Halogenfreie PE-Flammschutzmittel für Kabelanwendungen

Auch heute noch ist Polyethylen (PE) aufgrund seiner niedrigen Dielektrizitätskonstante, Feuchtigkeitsbeständigkeit und mechanischen Festigkeit das Schlüsselmaterial für die Herstellung von Drähten und Kabeln. Dennoch macht die Kohlenwasserstoffkettenstruktur des Polymers es extrem entflammbar. Bei Anwendungen, bei denen der Brandschutz entscheidend ist, ist es notwendig, das PE so zu modifizieren, dass es nicht entzündet und keine giftigen Gase freisetzt. HFFR-Systeme tragen zur Erreichung dieses Ziels bei, da bei der Verbrennung keine korrosiven halogenhaltigen Gase freigesetzt werden. Es ist nie einfach, das richtige Additiv für das HFFR-System auszuwählen.

Die erforderlichen Materialien können je nach Kabeldesign stark variieren. Die Auswahl einer halogenfreien Verbindung basiert auf der Funktion der Polymerschicht und den für das Endprodukt geltenden Konformitätsanforderungen.

Dies wird dadurch bestimmt, ob das Material als innere dielektrische Isolierung oder als äußere Schutzumhüllung wirkt.

Eine für einen Außenmantel maßgeschneiderte Verbindung wird selten als primäre Innenisolierung funktionieren. Formulierungen müssen stets auf die mechanischen und elektrischen Anforderungen der jeweiligen Schicht abgestimmt sein.

Mineralische Hydroxide dominieren Polyolefin-HFFR-Formulierungen, aber synthetische Phosphor- und synergistische Systeme werden zunehmend eingesetzt, um die Gesamtfüllstoffbeladung zu senken.

ATH und MDH wirken durch endotherme Zersetzung, wobei Wasserdampf freigesetzt wird, der die Flammenzone kühlt und gleichzeitig eine isolierende Ascheschicht bildet. Da sie mechanisch statt chemisch in der Gasphase wirken, sind hohe Füllstoffanteile erforderlich, um UL 94 V-0-Bewertungen zu erreichen.

Bei der Beschaffung von Additiven reicht es nicht aus, den Lieferanten nur eine Zielbrandbewertung mitzuteilen. Die Angabe der PE-Basisqualität (LDPE, LLDPE, HDPE oder EVA-Mischungen), der Verarbeitungstemperaturgrenzen, der Wanddicke und der angestrebten Mantelflexibilität ermöglicht es Additivlieferanten, kompatible Flammschutzpakete zu empfehlen.

Die Zugabe von 50 % bis 60 % mineralischem Füllstoff nach Gewicht verändert die physikalischen Eigenschaften von Polyethylen drastisch. Die Einhaltung der Brandschutzanforderungen bedeutet nichts, wenn das fertige Kabel bei der Installation reißt oder die dielektrischen Tests nicht besteht.

Materialtests wie der Sauerstoffindex und der UL-94-Vertikalbrenntest an Laborplatten sind ein guter Referenzpunkt, aber es gibt Unterschiede im Verhalten von Kabeln in Originalgröße. Kabelkonstruktion, Wärmeableitung des Leiters und Vernetzungsdichte haben einen Einfluss auf die Brenneigenschaften.

Die Leistungsbewertung umfasst die gleichzeitige Bewertung von vier Hauptparametern:

Hohe Füllstoffbeladungen können Oberflächenfeuchtigkeit anziehen, was zu einem Abfall des spezifischen Nass-Volumenwiderstands führt. Die Wahl oberflächenbehandelter Füllstoffe (wie silanbeschichtetes ATH oder MDH) verhindert Feuchtigkeitsaufnahme und erhält die elektrische Isolierung über längere thermische Zyklen hinweg.

In ihrer reinen Form wirken mineralische Füllstoffe als Spannungskonzentratoren in der Polyethylenmatrix. Eine Erhöhung der Menge an mineralischen Füllstoffen führt zu einem starken Rückgang der Zugfestigkeit und Dehnung, wodurch das Polymer spröde wird.

Flexibilität ist notwendig, damit Kabel aufgewickelt, in Gräben verlegt und durch enge Rohre geführt werden können. Um der Sprödigkeit entgegenzuwirken und gleichzeitig die Feuerbeständigkeit zu erhalten:

Bewerten Sie nach thermischen Alterungstests stets die Zugfestigkeit und die Bruchdehnung. Eine Mischung kann die anfängliche mechanische Prüfung bestehen, aber schnell abbauen, wenn das Additivsystem die Polymeroxidation beschleunigt.

Eine wirksame Formulierung in Labortests wird sich in der Produktion als unwirksam erweisen, wenn sie bei der Hochgeschwindigkeitsextrusion schlechte Schmelzfließfähigkeit, Düsenablaufen und thermische Zersetzung zeigt.

Die Verarbeitung hochgefüllter HFFR-Compounds erfordert eine genaue Anpassung der thermischen und mechanischen Scherparameter:

Von der Harzentwicklungsphase bis zu den Fertigungsprozessen ist eine Reihe systematischer Verfahren für die Hochskalierung erforderlich. Sich nur auf technische Datenblätter der Rohstofflieferanten zu verlassen, birgt ein Risiko im Fertigungsprozess.

In Pilot-Extrusionstests sind die folgenden Produktionsspezifikationen zu prüfen:

Auf diese Weise sind die Proben vollständig für die Fertigung qualifiziert, um Stillstände von Linien, Probleme mit dem Düsenverschleiß und Kabelausfälle zu vermeiden.

Auswahl des richtigen halogenfreien FlammschutzmittelsFür PE-Kabelformulierungen ist ein ausgewogener Ansatz erforderlich. Während die Einhaltung der Brandschutzvorschriften unerlässlich ist, darf dies nicht auf Kosten der dielektrischen Festigkeit, der mechanischen Flexibilität oder des Verarbeitungsdurchsatzes gehen. Durch die Abstimmung des Additivsystems (ATH, MDH, Phosphor oder synergistische Mischungen) auf die spezifische Kabelschicht, den Einsatz von Oberflächenbehandlungen zur Erhaltung der Dehnung und die Überprüfung der Schmelzstabilität auf kommerziellen Extrusionslinien können Kabelhersteller und Compoundierer zuverlässige, hochleistungsfähige HFFR-Kabel entwickeln.

Bei der Beratung mit Additivlieferanten sollten Sie genaue Angaben zu Basisharztypen, Zielkabelnormen, Isolationsdicke und Verarbeitungseinschränkungen machen, um das optimale Flammschutzpaket für Ihre Anwendung zu identifizieren.