पॉलीविनाइल क्लोराईड (पीव्हीसी) ही केबल इन्सुलेशन आणि आवरण सामग्रीसाठी प्रबळ निवड आहे आणि त्याचे ज्वालारोधक गुणधर्म थेट पॉवर सिस्टमच्या सुरक्षित ऑपरेशनशी संबंधित आहेत. असंख्य ज्वालारोधकांमध्ये,3.5 हायड्रेटेड झिंक बोरेट (2ZnO·3B₂O₃·3.5H₂O)पीव्हीसी केबल फॉर्म्युलेशनमध्ये एक प्रमुख घटक बनला आहे. हा लेख या निवडीमागील वैज्ञानिक आधाराचे पद्धतशीरपणे विश्लेषण करेल.
3.5% हायड्रेटेड झिंक बोरेट (सुमारे 14.5%) ची क्रिस्टल पाण्याची सामग्री त्याच्या थर्मल विघटन तापमान आणि पीव्हीसीचे प्रारंभिक विघटन तापमान (सुमारे 200-300 डिग्री सेल्सिअस) यांच्यात एक आदर्श जुळणी साधण्यासाठी अचूकपणे डिझाइन केली गेली आहे. जेव्हा केबलला आगीच्या स्रोताचा सामना करावा लागतो, तेव्हा झिंक बोरेट 210-320 डिग्री सेल्सिअस तापमान श्रेणीमध्ये क्रिस्टलीय पाणी सोडते.
Zn₂B₆O₁₁·3.5H₂O → Zn₂B₆O₁₁ + 3.5H₂O↑
ही प्रक्रिया मोठ्या प्रमाणात उष्णता शोषून घेते (सुमारे 280 J/g डीहायड्रेशन एन्थॅल्पी), सामग्रीच्या पृष्ठभागाचे तापमान प्रभावीपणे कमी करते आणि पीव्हीसी रेझिन मॅट्रिक्सच्या थर्मल डिग्रेडेशन रेटला विलंब करते. 5-हायड्रेट आणि 7-हायड्रेट सारख्या उच्च हायड्रेशन प्रकारांच्या तुलनेत, 3.5 हायड्रेटची डीहायड्रेशन तापमान विंडो अधिक अचूक आहे, अकाली निर्जलीकरण किंवा विलंबित निर्जलीकरणामुळे होणारे संरक्षण ब्लाइंड स्पॉट्स टाळते.
निर्जलित निर्जल झिंक बोरेट (Zn₂B₆O₁₁) 400-500°C वर वितळते आणि PVC विघटनाने तयार झालेल्या हायड्रोजन क्लोराईड (HCl) सोबत प्रतिक्रिया देते:
Zn₂B₆O₁₁ + 12HCl → 2ZnCl₂ + 6BCl₃ + 6H₂O
व्युत्पन्न केलेले ZnCl₂ आणि BCl₃ पीव्हीसीच्या क्रॉसलिंकिंग प्रतिक्रियेला प्रोत्साहन देण्यासाठी लुईस ऍसिड उत्प्रेरक म्हणून कार्य करतात, ज्यामुळे विस्तारित कार्बन थर तयार होतो. त्याच वेळी, बोरॉन ऑक्साईड 700 डिग्री सेल्सियसपेक्षा जास्त तापमानात चिकट B₂O₃ काचेमध्ये रूपांतरित होते.
2BCl₃ + 3H₂O → B₂O₃ + 6HCl
काचेचे शरीर कार्बनच्या थराची पृष्ठभाग व्यापते, एक दाट संरक्षणात्मक अडथळा तयार करते. त्याची डायनॅमिक स्निग्धता (10³-10⁴ Pa·s) ऑक्सिजन पारगम्यता आणि ज्वालाच्या तापमानात उष्णता हस्तांतरण प्रभावीपणे अवरोधित करू शकते.
