케이블 화합물 배합에서 가연성에 미치는 영향이 최소화된 윤활제 선택

케이블 화합물 배합에서 가연성에 미치는 영향을 최소화하는 윤활제 선택

서론

케이블 화합물 배합에서 윤활제를 선택할 때는 난연성에 미치는 영향을 신중하게 고려해야 합니다. 최적의 윤활제는 재료의 내화성을 손상시키지 않으면서 우수한 가공성을 제공해야 합니다. 이 기사에서는 화학 구조, 열적 안정성, 난연 시스템과의 시너지 효과를 기반으로 업계 관행과 연구 데이터를 활용하여 권장 사항을 제시합니다.

1. 권장 윤활제 유형 및 메커니즘

1.1. 실리콘 기반 윤활제 (실리콘 파우더/오일)

• 주요 장점: 실리콘의 Si-O 결합 에너지(452 kJ/mol)는 C-C 결합(348 kJ/mol)보다 훨씬 높습니다. 고온에서 밀도가 높은 실리카 보호층을 형성하여 화염 전파를 억제합니다. 예를 들어, 할로겐 프리 난연성 폴리올레핀 케이블 화합물에 Javachem® GT 시리즈(Zhejiang Jiahua)를 0.5-3% 추가하면 산소 지수(OI)를 37% 이상으로 높이고, 다이 빌드업을 줄이며, 라인 속도를 20% 증가시킬 수 있습니다.

• 응용 분야: EVA/PE 기반 케이블 화합물, 특히 고충전 시스템(>60% 충전제)에 적합합니다. 소수성이므로 수분 흡수를 줄이고 내후성을 향상시킵니다.

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

1.2. 금속 비누 (칼슘/아연 스테아레이트)

• 난연성 메커니즘: 칼슘 스테아레이트는 200-250°C에서 분해되어 CaO와 CO₂를 생성합니다. CaO는 수산화알루미늄(ATH)과 반응하여 칼슘 알루미네이트를 형성하여 숯층 밀도를 높일 수 있습니다. 연구에 따르면 2-3%의 칼슘 스테아레이트는 최고 열 방출률(PHRR)을 15% 감소시키고 충전제 분산을 개선할 수 있습니다.

• 공정 호환성: 인-질소 난연제(예: MPP)와 상당한 시너지 효과를 보입니다. UL94 V-0 등급에 영향을 미치지 않으면서 할로겐 프리 배합에서 기존 윤활제의 일부를 1-2% 사용량으로 대체할 수 있습니다.

• 참고: 과도한 사용은 블룸 현상을 일으킬 수 있으므로 내부 윤활제(예: 펜타에리트리톨 스테아레이트)와 함께 사용하는 것이 좋습니다.

1.3. 산화 폴리에틸렌 왁스 (OPE 왁스)

• 특징: 카르보닐 함량(1.5-3%)은 수산화마그네슘(MDH)과 같은 극성 난연제와의 호환성을 향상시킵니다. 고온에서 형성된 산화층은 연소를 억제할 수 있습니다. 테스트 결과 1.5% OPE 왁스를 사용한 케이블 화합물은 OI 32%를 유지하며, 이는 표준 PE 왁스를 사용한 경우보다 5포인트 더 높습니다.

• 응용 조언: 180-220°C에서 압출 공정에 적합한 8000-15000 사이의 분자량을 가진 높은 융점 등급(Drop Point: 105-115°C)을 선호합니다.

• 일반적인 등급: Honeywell A-C 629, Clariant Licowax OP.

1.4. 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE) 마이크로파우더

• 난연성 특징: PTFE는 분해 온도가 높습니다(~500°C). 연소 시 미량의 CO₂와 HF만 생성합니다. 형성된 숯층은 용융 드립을 방지합니다. 난연성 PP에 0.5-1% PTFE 마이크로파우더를 첨가하면 용융 드립 발생률을 70%에서 10% 미만으로 줄일 수 있습니다.

• 특정 값: 저연 케이블(예: 철도 수송)에 적합하며, 마찰 계수가 매우 낮아(0.05-0.1) 고속 압출 시 계면 마찰열을 줄입니다.

• 일반적인 등급: DuPont Teflon® MP100, Daikin Polyflon® L-15.

2. 주의가 필요한 윤활제 유형

2.1. 지방산 (스테아르산/올레산)

• 위험 분석: 스테아르산(C18H36O2)은 연소열이 높습니다(42 MJ/kg, PE보다 ~10% 높음). 분해 시 장쇄 탄화수소를 생성하여 화염 확산을 촉진할 수 있습니다. 0.5% 이상을 첨가하면 UL94 등급이 V-0에서 V-2로 떨어질 수 있습니다.

• 대안: 칼슘 스테아레이트로 완전히 대체하거나 연소열이 18% 낮은 저분자량 하이드록시스테아르산(예: 12-하이드록시스테아르산)을 사용합니다.

2.2. 표준 아미드 (EBS)

• 제한 사항: EBS는 300°C 이상에서 분해되어 암모니아와 니트릴 가스를 생성하며, 이는 인 기반 난연제의 숯 형성 메커니즘을 방해할 수 있습니다. 실험 결과 1% EBS는 수직 연소 시간을 2-3초 증가시킬 수 있습니다.

