Sélection de lubrifiants avec un impact minimal sur l'inflammabilité dans les formulations de composés pour câbles

Sélection de lubrifiants avec un impact minimal sur l'inflammabilité dans les formulations de composés pour câbles

Introduction

La sélection des lubrifiants dans les formulations de composés pour câbles nécessite une attention particulière à leur impact sur la résistance à la flamme. Un lubrifiant optimal doit faciliter l'usinage sans compromettre la résistance au feu du matériau. Cet article présente des recommandations basées sur la structure chimique, la stabilité thermique et les effets synergiques avec les systèmes ignifuges, en s'appuyant sur les pratiques de l'industrie et les données de recherche.

1. Types de lubrifiants recommandés et mécanismes

1.1. Lubrifiants à base de silicone (poudre/huile de silicone)

• Principaux avantages :L'énergie de liaison Si-O dans les silicones (452 kJ/mol) est significativement supérieure à celle des liaisons C-C (348 kJ/mol). À hautes températures, ils forment une couche protectrice dense de silice qui inhibe la propagation des flammes. Par exemple, l'ajout de 0,5 à 3 % de la série Javachem® GT (Zhejiang Jiahua) aux composés pour câbles en polyoléfine ignifuges sans halogène peut augmenter l'indice d'oxygène (OI) à plus de 37 %, réduire l'accumulation sur la filière et augmenter la vitesse de la ligne de 20 %.

• Application :Convient aux composés pour câbles à base d'EVA/PE, en particulier dans les systèmes fortement chargés (> 60 % de charge). Leur nature hydrophobe réduit l'absorption d'humidité et améliore la résistance aux intempéries.

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

1.2. Savons métalliques (stéarate de calcium/zinc)

• Mécanisme d'ignifugation :Le stéarate de calcium se décompose à 200-250 °C, générant du CaO et du CO₂. Le CaO peut réagir avec l'hydroxyde d'aluminium (ATH) pour former de l'aluminate de calcium, améliorant la densité de la couche de charbon. Des études montrent que 2 à 3 % de stéarate de calcium peuvent réduire le taux de dégagement de chaleur maximal (PHRR) de 15 % et améliorer la dispersion de la charge.

• Compatibilité du procédé :Montre une synergie significative avec les ignifugeants phosphore-azote (par exemple, MPP). Peut remplacer une partie des lubrifiants traditionnels dans les formulations sans halogène sans affecter la classification UL94 V-0 lorsqu'il est utilisé à 1-2 %.

• Remarque :Une utilisation excessive peut provoquer un blooming ; il est recommandé de l'utiliser en combinaison avec des lubrifiants internes (par exemple, le stéarate de pentaérythritol).

1.3. Cire de polyéthylène oxydée (cire OPE)

• Caractéristiques :La teneur en carbonyle (1,5 à 3 %) améliore la compatibilité avec les ignifugeants polaires comme l'hydroxyde de magnésium (MDH). La couche oxydée formée à haute température peut supprimer la combustion. Des tests montrent que les composés pour câbles avec 1,5 % de cire OPE maintiennent un OI de 32 %, soit 5 points de plus que ceux avec de la cire PE standard.

• Conseils d'application :Privilégier les grades à point de fusion élevé (point de goutte : 105-115 °C) avec des masses moléculaires comprises entre 8 000 et 15 000, adaptés aux procédés d'extrusion à 180-220 °C.

• Grades typiques :Honeywell A-C 629, Clariant Licowax OP.

1.4. Micropoudre de polytétrafluoroéthylène (PTFE)

• Caractéristiques d'ignifugation :Le PTFE a une température de décomposition élevée (~500 °C), ne produisant que des traces de CO₂ et de HF lors de la combustion. La couche de charbon formée empêche le goutte-à-goutte de la masse fondue. L'ajout de 0,5 à 1 % de micropoudre de PTFE à du PP ignifuge peut réduire l'incidence du goutte-à-goutte de la masse fondue de 70 % à moins de 10 %.

• Valeur spécifique :Convient aux câbles à faible dégagement de fumée (par exemple, le transport ferroviaire), où son très faible coefficient de frottement (0,05-0,1) réduit la chaleur de frottement interfaciale lors de l'extrusion à grande vitesse.

• Grades typiques :DuPont Teflon® MP100, Daikin Polyflon® L-15.

2. Types de lubrifiants nécessitant une prudence particulière

2.1. Acides gras (acide stéarique/acide oléique)

• Analyse des risques :L'acide stéarique (C18H36O2) a une chaleur de combustion élevée (42 MJ/kg, ~10 % de plus que le PE). Sa décomposition produit des hydrocarbures à longue chaîne qui peuvent favoriser la propagation des flammes. L'ajout de plus de 0,5 % peut faire passer la classification UL94 de V-0 à V-2.

• Alternatives :Remplacer complètement par du stéarate de calcium ou utiliser de l'acide hydroxystéarique à faible poids moléculaire (par exemple, l'acide 12-hydroxystéarique), qui a une chaleur de combustion inférieure de 18 %.

2.2. Amides standards (EBS)

• Limites :L'EBS se décompose au-dessus de 300 °C, générant de l'ammoniac et des gaz nitriles, qui peuvent interférer avec le mécanisme de formation de charbon des ignifugeants à base de phosphore. Des expériences montrent que 1 % d'EBS peut augmenter le temps de combustion verticale de 2 à 3 secondes.

