de « l'amélioration du retardateur de flamme » à « une suppression efficace des fumées, une réduction des émissions de HCl et une amélioration de la qualité des résidus de combustion ». Le borate de zinc est un « synergiste fonctionnel » conçu pour résoudre ces problèmes.
L'efficacité du borate de zinc dans le PVC est déterminée par sa réaction chimique avec les produits de pyrolyse du PVC, qui détermine sa plage de concentrations efficace.
Réaction chimique de base - synergie ternaire « chlore zinc bore » :
Le PVC se décompose et libère du HCl lorsqu'il est chauffé. HCl réagit avec le borate de zinc pour produire du chlorure de zinc (ZnCl ₂) et de l'oxychlorure de bore.
2ZnO·3B₂O₃·3,5H₂O + 22HCl → 2ZnCl₂ + 6BCl₃ + 14,5H₂O
（Par la suite, ZnCl ₂ et BCl₃ seront davantage convertis en composés chlorés contenant de l'oxygène dans des conditions de température et de vapeur d'eau élevées.)
·L'effet de carbonisation catalytique du ZnCl ₂ : Le ZnCl ₂ généré est un catalyseur acide de Lewis puissant. Il peut fortement catalyser les réactions de réticulation, de cyclisation et d'aromatisation de la structure polyénique formée après l'élimination du HCl dans le PVC, favorisant ainsi la formation de couches de carbone expansé plus précoces, plus denses et plus résistantes. Une couche de carbone dense peut :
1. Bloquer physiquement le transfert de chaleur et de masse.
2. Capturer efficacement les particules de suie et les fixer dans la phase condensée est la clé pour parvenir à la suppression de la fumée.
·L'effet barrière de verre des espèces de bore : L'oxychlorure de bore formé lors de la réaction fond à haute température, formant une couche protectrice vitreuse recouvrant la surface de la couche de carbone, stabilisant davantage la couche de carbone, isolant l'oxygène et favorisant l'oxydation de la matière organique à la surface de la couche de carbone (réduction de la fumée noire).
Par conséquent, le montant deborate de zincajouté doit être suffisant pour assurer une réaction suffisante avec le HCl libéré par le PVC, générant une quantité suffisante de ZnCl ₂ pour construire un réseau de charbon catalytique efficace.
Dans les matériaux de câbles ignifuges en PVC traditionnels contenant de l'antimoine, le borate de zinc est souvent utilisé comme substitut partiel ou comme activateur.
·Évolution du personnage :
·Substitution complète : dans les formules respectueuses de l'environnement qui nécessitent un "sans antimoine" complet, le borate de zinc peut être utilisé seul comme synergiste anti-fumée.
·Substitution partielle (tendance dominante) : Afin d'équilibrer les performances et les coûts, et de répondre aux exigences de réduction de l'antimoine, le borate de zinc est couramment utilisé pour remplacer 20 % à 50 % de Sb₂O₃. Par exemple, si la formule originale utilisait 4 phr de Sb₂O₃, elle peut être ajustée à 2 phr de Sb₂O₃ + 1,5 à 3 phr de borate de zinc.
·Logique collaborative : Sb₂O₃ améliore principalement l'efficacité ignifuge de la phase gazeuse, tandis que le borate de zinc renforce la phase condensée pour supprimer la formation de fumée et de charbon. La combinaison des deux permet d'obtenir une « prévention incendie tridimensionnelle » entre la phase gazeuse et la phase condensée.
Il s’agit du principal facteur déterminant qui détermine le montant de l’ajout.
·Matériau standard du câble ignifuge et anti-fumée :
·Objectif : Répondre aux normes ignifuges telles que UL 1581 VW-1/IEC 60332 et avoir une bonne suppression de la fumée.
·Plage d'addition typique : 1 à 3 phr (parties pour cent parties de résine PVC).
·Matériaux à faible dégagement de fumée sans halogène (LSZH) ou câbles avec exigences strictes en matière de suppression de fumée :
·Objectif : Répondre aux normes à faible dégagement de fumée telles que CEI 61034/EN 50268-2, ou aux exigences strictes dans des endroits tels que les métros, les navires (comme EN 45545-2), les centrales nucléaires, etc.
·Plage d'addition typique : 3-8 phr. La quantité ajoutée élevée vise à construire un système de barrière de carbonisation et de vitrification catalytique extrêmement puissant, garantissant que le coefficient de transmission de la fumée répond à la norme dans les scénarios de ventilation forcée ou d'incendie de tunnel.
·Système stabilisant calcium-zinc à haut remplissage :
·Lors de l'utilisation d'une grande quantité de charges telles que le carbonate de calcium (CaCO₃), il est nécessaire d'augmenter la quantité de borate de zinc ajoutée de manière appropriée (par exemple 2 à 5 phr) pour compenser « l'effet de dilution » des charges sur l'ignifugation et la suppression des fumées.