पीव्हीसी पायरोलिसिसमधून मुक्त होणारे एचसीएल केवळ सामग्रीच्या ऱ्हासाला गती देत नाही तर संक्षारक आणि विषारी धूर देखील तयार करते.झिंक बोरेटद्वि-चरण प्रतिक्रियेद्वारे HCl कार्यक्षमतेने कॅप्चर करते:
1. प्राथमिक कॅप्चर: ZnCl ₂ आणि बोरिक ऍसिड तयार करण्यासाठी पृष्ठभागावरील हायड्रॉक्सिल गट एचसीएलवर प्रतिक्रिया देतात
2. दुय्यम कॅप्चर: व्युत्पन्न बोरिक ऍसिड पुढे HCl वर प्रतिक्रिया देऊन BCl₃ बनवते.
3.5 हायड्रेटेड झिंक बोरेटचा प्रत्येक तीळ सैद्धांतिकदृष्ट्या 43.7% च्या कॅप्चर क्षमतेसह 12 mol HCl वापरू शकतो. ॲल्युमिनियम हायड्रॉक्साईड (केवळ 33%) सारख्या पारंपारिक ज्वालारोधकांच्या तुलनेत, त्याची युनिट मास ऍसिड न्यूट्रलायझेशन कार्यक्षमता 32% ने वाढली आहे.
पीव्हीसी केबल्सच्या फॉर्म्युलेशनमध्ये, झिंक बोरेट Sb₂O₃ सह एक महत्त्वपूर्ण समन्वयात्मक प्रभाव प्रदर्शित करते:
Zn₂B₆O₁₁ + Sb₂O₃ + HCl → ZnSb₂O₅+बोरोसिलिकेट ग्लास फेज
व्युत्पन्न केलेल्या झिंक अँटीमोनी स्पिनल (ZnSb₂O₅) मध्ये उच्च थर्मल स्थिरता (>1000°C) आणि मजबूत उत्प्रेरक कार्बनीकरण क्षमता ही वैशिष्ट्ये आहेत. प्रायोगिक डेटा दर्शवितो की जेव्हा झिंक बोरेट Sb ₂ O3 सह 3:2 वस्तुमान गुणोत्तरामध्ये मिश्रित केले जाते, तेव्हा मर्यादा ऑक्सिजन निर्देशांक (LOI) 28% वरून 34% पर्यंत वाढवता येतो आणि धुराची घनता 40% ने कमी केली जाऊ शकते.
समान कण आकार असलेल्या ज्वालारोधकांच्या तुलनेत, 3.5 हायड्रेटेड झिंक बोरेटची मोहस कठोरता केवळ 2.5 आहे, सिलिका (7.0) सारख्या फिलरपेक्षा खूपच कमी आहे. त्याचे शीट-सारखे क्रिस्टल फॉर्म (सरासरी कण आकार 1-3 μm, गुणोत्तर 8-15) PVC मॅट्रिक्समध्ये "कार्ड सारखे" स्टॅक तयार करू शकतात. 15-20 phr च्या डोसमध्ये जोडल्यास:
· तन्य शक्ती धारणा दर>85%
ब्रेकमध्ये वाढ केवळ 12-18% कमी होते
मॅग्नेशियम हायड्रॉक्साईड सारख्या ज्वालारोधकांच्या तुलनेत एक्सट्रूजन प्रक्रियाक्षमतेवर होणारा परिणाम लक्षणीयरीत्या कमी असतो
हायड्रेशनच्या विविध अंशांसह झिंक बोरेटच्या कामगिरीची तुलना:
|
हायड्रेटेड फॉर्म |
निर्जलीकरण सुरू होणारे तापमान (°C) |
मुख्य निर्जलीकरण अंतराल (°C) |
पीव्हीसी प्रक्रिया तापमानाशी जुळणारी पदवी |
|
3.5 हायड्रेशन |
215 |
225-320 |
उत्कृष्ट (पीव्हीसी प्रक्रिया 180-210 डिग्री सेल्सियस) |
|
5 हायड्रेशन |
185 |
190-280 |
चांगले ( लवकर निर्जलीकरणाच्या जोखमीसह) |
|
७ हायड्रेशन |
150 |
१५५-२६० |
खराब (प्रक्रिया करताना पाणी कमी होण्याची शक्यता असते) |
3.5 प्रक्रिया करताना निर्जलीकरणामुळे होणारे सच्छिद्रता आणि पृष्ठभागावरील दोष टाळण्यासाठी PVC (170-190°C) च्या पारंपारिक एक्सट्रूजन तापमानात हायड्रेट्स स्थिर राहतात.
