Mengapa 3.5 Hydrated Zinc Borate Biasa Digunakan sebagai Flame Retardant pada Kabel PVC?

Polivinil klorida (PVC) adalah pilihan dominan untuk insulasi kabel dan bahan selubung, dan sifat tahan apinya berhubungan langsung dengan pengoperasian sistem tenaga yang aman. Di antara banyak penghambat api,3,5 seng borat terhidrasi (2ZnO·3B₂O₃·3,5H₂O)telah menjadi komponen kunci dalam formulasi kabel PVC. Artikel ini akan menganalisis secara sistematis dasar ilmiah di balik pilihan tersebut.

I. Dasar kimia dari mekanisme tahan api: efek sinergis multi-mode

1.1 Proses dehidrasi dan penyerapan panas pada tahap dekomposisi termal

Kandungan air kristal dari 3,5% seng borat terhidrasi (sekitar 14,5%) telah dirancang secara tepat untuk mencapai kesesuaian ideal antara suhu dekomposisi termal dan suhu dekomposisi awal PVC (sekitar 200-300°C). Ketika kabel bertemu dengan sumber api, seng borat melepaskan air kristal pada kisaran suhu 210-320°C

Zn₂B₆O₁₁·3,5H₂O → Zn₂B₆O₁₁ + 3,5H₂O↑

Proses ini menyerap sejumlah besar panas (entalpi dehidrasi sekitar 280 J/g), secara efektif mengurangi suhu permukaan material dan menunda laju degradasi termal matriks resin PVC. Dibandingkan dengan bentuk hidrasi yang lebih tinggi seperti 5-hidrat dan 7-hidrat, jendela suhu dehidrasi 3,5 hidrat lebih tepat, menghindari perlindungan titik buta yang disebabkan oleh dehidrasi dini atau dehidrasi tertunda.

1.2 Mekanisme pembentukan lapisan pelindung kaca

Seng borat anhidrat dehidrasi (Zn₂B₆O₁₁) meleleh pada suhu 400-500°C dan bereaksi dengan hidrogen klorida (HCl) yang dihasilkan melalui dekomposisi PVC:

Zn₂B₆O₁₁ + 12HCl → 2ZnCl₂ + 6BCl₃ + 6H₂O

ZnCl₂ dan BCl₃ yang dihasilkan bertindak sebagai katalis asam Lewis untuk mendorong reaksi ikatan silang PVC, membentuk lapisan karbon yang diperluas. Pada saat yang sama, boron oksida diubah menjadi gelas B₂O₃ kental pada suhu di atas 700°C

2BCl₃ + 3H₂O → B₂O₃ + 6HCl

Badan kaca menutupi permukaan lapisan karbon, membentuk lapisan pelindung yang padat. Viskositas dinamisnya (10³-10⁴ Pa·s) dapat secara efektif memblokir permeasi oksigen dan perpindahan panas pada suhu nyala api.

Ⅱ. Kompatibilitas unik dan efek sinergis dengan sistem PVC

2.1 Optimalisasi Fungsi Agen Penangkap Asam

HCl yang dilepaskan dari pirolisis PVC tidak hanya mempercepat degradasi material, tetapi juga menghasilkan asap korosif dan beracun.Seng boratsecara efisien menangkap HCl melalui reaksi dua langkah:

1. Penangkapan primer: Gugus hidroksil permukaan bereaksi dengan HCl menghasilkan ZnCl ₂ dan asam borat

2. Penangkapan sekunder: Asam borat yang dihasilkan selanjutnya bereaksi dengan HCl membentuk BCl₃

Setiap mol 3,5 seng borat terhidrasi secara teoritis dapat mengonsumsi 12 mol HCl, dengan kapasitas penangkapan 43,7%. Dibandingkan dengan penghambat api tradisional seperti aluminium hidroksida (hanya 33%), efisiensi netralisasi asam massa satuan meningkat sebesar 32%.