• 개선 방향: 연소 시 방출된 실록산이 아미드 분해의 부정적인 영향을 부분적으로 상쇄할 수 있는 실란 변성 EBS(예: Clariant Licowax EBS-S)를 사용합니다.

2.3. 파라핀 왁스 (액체 파라핀/미세 결정 왁스)

• 연소 위험: 파라핀의 휘발성 성분은 표면으로 이동하여 가연성 층을 형성하는 경향이 있습니다. OI 테스트에서 2% 파라핀을 첨가하면 OI 값이 3-5포인트 감소할 수 있습니다.

• 대안: 좁은 분자량 분포를 가지고 파라핀보다 열적 안정성이 높으며 연소 시 숯 잔류물이 더 많은 높은 융점(>90°C) 피셔-트롭쉬 왁스를 사용합니다.

3. 선택 전략 및 공정 최적화

3.1. 난연제와의 시너지 설계

• 인-실리콘 시너지: 실리콘 윤활제를 인산알루미늄과 결합하면 실록산이 인 기반 난연제의 표면 농축을 촉진하여 "Si-P-char" 복합 보호층을 형성하여 OI를 35% 이상으로 높일 수 있습니다.

• 금속 비누-수산화물 시너지: 질량비 1:10(칼슘 스테아레이트:ATH)에서 형성된 칼슘 알루미네이트는 숯 강도를 향상시켜 800°C에서 잔류물을 22%에서 28%로 증가시킵니다.

3.2. 공정 매개변수 일치

• 온도 제어: 실리콘 윤활제의 최적 공정 온도는 180-200°C이며, Si-O 결합 파괴를 방지하기 위해 220°C를 초과하지 않도록 합니다. 칼슘 비누는 혼합 사이클 후반(130-150°C)에 첨가하여 조기 분해를 방지합니다.

• 분산 공정: 고충전 시스템의 경우, 윤활제와 난연제의 균일한 분산을 위해 고전단 트윈 스크류 압출기(스크류 속도 300-400rpm)를 사용합니다. 실리콘 파우더를 ATH와 사전 혼합하여 두 단계로 첨가하면 인장 강도를 12% 증가시킬 수 있습니다.

3.3. 인증 및 테스트 검증

• 기본 테스트: 산소 지수(GB/T 2406.2) ≥32%; 수직 연소(UL94) V-0; 연기 밀도(GB/T 8323.2) Dm(4min) ≤75.

• 장기 성능: 열 노화(120°C×168h) 후 인장 강도 변화는 ≤±10%여야 하며, 파단 시 신율 변화는 ≤±15%여야 합니다.

• 환경 규정 준수: RoHS 및 REACH를 준수하는 윤활제를 선호합니다. 의료용 케이블의 경우 USP Class VI와 같은 표준을 준수합니다.

4. 일반적인 배합 예시

4.1. 할로겐 프리 난연성 폴리올레핀 케이블 화합물

• 배합(중량부): EVA(VA 18%) 100, 수산화마그네슘 120, 실리콘 파우더 2, 칼슘 스테아레이트 1.5, 산화 방지제 1010 0.5, 광 안정제 770 0.3.

• 특성: OI 37%, 인장 강도 11 MPa, 파단 시 신율 160%, 열 수축(120°C×24h) 0.8%.

4.2. 고난연성 PVC 케이블 화합물

• 배합(중량부): PVC 100, 삼산화안티몬 5, 인산 에스테르 난연제 20, 칼슘 스테아레이트 1.2, OPE 왁스 1.0, 에폭시화 대두유 5.

• 특성: UL94 V-0, OI 34%, 표면 저항률 >10^14 Ω·cm. 산업 제어 케이블에 적합합니다.

5. 위험 관리 및 업계 동향

• 배치 안정성: 입고되는 윤활제 배치에 대해 열중량 분석(TGA)을 수행하여 초기 분해 온도가 >250°C이고 휘발성 물질이 ≤0.5%인지 확인합니다.

• 대안 검증: 수입 윤활제를 대체하기 위해 "단계적 대체 방법"을 사용합니다. 국내 제품 30%로 시작하여 성능 검증 후 점차 100%로 늘립니다. 예를 들어, Yanshan Petrochemical의 실리콘 파우더는 태양광 케이블에서 Dow Corning DC-3200을 성공적으로 대체했습니다.

• 지속 가능성: 바이오 기반 윤활제(예: 피마자유 기반 아미드)는 기존 윤활제보다 탄소 배출량이 ~40% 적으며, 연소 시 방출되는 CO₂는 식물에 의해 흡수될 수 있어 EU의 CBAM과 같은 규정에 부합합니다.

결론

실리콘 기반 윤활제, 금속 비누, 산화 폴리에틸렌 왁스 및 PTFE 마이크로파우더는 윤활성과 난연성의 균형을 맞춘 케이블 화합물에 이상적인 선택입니다. 실제 적용에는 특정 난연 시스템, 공정 조건 및 성능 요구 사항을 기반으로 최적화가 필요하며, 호환성 및 연소 성능에 대한 소규모 시험을 통해 검증됩니다.