Composti LSZH per cavi di trasporto: standard e guida

Perché i composti LSZH sono obbligatori nei trasporti

Il caso dell’LSZH negli ambienti di trasporto si basa su incidenti di incendio documentati piuttosto che su rischi teorici. L'incendio della metropolitana di King's Cross a Londra nel 1987, che uccise 31 persone, e l'incendio della metropolitana di Daegu in Corea del Sud nel 2003, che uccise 192 persone, hanno entrambi dimostrato quanto rapidamente il fumo dei cavi alogenati paralizzi i passeggeri negli ambienti ferroviari chiusi. L'analisi tossicologica di entrambi gli incidenti ha identificato l'acido cloridrico (HCl) e il monossido di carbonio derivanti dalla combustione del rivestimento del cavo come principali fattori che contribuiscono al conteggio delle vittime che supera quello attribuibile al contatto diretto con la fiamma.

I vincoli fisici degli ambienti di trasporto amplificano i rischi legati ai gas di incendio in modi che gli incendi negli edifici non fanno:

• Spazi chiusi e pressurizzati: Una carrozza della metropolitana o una cabina di un aereo ha un volume d'aria fisso con ventilazione limitata. Fumo e gas tossici si accumulano rapidamente: concentrazioni di HCl superiori a 1.000 ppm diventano immediatamente pericolose per la vita in pochi secondi in tali spazi, rispetto ai minuti in un corridoio aperto di un edificio.
• Elevata densità di cavi: Il moderno materiale rotabile contiene 2–5 km di cavi per veicolo. Un singolo convoglio può trasportare 15-25 km di cavo su tutta la sua struttura: un carico di carburante notevole se vengono utilizzati ovunque composti alogenati convenzionali.
• Vincoli di evacuazione: I passeggeri non possono evacuare liberamente da un tunnel, sull'acqua o in quota. Il tempo di evacuazione viene misurato come minimo in minuti, durante i quali la concentrazione di gas tossici provenienti dai cavi in ​​fiamme aumenta continuamente.
• Esposizione del soccorritore di emergenza: I vigili del fuoco che entrano in un veicolo ferroviario o nella stiva di un aereo in fiamme devono affrontare un'esposizione prolungata ai gas di combustione. I composti LSZH riducono il carico tossico acuto sui soccorritori, migliorando l'efficacia dell'intervento.

Questi fattori spiegano perché gli standard sui cavi per il trasporto sono considerevolmente più rigorosi rispetto agli standard sui cavi per l’edilizia, e perché Mescole LSZH per cavi di trasporto sono formulati per livelli di prestazioni che superano i materiali dei cavi LSZH per uso generale.

Da cosa sono fatti i composti LSZH

Un composto LSZH è una miscela polimerica multicomponente anziché un singolo materiale. La formulazione deve offrire contemporaneamente flessibilità meccanica per la lavorazione dei cavi, resistenza chimica ai carburanti e ai detergenti utilizzati nella manutenzione dei trasporti e prestazioni antincendio che soddisfino numerosi parametri di test indipendenti. I principali gruppi costituenti sono:

Sistemi polimerici di base

Riempitivi ritardanti di fiamma senza alogeni (HFFR).

I ritardanti di fiamma convenzionali come il triossido di antimonio e i composti bromurati sono esclusi dalle formulazioni LSZH. Invece, i composti LSZH adatti ai trasporti si basano su sistemi di idrossidi minerali che funzionano mediante decomposizione endotermica, assorbendo il calore dal fuoco e rilasciando vapore acqueo che diluisce i gas combustibili e raffredda il fronte di fiamma:

• Triidrato di alluminio (ATH): Si decompone a 180–200 gradi Celsius, rilasciando tre moli di acqua per mole di ATH. Il riempitivo HFFR più utilizzato, tipicamente caricato al 50–65% in peso del composto. A questi livelli di carico, ATH fornisce anche la soppressione del fumo riducendo il contenuto di polimeri organici disponibili per la pirolisi.
• Idrossido di magnesio (MDH): Si decompone a 300–320 gradi Celsius - significativamente superiore all'ATH - rendendolo adatto per composti lavorati a temperature superiori a 200 gradi dove l'ATH inizierebbe a disidratarsi prematuramente durante l'estrusione. Utilizzato in composti di trasporto ad alte prestazioni dove è necessario raggiungere sia la temperatura di lavorazione che il ritardo di fiamma.
• Miscele di Huntite e Idromagnesite: Forniscono un intervallo di temperature di decomposizione più ampio rispetto ai soli ATH o MDH, migliorando le prestazioni nelle applicazioni in cui l'esposizione prolungata alla fiamma produce una gamma di condizioni termiche. Utilizzato in formulazioni specializzate nel settore ferroviario e aerospaziale dove è richiesta la certificazione EN 45545 Livello di pericolo HL3.
• Sinergici del borato di zinco: Aggiunto con un carico del 2–5% per migliorare la formazione di carbone e migliorare la riduzione della densità del fumo fornita dal sistema di idrossido primario. Il borato di zinco promuove uno strato carbonizzato stabile e intumescente sulla superficie del cavo che isola il composto incombusto sottostante da ulteriore apporto di calore.

