Серия безгалогенных бездымных кабельных материалов

Когда слышишь про ?безгалогенные бездымные составы?, первое, что приходит в голову — это миф о ?полной безопасности?. На деле же даже европейские стандарты EN 50399 и IEC 60332-3 лишь частично отражают поведение материалов в реальном пожаре. Например, в 2019 году на объекте в Казани мы столкнулись с тем, что кабель, формально соответствовавший нормам, при длительном нагреве в замкнутом пространстве всё же выделял плотные продукты термического разложения. Это заставило пересмотреть подход к подбору сырья — особенно к выбору гидратированного алюминия и силикатных наполнителей.

Химическая механика безгалогенных композиций

Основная ошибка производителей — попытка просто заменить галогены на гидроксиды алюминия или магния. Но если не контролировать дисперсность наполнителя, при экструзии возникает ?эффект песчаной бумаги? — поверхность кабеля теряет гладкость, а механические показатели падают на 15–20%. Мы в ООО Чэнду Чжанхэ Новые технологии материалов отработали это на серии экспериментов с сополимерами этилена и винилацетата. Добавка 2–3% органо-модифицированного монтмориллонита не только улучшила ОФП (показатель кислородного индекса поднялся до 34), но и сохранила удлинение при растяжении на уровне 280%.

Кстати, о рецептурных тонкостях: до 2021 года мы использовали стандартный антипирен — гидроксид алюминия с размером частиц 3–5 мкм. Но при нагрузках выше 0,4 МПа в экструдере начиналось расслоение композиции. Перешли на полимер-совместимую форму с грануляцией 1,5–2 мкм — проблема ушла, хотя себестоимость выросла. Для особых проектов, например для тоннельной прокладки, иногда применяем микрокапсулированные фосфатные пластификаторы — дорого, но дымность снижается до 0,8 Ds (по ISO 5659-2).

Лабораторные испытания — это одно, а поведение материала в кабельном конструктиве — другое. Бывает, что отличная по отдельным параметрам композиция при намотке на барабан дает микротрещины в изоляции. Пришлось разработать внутренний метод ускоренного старения — выдерживаем образцы при -40°C и +120°C в цикле 6 часов, затем проверяем ELONGATION. Если падение больше 12% — отправляем на доработку.

Полевые испытания: где теория сталкивается с реальностью

В 2022 году поставили партию кабелей КВВГ-ХЛ для нефтехимического комбината под Уфой. Через полгода получили рекламацию: при монтаже в лотках изоляция местами отслаивалась. Разбор показал — проблема в перепаде влажности в цеху и составе антипирена. Частицы гидроксида магния активно сорбировали влагу, что при вибрации приводило к потере адгезии. Пришлось экстренно менять рецептуру — ввели силан-модифицированный этилен-пропиленовый каучук и снизили доля гидроксидов на 7%.

Интересный случай был с метрополитеном — там требовалось обеспечить не только огнестойкость, но и устойчивость к трению при протяжке в блоках. Стандартные безгалогенные составы давали коэффициент трения 0,45–0,5, а нужно было не более 0,3. Решили за счет полиолефиновой основы с добавкой фторполимера в количестве 0,8%. Это, кстати, позволило сохранить группу горючести П1.1.

Сейчас тестируем новую линейку для судостроения — там жёсткие требования по токсичности продуктов горения (IMO FTP Code Part 2). Наши текущие разработки показывают CO yield ниже 25 mg/g, но нужно добиваться стабильности при температуре 800–900°C. Пробуем комбинацию бората цинка и наноглины — пока есть проблемы с дисперсией при длительной экструзии.

Технологические компромиссы: производительность против качества

Скорость экструзии — вечная головная боль. Для безгалогенных композиций с высоким содержанием наполнителей (до 65%) обычно не рекомендуем превышать 120–150 rpm. Но на практике заказчики требуют 180–200 rpm для рентабельности. Пришлось разработать ступенчатую систему пластификации — в зоне подачи температура 135°C, затем резкий скачок до 165°C в зоне дозирования. Это снижает риск деструкции полимерной матрицы.

Заметил, что многие недооценивают роль воды в процессе. Даже 0,15% влажности в гранулах приводят к пористости в изоляции. Установили сушилки с точностью до -40°C точки росы — брак упал с 3,2% до 0,8%. Но и это не предел — для ответственных объектов типа АЭС используем вакуумные бункеры с подогревом до 85°C.

Кстати, о контроле качества: внедрили ИК-спектроскопию для каждой партии сырья. Особенно важно отслеживать степень полимеризации этилен-винилацетатной основы — если молекулярная масса ниже 120 000, композиция начинает ?плыть? при температуре на 10–15°C ниже заявленной. Такие случаи были с поставками из Юго-Восточной Азии — теперь работаем только с проверенными производителями.

Экологические аспекты: больше чем маркетинг

Сертификация по RoHS и REACH — это обязательный минимум, но мы пошли дальше. Разработали методику оценки полного жизненного цикла (LCA) для кабельных материалов. Оказалось, что при производстве 1 тонны композиции выделяется 2,1 т CO2-эквивалента — в основном из-за энергоёмкого процесса синтеза антипиренов. Сейчас экспериментируем с использованием вторичного полиэтилена из промышленных отходов — пока удалось довести долю до 15% без потери огнестойких свойств.

Утилизация — отдельная тема. Стандартные безгалогенные материалы плохо поддаются рециклингу из-за минеральных наполнителей. Наш отдел R&D пробует вводить термопластичные эластомеры, которые позволяют измельчать и перерабатывать отходы производства в технические изделия. Пока получается использовать до 40% возвратного материала.

Интересный побочный эффект: при переходе на безгалогенные составы снизилась коррозия оборудования. Раньше, при использовании хлорсодержащих антипиренов, шнеки экструдеров требовали замены каждые 8–10 месяцев. Сейчас ресурс увеличился до 2 лет — экономия на обслуживании около 300 000 рублей в год на линию.

Перспективы и тупиковые ветви

Сейчас много говорят о нанотехнологиях в кабельных материалах. Пробовали углеродные нанотрубки для повышения ОФП — да, индекс кислородный растёт до 40, но стоимость возрастает в 4–5 раз. Для массового производства пока нерентабельно. Более перспективным считаем направление интумесцентных покрытий — когда при нагреве образуется вспененный защитный слой. Но тут сложность с адгезией к медной жиле.

Из неудач: в 2020 году пытались заменить часть дорогостоящих антипиренов крахмалом, модифицированным фосфатами. Идея была в создании ?биоразлагаемого? кабеля для временных сооружений. На лабораторных тестах всё выглядело хорошо, но при полевых испытаниях материал начал гидролизоваться уже через 3 месяца — прочность на разрыв упала на 40%. Проект пришлось закрыть.

Сейчас основные усилия сосредоточены на создании материалов для гибких кабелей — там требования к эластичности сочетаются с необходимостью сохранить огнестойкость. Наши последние разработки в ООО Чэнду Чжанхэ Новые технологии материалов показывают, что можно добиться сохранения свойств при 5000 циклов перегиба. Для этого используем серию безгалогенных бездымных кабельных материалов на основе метил-винилового силоксана с добавлением мелкодисперсного талька — это даёт показатель дымности 1,1 Ds при сохранении гибкости.