• Direction d'amélioration :Utiliser de l'EBS modifié au silane (par exemple, Clariant Licowax EBS-S), où les siloxanes libérés pendant la combustion peuvent contrecarrer partiellement les effets négatifs de la décomposition de l'amide.

2.3. Cires de paraffine (paraffine liquide/cire microcristalline)

• Risques de combustion :Les composants volatils de la paraffine ont tendance à migrer vers la surface, formant une couche inflammable. Lors des tests OI, l'ajout de 2 % de paraffine peut diminuer la valeur OI de 3 à 5 points.

• Alternatives :Utiliser des cires Fischer-Tropsch à point de fusion élevé (> 90 °C), qui ont une distribution de poids moléculaire étroite, une meilleure stabilité thermique que la paraffine et un résidu de charbon plus élevé lors de la combustion.

3. Stratégie de sélection et optimisation des procédés

3.1. Conception synergique avec les ignifugeants

• Synergie phosphore-silicium :Lorsque les lubrifiants siliconés sont combinés avec du phosphinate d'aluminium, les siloxanes peuvent favoriser l'enrichissement en surface des ignifugeants à base de phosphore, formant une couche protectrice composite « Si-P-charbon », augmentant l'OI à plus de 35 %.

• Synergie savon métallique-hydroxyde :À un rapport massique de 1:10 (stéarate de calcium :ATH), l'aluminate de calcium formé améliore la résistance du charbon, augmentant le résidu à 800 °C de 22 % à 28 %.

3.2. Correspondance des paramètres de traitement

• Contrôle de la température :La température de traitement optimale pour les lubrifiants siliconés est de 180 à 200 °C ; éviter de dépasser 220 °C pour éviter la rupture des liaisons Si-O. Ajouter les savons métalliques plus tard dans le cycle de mélange (130-150 °C) pour éviter une décomposition prématurée.

• Procédé de dispersion :Pour les systèmes fortement chargés, utiliser des extrudeuses à double vis à cisaillement élevé (vitesse de vis de 300 à 400 tr/min) pour une dispersion uniforme des lubrifiants et des ignifugeants. Le prémélange de la poudre de silicone avec l'ATH et l'ajout en deux étapes peuvent augmenter la résistance à la traction de 12 %.

3.3. Certification et validation des tests

• Tests de base :Indice d'oxygène (GB/T 2406.2) ≥32 % ; Combustion verticale (UL94) V-0 ; Densité de fumée (GB/T 8323.2) Dm(4min) ≤75.

• Performance à long terme :Après vieillissement thermique (120 °C × 168 h), la variation de la résistance à la traction doit être ≤±10 %, et la variation de l'allongement à la rupture doit être ≤±15 %.

• Conformité environnementale :Privilégier les lubrifiants conformes aux directives RoHS et REACH. Pour les câbles médicaux, se conformer aux normes telles que USP Classe VI.

4. Exemples de formulations typiques

4.1. Composé pour câbles en polyoléfine ignifuge sans halogène

• Formulation (parties en poids) :EVA (VA 18 %) 100, Hydroxyde de magnésium 120, Poudre de silicone 2, Stéarate de calcium 1,5, Antioxydant 1010 0,5, Stabilisateur de lumière 770 0,3.

• Propriétés :OI 37 %, Résistance à la traction 11 MPa, Allongement à la rupture 160 %, Retrait thermique (120 °C × 24 h) 0,8 %.

4.2. Composé pour câbles en PVC hautement ignifuge

• Formulation (parties en poids) :PVC 100, Trioxyde d'antimoine 5, Ignifugeant ester de phosphate 20, Stéarate de calcium 1,2, Cire OPE 1,0, Huile de soja époxydée 5.

• Propriétés :UL94 V-0, OI 34 %, Résistivité de surface >10^14 Ω·cm. Convient aux câbles de contrôle industriel.

5. Contrôle des risques et tendances de l'industrie

• Stabilité des lots :Effectuer une analyse thermogravimétrique (TGA) sur les lots de lubrifiants entrants pour garantir une température de décomposition initiale >250 °C et des matières volatiles ≤0,5 %.

• Validation alternative :Utiliser une « méthode de remplacement progressif » pour remplacer les lubrifiants importés : commencer par 30 % de produit national, augmenter progressivement jusqu'à 100 % après vérification des performances. Par exemple, la poudre de silicone de Yanshan Petrochemical a remplacé avec succès Dow Corning DC-3200 dans les câbles photovoltaïques.

• Durabilité :Les lubrifiants biosourcés (par exemple, les amides à base d'huile de ricin) ont des émissions de carbone ~40 % inférieures à celles des lubrifiants traditionnels, et le CO₂ libéré pendant la combustion peut être absorbé par les plantes, conformément aux réglementations telles que le mécanisme d'ajustement carbone aux frontières (MACF) de l'UE.

Conclusion

Les lubrifiants à base de silicone, les savons métalliques, la cire de polyéthylène oxydée et les micropoudres de PTFE sont des choix idéaux pour les composés pour câbles qui équilibrent la lubrification et la résistance à la flamme. L'application pratique nécessite une optimisation basée sur le système ignifuge spécifique, les conditions de traitement et les exigences de performance, validée par des essais à petite échelle pour la compatibilité et les performances de combustion.