Additivi e stabilizzanti di lavorazione

Gli elevati carichi di riempitivo minerale nei composti LSZH (spesso 55-70% in peso) creano sfide di lavorazione: il composto è più rigido, più abrasivo per gli utensili di estrusione e più sensibile all'umidità rispetto ai materiali termoplastici non riempiti. I composti LSZH di grado trasporto includono:

• Agenti accoppianti silanici: Migliora l'adesione tra le particelle di riempitivo di idrossido inorganico e la matrice polimerica organica. Senza agenti di accoppiamento, l'interfaccia polimero riempitivo diventa il punto debole sotto stress meccanico e i composti possono presentare fratture fragili precoci. Il trattamento di accoppiamento con viniltrimetossisilano o metacrilossipropiltrimetossisilano migliora l'allungamento a rottura del 40–80% rispetto agli equivalenti non trattati.
• Antiossidanti: Gli antiossidanti fenolici e fosfiti impediti proteggono il polimero di base dalla degradazione ossidativa termica durante l'estrusione a 160–200 gradi Celsius. Un carico antiossidante insufficiente provoca una riduzione del peso molecolare durante la lavorazione, riducendo le prestazioni meccaniche dell'isolante finito.
• Ausiliari di elaborazione: I coadiuvanti tecnologici a base di fluoropolimeri riducono la coppia di estrusione e la pressione dello stampo, migliorando la qualità della finitura superficiale sui cavi estrusi con gli elevati carichi di riempitivo richiesti per le prestazioni antincendio. Fondamentale per i cavi di segnale in cui l'irregolarità della superficie influisce sulla coerenza dell'impedenza.

Norma chiave che regolano i cavi di trasporto LSZH

Le specifiche dei cavi di trasporto sono definite da standard regionali e specifici del settore che stabiliscono soglie prestazionali minime per più parametri di prova antincendio contemporaneamente. Soddisfare un singolo parametro di test non è sufficiente: i cavi conformi devono superare tutti i test applicabili nello standard pertinente:

EN 45545 — La norma ferroviaria europea in dettaglio

La EN 45545-2 è la norma unica più completa attualmente applicata ai materiali dei cavi ferroviari nel mercato europeo, in sostituzione del mosaico di norme nazionali (NFF 16-101, DIN 5510, BS 6853) che in precedenza regolavano le singole reti ferroviarie nazionali. Definisce tre livelli di pericolo in base alla gravità dello scenario di incendio:

• HL1: Si applica agli ambienti ferroviari a bassa occupazione con una buona ventilazione naturale e tempi di evacuazione brevi. Il livello di prestazione minimo accettabile: equivalente in termini di sicurezza antincendio agli standard nazionali meno esigenti.
• HL2: Si applica alla ferrovia passeggeri standard nelle stazioni coperte e nei tunnel brevi. Richiede un'opacità del fumo inferiore (valore massimo Ds a 4 minuti pari a 300 nella norma ISO 5659-2) e limiti di tossicità più severi rispetto a HL1. La maggior parte degli appalti di nuovo materiale rotabile europeo specifica HL2 come minimo per i cavi interni.
• HL3: Il livello più severo, obbligatorio per le ferrovie a tunnel lungo (tunnel superiori a 1 km), le metropolitane e i treni con cuccette. Richiede Ds 4 minuti massimo di 150 secondo ISO 5659-2 e indice di tossicità (CITG) inferiore a 0,9 secondo NF X70-100. Per ottenere il livello HL3 con un composto flessibile e lavorabile è necessaria una formulazione altamente ottimizzata e in genere l'uso di MDH anziché ATH come ritardante di fiamma primario.