·Composé avec de l'hydroxyde d'aluminium (ATH) : Dans les formulations sans halogène, l'ATH est la charge principale. Le borate de zinc (2-5 phr) peut former une synergie de température avec l'effet endothermique de déshydratation de l'ATH, exerçant des effets de suppression de fumée sur une plage de températures plus large.
·Composé avec des composés de molybdène : le molybdate de calcium/molybdate de zinc est un abat-fumée de haut niveau. Le borate de zinc peut y être combiné à moindre coût (par exemple dans un rapport de 1 : 0,5-1) pour obtenir une efficacité synergique.
L’ajout de borate de zinc n’est pas forcément meilleur, et il faut trouver un point d’équilibre dans le « triangle de performance » suivant :
1. Effet positif (amélioré avec l’augmentation du dosage) :
· Performance de suppression de fumée (diminution significative de la densité de la fumée)
·Amélioration de la résistance et de la qualité du carbone résiduel
·Un certain degré d'effet synergique ignifuge (l'indice d'oxygène peut légèrement augmenter)
2. Effet négatif (se manifestant lorsqu'il est ajouté de manière excessive) :
· Fluidité de traitement réduite : le borate de zinc est une poudre inorganique et un ajout excessif peut augmenter la viscosité de la fusion, affectant la vitesse d'extrusion et la douceur de la surface.
·Perte des propriétés mécaniques : Un remplissage excessif peut entraîner une diminution de la résistance à la traction, notamment l'allongement à la rupture.
·Impact sur les performances électriques : les ions métalliques traces peuvent avoir un impact potentiel sur la résistivité volumique et doivent être soigneusement évalués pour les matériaux des câbles haute tension.
·Augmentation des coûts.
Par conséquent, la « quantité d’ajout optimale » est le point qui a le moins d’impact sur l’aptitude au traitement, les propriétés mécaniques et le coût tout en respectant les niveaux cibles de suppression de fumée et d’ignifugation.
Il est recommandé de suivre les étapes suivantes pour déterminer la quantité d’ajout optimale dans la formule spécifique :
1. Détermination de référence : clarifier les normes d'application finales des matériaux de câbles (niveau ignifuge, niveau de densité de fumée, environnement d'utilisation).
2. Conception du point de départ :
·Pour les matériaux généraux ignifuges et antifumées : à partir de 1,5 phr.
·Pour le matériel LSZH : à partir de 3,5 pce.
·Si vous remplacez Sb₂O₃ : utilisez 30 % de la masse de Sb₂O₃ comme point de départ pourborate de zinc.
3. Conception expérimentale : en utilisant le point de départ comme médiane, concevez un gradient d'addition (tel que ± 1,5 phr) pour préparer une série d'échantillons.
4. Tests de performances clés :
·Fonctions principales : Test de densité des fumées (boîtier NBS), indice d'oxygène, combustion verticale.
·Performances complètes : résistance à la traction et allongement, indice de fluidité (ou rhéologie capillaire), résistivité volumique.
5. Analyse et détermination des données : dessinez un graphique de courbe d'ajout de performances. Trouvez la « zone de point d'inflexion » où les performances de suppression de fumée atteignent la zone cible de la plate-forme, mais où le traitement et les propriétés mécaniques n'ont pas encore fortement diminué, et cette zone constitue la plage optimale de quantité ajoutée.
La quantité de borate de zinc ajoutée au matériau des câbles en PVC est une variable typique axée sur les performances. Un simple chiffre (tel que 3 pce) ne peut pas être appliqué à tous les scénarios.
La logique de décision scientifique est la suivante :
1. Mécanisme piloté : assurez-vous que la quantité ajoutée est suffisante pour lancer une réaction catalytique efficace de "chlore zinc bore".
2. Axé sur les normes : Déterminez le résultat final de la demande en fonction de la rigueur des normes de suppression de fumée et de retardateur de flamme auxquelles le produit final doit satisfaire.
3. Entraînement collaboratif : Dans le système complexe (avec Sb₂O₃, ATH, etc.), l'effet synergique de « 1+1>2 » peut être obtenu en optimisant le rapport, ce qui peut réduire le dosage total.
4. Entraînement équilibré : dans le but de répondre aux exigences fonctionnelles, trouvez le point économique optimal grâce à des expériences qui minimisent l'impact sur les performances de traitement et d'application.
Par conséquent, pour les ingénieurs en formulation de matériaux de câbles, la véritable capacité professionnelle ne réside pas dans la mémorisation d'un rapport universel, mais dans la maîtrise des méthodes système ci-dessus, en étant capable de calculer sur mesure le schéma optimal d'ajout de borate de zinc pour chaque produit spécifique de matériau de câble en PVC, en équilibrant ses performances, son coût et ses exigences réglementaires.
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