ケーブル用途向けハロゲンフリーPE難燃剤
作成日 10.13
現在でも、ポリエチレン（PE）は、その低い誘電率、耐湿性、および機械的強度のために、電線およびケーブルの製造に使用される主要な材料として機能している。それにもかかわらず、このポリマーの炭化水素鎖構造は、それを極めて可燃性にしている。火災安全性が極めて重要となる設備に使用する場合、PEが発火せず、有毒ガスを放出しないように、PEに変更を加える必要がある。HFFRシステムは、燃焼過程でハロゲンを含む腐食性ガスが放出されないため、この目的の達成に役立つ。HFFRシステムに適切な添加剤を選ぶことは、決して容易ではない。
PEケーブル用途向けノンハロゲン難燃剤の選定方法
必要な材料は、さまざまなタイプのケーブル設計によって大きく異なる場合があります。ノンハロゲンコンパウンドの選定は、ポリマー層の機能性と最終製品に適用されるコンプライアンス要件に基づいて行われます。
ケーブル構造と用途要件の特定
これは、材料が内部の誘電体絶縁体として機能するか、外部の保護ジャケットとして機能するかによって決定されます。
- 絶縁層：絶縁の電気的特性は保証されなければなりません。絶縁層内の添加剤は、極性不純物や吸湿性成分の導入を引き起こし、誘電正接を増加させ、高電圧用途において電気トリーを引き起こすものであってはなりません。
- シース層：シース層は物理的に耐性がなければなりません。
- 通信ケーブル：LANや光ファイバーケーブルなどのデータ伝送線は、厳格な火炎伝播、低煙、ゼロハロゲン（LSZH）仕様（例えば、ポリオレフィンシース用のEN 50290-2-24など）の下で動作します。信号伝送品質を維持するためには、ジャケットや物理発泡絶縁層に導入できる添加剤の量が制限されます。
外被用に調整されたコンパウンドが、内部の一次絶縁として機能することはほとんどありません。配合は常に、特定の層の機械的および電気的制約に適合させる必要があります。
一般的なハロゲンフリー難燃システムの比較
ポリオレフィンHFFR配合物では水酸化鉱物が主流ですが、全体的な充填剤添加量を低減するために合成リン系および相乗系がますます使用されています。
添加剤の種類 | 分解温度（°C） | 標準添加量 | 主な強みとトレードオフ |
水酸化アルミニウム（ATH） | ~200°C | 50 wt% – 65 wt% | コスト効率が良く、優れた抑煙性；200°C未満の処理温度に限定されます。 |
水酸化マグネシウム（MDH） | ~300°C | 50 wt% – 65 wt% | より高い熱安定性により、ATHよりも高温の押出プロファイルが可能となり、原料コストも高くなる。 |
リン系システム | 変動あり（200 °C～300 °C） | 15 wt% – 30 wt% | 保護炭化層を形成し、はるかに低い添加量で機能し、樹脂の柔軟性と密度を維持する。 |
相乗効果システム | システム依存 | 合計40 wt%～55 wt% | 鉱物系基材と有機粘土、シリコーン、またはホウ酸亜鉛を組み合わせることで、難燃効率を高め、充填量を削減します。 |
ATHとMDHは吸熱分解を通じて作用し、水蒸気を放出して火炎領域を冷却すると同時に、断熱性の灰層を形成します。気相中で化学的ではなく機械的に作用するため、UL 94 V-0定格を達成するには高い充填率が必須です。
添加剤を調達する際、サプライヤーに目標難燃グレードのみを指定するだけでは不十分です。ベースPEグレード（LDPE、LLDPE、HDPE、またはEVAブレンド）、加工温度限界、肉厚、および目標とするジャケット柔軟性を提供することで、添加剤サプライヤーは適合する難燃パッケージを推奨できます。
難燃性と電気的・機械的性能のバランス
重量比で50%から60%の鉱物フィラーを添加すると、ポリエチレンの物理的特性が劇的に変化します。完成したケーブルが設置中にひび割れたり、絶縁試験に失敗したりすれば、防火基準を満たしても意味がありません。
難燃性能と電気的特性を同時に評価する
酸素指数や実験用平板でのUL 94垂直燃焼試験などの材料レベルの試験は良い参考点となりますが、実寸ケーブルの性能には違いがあります。ケーブル設計、導体の放熱、架橋密度が燃焼特性に影響を与えます。
性能評価では、次の4つの主要パラメータを同時に評価します：
- 難燃性：ケーブルトレイ内を垂直方向に火炎が広がる速度を決定します（IEC 60332-3に準拠した実寸試験）。
- 煙の発生と腐食性ガスの放出：燃焼時でも視界を維持し、酸性ガスを発生しないことを保証します（IEC 61034およびIEC 60754）。
- 絶縁電気特性：高い充填剤負荷にもかかわらず、体積抵抗率、絶縁破壊強度、湿潤絶縁抵抗が許容範囲内であることを確認します。