Proprietà prestazionali dei composti LSZH di grado trasporto

Un composto LSZH adatto ai trasporti deve soddisfare contemporaneamente i requisiti di prestazione meccanica, elettrica, termica e chimica: la sola prestazione al fuoco non è sufficiente. La tabella seguente riassume le principali proprietà misurabili e i relativi intervalli target tipici per le applicazioni di cavi per materiale rotabile:

Elaborazione di composti LSZH per la produzione di cavi

L'elevato contenuto di riempitivo minerale dei composti LSZH crea sfide di estrusione che richiedono aggiustamenti del processo rispetto ai composti per cavi termoplastici standard. I produttori di cavi che lavorano materiali LSZH adatti ai trasporti in genere incontrano e devono affrontare:

Profili di temperatura di estrusione

I composti LSZH a base di ATH devono essere lavorati a temperature inferiori a 200 gradi Celsius per prevenire la disidratazione prematura del riempitivo, che genera bolle di vapore acqueo nell'estruso e degrada le proprietà meccaniche. I composti a base di MDH consentono la lavorazione fino a 240 gradi Celsius. Il profilo della temperatura dalla zona di alimentazione allo stampo segue tipicamente un gradiente crescente con un leggero calo sullo stampo per migliorare la finitura superficiale: un profilo piatto o discendente aumenta la contropressione e l'usura sulla vite senza migliorare la velocità di produzione.

Design a vite e cilindro

I riempitivi minerali abrasivi nei composti LSZH, in particolare ATH e MDH con durezza Mohs di 2,5–3,0, accelerano l'usura delle viti e dei cilindri in acciaio standard. I trasformatori di composti per il trasporto utilizzano in genere cilindri bimetallici (Xaloy o equivalente) e viti con bordi di volo con punta in stellite, che prolungano la durata di servizio di un fattore 3-5 rispetto agli utensili standard in acciaio nitrurato. Il vantaggio economico per gli utensili premium è semplice: la sostituzione di una singola vite su un estrusore caterpillar di grandi dimensioni costa dai 15.000 ai 40.000 dollari e richiede 3-5 giorni di fermo macchina.

Gestione dell'umidità

L'ATH contiene circa il 34,5% in peso di acqua legata chimicamente. Sebbene l'acqua legata sia il meccanismo del ritardo di fiamma, l'umidità superficiale libera assorbita dall'umidità ambientale riduce la lavorabilità del composto e può causare striature superficiali, porosità e prestazioni elettriche ridotte nel cavo finito. I trasformatori di composti per il trasporto in genere preasciugano i composti LSZH fino a un contenuto di umidità inferiore allo 0,05% in peso utilizzando essiccatori a tramoggia deumidificanti a 60–80 gradi Celsius per 2–4 ore prima dell'estrusione.

Selezione del composto LSZH giusto per un'applicazione di cavi di trasporto

Il processo di selezione di un composto LSZH per il trasporto dovrebbe essere guidato da una valutazione strutturata dei requisiti specifici dell'applicazione piuttosto che ricorrere alla formulazione generica più utilizzata. I seguenti fattori decisionali sono critici:

• Standard normativo e livello di pericolo: Individuare la norma specifica (EN 45545, IEC 60092, FAR 25.853) e il livello di pericolo o classe di prestazione richiesta per il luogo di installazione del cavo all'interno del veicolo. I cavi interni nelle berline passeggeri richiedono prestazioni più elevate rispetto ai cavi nelle tubazioni esterne o nei vani motore.
• Intervallo di temperatura operativa: I composti LSZH standard sono classificati per il funzionamento continuo a 70–90 gradi Celsius. I cavi in ​​prossimità di apparecchiature di trazione, sistemi di frenatura o vani motore possono richiedere composti classificati per 125 gradi Celsius o 150 gradi Celsius, richiedendo formulazioni reticolate o a base di silicone.
• Requisiti di flessibilità e durata flessibile: I cavi dei carrelli articolati, dei meccanismi a pantografo o delle porte scorrevoli sono sottoposti a flessioni continue. Queste applicazioni richiedono mescole LSZH con elevato allungamento a rottura (superiore al 200%) e durata di flessione convalidata secondo IEC 60228 o equivalente: i composti per guaine LSZH standard possono rompersi nei punti di flessione entro mesi di servizio.
• Ambiente chimico: La manutenzione del materiale rotabile coinvolge detergenti aggressivi, fluidi idraulici, carburante diesel (su applicazioni ibride e locomotive) e polvere dei freni contenente particolati metallici. Specificare i test di resistenza chimica rispetto ai fluidi reali presenti nell'ambiente di manutenzione: i dati generici sulla resistenza all'olio potrebbero non coprire la chimica specifica dell'agente detergente utilizzato dall'operatore ferroviario.
• Diametro del cavo e spessore della parete: Pareti isolanti più sottili (inferiori a 0,5 mm) richiedono composti LSZH con viscosità inferiore e distribuzione granulometrica delle particelle di riempitivo più fine per ottenere una copertura priva di vuoti. Non tutti i composti LSZH adatti ai trasporti vengono lavorati in modo coerente con spessori di parete sottili: verificare con il fornitore del composto utilizzando i dati di estrusione di prova alla velocità della linea e allo spessore di parete previsti.