2.2 Peningkatan Sinergis dengan Antimon Trioksida

Dalam formulasi kabel PVC, seng borat menunjukkan efek sinergis yang signifikan dengan Sb₂O₃:

Zn₂B₆O₁₁ + Sb₂O₃ + HCl → ZnSb₂O₅+fasa kaca borosilikat

Spinel antimon seng (ZnSb₂O₅) yang dihasilkan memiliki karakteristik stabilitas termal yang tinggi (>1000°C) dan kemampuan karbonisasi katalitik yang kuat. Data eksperimen menunjukkan bahwa ketika seng borat digabungkan dengan Sb ₂ O3 dengan perbandingan massa 3:2, indeks oksigen batas (LOI) dapat ditingkatkan dari 28% menjadi 34%, dan kepadatan asap dapat dikurangi hingga 40%.

2.3 Dampak minimum terhadap sifat mekanik material

Dibandingkan dengan penghambat api dengan ukuran partikel serupa, kekerasan Mohs dari 3,5 seng borat terhidrasi hanya 2,5, jauh lebih rendah dibandingkan bahan pengisi seperti silika (7,0). Bentuk kristalnya yang seperti lembaran (ukuran partikel rata-rata 1-3 μm, rasio aspek 8-15) dapat membentuk tumpukan "seperti kartu" dalam matriks PVC. Bila ditambahkan dengan dosis 15-20 phr:

·Tingkat retensi kekuatan tarik>85%

·Perpanjangan putus hanya berkurang 12-18%

·Dampak pada kemampuan proses ekstrusi jauh lebih rendah dibandingkan dengan penghambat api seperti magnesium hidroksida

Ⅲ. 3.5 Keuntungan rekayasa bentuk hidrasi

3.1 Keseimbangan antara stabilitas termal dan jendela pemrosesan

Perbandingan kinerja seng borat dengan derajat hidrasi yang berbeda:

3.5 Hidrat tetap stabil pada suhu ekstrusi konvensional PVC (170-190°C) untuk menghindari porositas dan cacat permukaan yang disebabkan oleh dehidrasi selama pemrosesan.

3.2 Jaminan Kinerja Listrik

Ketika konstanta dielektrik seng borat (ε _r=4.2-4.8) mendekati matriks PVC (ε _r=4.0-4.5), dan struktur berlapisnya disusun sejajar dengan arah medan listrik:

·Pertahankan resistivitas volume di atas 10 ¹⁴Ω· cm

·Peningkatan nilai tangen rugi-rugi dielektrik kurang dari 0,002

·Memiliki dampak minimal terhadap keseragaman kapasitansi kabel

3.3 Keunggulan ganda fitur lingkungan dan keselamatan

Keramahan lingkungan:

·Toksisitas oral akut LD50>5000 mg/kg (tingkat sebenarnya tidak beracun)

·Tidak mengandung halogen, logam berat (timbal, kadmium, kromium, dll.)

·35% pengurangan pembentukan CO dalam produk pembakaran (dibandingkan dengan sistem tahan api tradisional)

Mekanisme penindasan asap:

Seng borat mendorong pembentukan struktur karbon aromatik alih-alih fragmen alifatik dalam PVC, meningkatkan suhu ambang nukleasi partikel asap dari 350°C menjadi 480°C dan mengurangi kepadatan asap (metode NBS) sebesar 50-60%.

Ⅳ. Skenario aplikasi khusus

·Persyaratan rendah asap dan bebas halogen: Meningkatkan dosis seng borat hingga 25 phr, dikombinasikan dengan magnesium hidroksida (40 phr), dapat mencapai kepadatan asap IEC 61034<200

·Tingkat ketahanan panas yang tinggi (105°C): menggunakan pemlastis ester asam trimelitat, permukaan seng borat diolah dengan bahan penghubung silan, dan tingkat retensi pemanjangan setelah penuaan termal dipertahankan pada>70%

Kesimpulan:

Penerapan3,5 seng borat terhidrasidalam kabel PVC mencerminkan gagasan inti "sinergi multi mekanisme" dan "keseimbangan kinerja" dalam ilmu tahan api. Kandungan air kristalnya yang tepat, kemampuan menangkap asam yang sangat baik, sinergi yang efisien dengan penghambat api berbasis antimon, dan dampak minimal pada sifat listrik dan mekanik bahan menjadikannya pilihan ideal untuk memenuhi persyaratan komprehensif ketahanan api kabel modern, asap rendah, tidak beracun, dan keandalan yang tinggi.