- 熱老化：長時間加熱後のコンパウンドの物理的特性を試験します（動作温度は70～90度）。
高い充填剤負荷は表面水分を引き寄せ、湿潤体積抵抗率の低下を招く可能性があります。表面処理された充填剤（シランコーティングされたATHやMDHなど）を選択することで、水分吸収を防ぎ、長期の熱サイクルにわたって電気絶縁性を維持します。
機械的強度と柔軟性を維持する
未処理の状態では、鉱物フィラーはポリエチレンマトリックス内で応力集中源として作用します。鉱物フィラーの量を増やすと、引張強度と伸びが急激に低下し、ポリマーが脆くなります。
ケーブルを巻き取り、溝に引き込み、狭い導管内を通すには柔軟性が必要です。脆性に対処しながら難燃性を維持するには：
- 表面カップリング剤を導入する：ATHおよびMDH粒子をビニルシランで処理すると、PEマトリックスとの界面が改善され、引張強度と伸びが回復します。
- 機能性ポリマーを使用する：エチレン-酢酸ビニル共重合体（EVA）や無水マレイン酸グラフトポリエチレン（PE-g-MAH）を添加すると、柔軟性とフィラー相容性が向上します。
- 相乗添加剤を使用する：鉱物フィラーの5～10パーセントをナノクレイ、シリコーン、またはホウ酸亜鉛で置き換えると、燃焼炭化層の強度が向上し、全体のフィラー量を削減できます。
熱老化試験後は、常に引張強度と破断伸びを評価してください。配合物は初期の機械試験に合格しても、添加剤系がポリマーの酸化を促進する場合、急速に劣化する可能性があります。
PE難燃剤を選択する前に加工適合性を確認する
実験室試験で有効な配合も、高速押出でメルトフローの不良、ダイドループ、熱分解を示す場合、生産では無効であることが判明します。
分散性、押出安定性、加工温度を考慮する
高充填HFFRコンパウンドの加工には、熱的および機械的せん断パラメータの正確な調整が求められます：
- フィラーの分散：分散不良のフィラー凝集体はケーブル壁に弱い領域を生じさせ、絶縁破壊や表面欠陥の原因となります。高せん断二軸混練は、サブミクロン粒子を均一に分散させるために必要です。
- 溶融粘度と流動性：添加量の増加により溶融粘度が大幅に上昇し、メルトフラクチャーや押出機ヘッド内の圧力上昇のリスクが高まります。フッ素ポリマーを含まない加工助剤や特殊な脂肪酸系潤滑剤システムを使用することで、難燃性能に影響を与えずに、より良好な押出プロファイルを確保できます。
- 処理温度範囲：ATHの脱水酸基化は200°Cから始まります。過度な処理温度はケーブル絶縁体に発泡や空洞形成を引き起こします。正しいスループットを得るために200°Cを超える処理温度が必要な場合は、代わりにMDH（300°Cまでの温度に耐えられる）を選択すべきです。
- 表面品質：ケーブルシース上のメルトフラクチャー（シャークスキン）は美観を損ない、耐引裂性を低下させます。ダイ設計、温度ゾーン、潤滑剤パッケージを最適化することで、滑らかな表面仕上げと寸法安定性が確保されます。
実際の生産条件でコンパウンドを検証する
樹脂開発段階から製造プロセスに至るまで、スケールアップには一連の体系的な手順が必要です。原材料サプライヤーの技術データシートのみに依存することは、製造プロセスにおけるリスクとなります。
パイロット押出試験では、以下の生産仕様を確認してください：
- プレート上ではなく、ケーブル上での防火および煙性能。
- 長期間の水浴における絶縁性および引張特性の保持。
- 連続運転中のトルク、ヘッド圧力、および温度安定性。
- 所望のライン速度における公差、肉厚の均一性、および表面仕上げ。
- 太陽光に曝されるジャケットコンパウンドの耐候性および耐UV性。
このようにして、サンプルは製造に対して完全に適合し、ラインの停止、ダイ摩耗の問題、およびケーブルの故障を回避する。
結論
適切なハロゲンフリー難燃剤PEケーブルの配合処方にはバランスの取れたアプローチが求められる。防火安全基準の適合を達成することは不可欠であるが、それは絶縁耐力、機械的柔軟性、または加工スループットを犠牲にしてはならない。添加剤システム（ATH、MDH、リン系、または相乗効果のあるブレンド）を特定のケーブル層に適合させ、表面処理を活用して伸びを維持し、商用押出ラインで溶融安定性を検証することにより、ケーブルメーカーとコンパウンダーは信頼性の高い高性能HFFRケーブルを開発することができる。
添加剤サプライヤーと相談する際は、ベース樹脂グレード、対象ケーブル規格、絶縁厚さ、加工上の制約に関する正確な詳細を提供し、用途に最適な難燃パッケージを特定してください。
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