जेव्हा झिंक बोरेटचा डायलेक्ट्रिक स्थिरांक (ε _r=4.2-4.8) PVC मॅट्रिक्स (ε _r=4.0-4.5) च्या जवळ असतो आणि त्याची स्तरित रचना विद्युत क्षेत्राच्या दिशेला समांतर मांडलेली असते:
· 10 ¹⁴Ω· cm पेक्षा जास्त आवाज प्रतिरोधकता ठेवा
· डाईलेक्ट्रिक नुकसान स्पर्शिका मूल्य वाढ 0.002 पेक्षा कमी आहे
केबल कॅपेसिटन्सच्या एकसमानतेवर कमीतकमी प्रभाव पडतो
पर्यावरण मित्रत्व:
तीव्र तोंडी विषाक्तता LD50>5000 mg/kg (वास्तविक गैर-विषारी पातळी)
हॅलोजन, जड धातू (शिसे, कॅडमियम, क्रोमियम इ.) नसतात.
· ज्वलन उत्पादनांमध्ये CO निर्मितीमध्ये 35% घट (पारंपारिक ज्वालारोधक प्रणालींच्या तुलनेत)
धूर दाबण्याची यंत्रणा:
झिंक बोरेट PVC मध्ये ॲलिफॅटिक तुकड्यांऐवजी सुगंधी कार्बन संरचना तयार करण्यास प्रोत्साहन देते, धुराच्या कणांचे न्यूक्लिएशन थ्रेशोल्ड तापमान 350°C ते 480°C पर्यंत वाढवते आणि धुराची घनता (NBS पद्धत) 50-60% कमी करते.
· कमी धूर आणि हॅलोजन-मुक्त आवश्यकता: मॅग्नेशियम हायड्रॉक्साईड (40 phr) सह एकत्रितपणे झिंक बोरेटचा डोस 25 phr पर्यंत वाढवणे, IEC 61034 धुराची घनता प्राप्त करू शकते<200
· उच्च उष्णता प्रतिरोधक पातळी (105°C): ट्रिमेलिटिक ऍसिड एस्टर प्लास्टिसायझर वापरून, झिंक बोरेटच्या पृष्ठभागावर सिलेन कपलिंग एजंटने उपचार केले जातात आणि थर्मल एजिंगनंतर वाढीव धारणा दर>70% वर राखला जातो.
चा अर्ज3.5 हायड्रेटेड झिंक बोरेटPVC केबल्स मधील "मल्टी मेकॅनिझम सिनर्जी" आणि ज्वालारोधी विज्ञानातील "कार्यक्षमता संतुलन" च्या मूळ कल्पना प्रतिबिंबित करतात. त्यातील अचूक क्रिस्टल पाण्याचे प्रमाण, उत्कृष्ट ऍसिड कॅप्चर करण्याची क्षमता, अँटीमोनी आधारित फ्लेम रिटार्डंट्ससह कार्यक्षम ताळमेळ आणि सामग्रीच्या इलेक्ट्रिकल आणि यांत्रिक गुणधर्मांवर कमीत कमी प्रभाव यामुळे आधुनिक केबल फ्लेम रिटार्डन्सी, कमी धूर, विषाक्तता नसणे आणि उच्च पुनरुत्पादन या सर्वसमावेशक आवश्यकता पूर्ण करण्यासाठी एक आदर्श पर्याय आहे.
