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ケーブルコンパウンド配合における可燃性への影響を最小限に抑えた潤滑剤の選択

October 28, 2025

ケーブルコンパウンド配合における可燃性への影響を最小限に抑えた潤滑剤の選択

はじめに

ケーブルコンパウンド配合における潤滑剤の選択は、難燃性への影響を慎重に考慮する必要があります。最適な潤滑剤は、材料の耐火性を損なうことなく、優れた加工助剤を提供する必要があります。この記事では、化学構造、熱安定性、および難燃剤システムとの相乗効果に基づいて推奨事項を概説し、業界の慣行と研究データから引用しています。

1. 推奨される潤滑剤の種類とメカニズム

1.1. シリコーン系潤滑剤（シリコーンパウダー/オイル）

  • 主な利点: シリコーン中のSi-O結合エネルギー（452 kJ/mol）は、C-C結合（348 kJ/mol）よりも有意に高くなっています。高温では、難燃性を阻害する高密度のシリカ保護層を形成します。たとえば、ハロゲンフリー難燃性ポリオレフィンケーブルコンパウンドにJavachem® GTシリーズ（浙江嘉華）を0.5〜3％添加すると、酸素指数（OI）を37％以上に高め、ダイのビルドアップを減らし、ライン速度を20％向上させることができます。

  • 用途: EVA/PEベースのケーブルコンパウンド、特に高充填システム（>60％フィラー）に適しています。その疎水性により、吸湿性が減少し、耐候性が向上します。

  • 代表的なグレード: Dow Corning DC-3200、Shin-Etsu KF-96、浙江嘉華 GT-300。

1.2. 金属石鹸（ステアリン酸カルシウム/亜鉛）

  • 難燃性メカニズム: ステアリン酸カルシウムは200〜250℃で分解し、CaOとCO₂を生成します。CaOは水酸化アルミニウム（ATH）と反応してケイ酸カルシウムを形成し、炭化層密度を高めることができます。研究によると、2〜3％のステアリン酸カルシウムは、ピーク熱放出率（PHRR）を15％削減し、フィラー分散を改善することができます。

  • プロセス互換性: リン-窒素系難燃剤（例：MPP）との顕著な相乗効果を示します。1〜2％で使用すると、UL94 V-0定格に影響を与えることなく、ハロゲンフリー配合物中の従来の潤滑剤の一部を置き換えることができます。

  • 注: 過度の使用はブルーミングを引き起こす可能性があります。内部潤滑剤（例：ペンタエリスリトールステアレート）との併用をお勧めします。

1.3. 酸化ポリエチレンワックス（OPEワックス）

  • 特性: カルボニル含有量（1.5〜3％）は、水酸化マグネシウム（MDH）などの極性難燃剤との適合性を向上させます。高温で形成される酸化層は、燃焼を抑制することができます。試験では、1.5％のOPEワックスを含むケーブルコンパウンドは、標準のPEワックスを含むものよりも5ポイント高い32％のOIを維持しています。

  • 用途に関するアドバイス: 8000〜15000の分子量で、180〜220℃での押出プロセスに適した、高融点グレード（滴点：105〜115℃）を推奨します。

  • 代表的なグレード: Honeywell A-C 629、Clariant Licowax OP。

1.4. ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）マイクロパウダー

  • 難燃性の特徴: PTFEは高い分解温度（〜500℃）を持ち、燃焼時に微量のCO₂とHFのみを生成します。形成された炭化層は、溶融物の滴下を防ぎます。難燃性PPに0.5〜1％のPTFEマイクロパウダーを添加すると、溶融物の滴下発生率を70％から10％未満に減らすことができます。

  • 具体的な価値: 低煙ケーブル（例：鉄道輸送）に適しており、非常に低い摩擦係数（0.05〜0.1）により、高速押出中の界面摩擦熱を低減します。

  • 代表的なグレード: DuPont Teflon® MP100、Daikin Polyflon® L-15。

2. 注意が必要な潤滑剤の種類

2.1. 脂肪酸（ステアリン酸/オレイン酸）

  • リスク分析: ステアリン酸（C18H36O2）は高い燃焼熱（42 MJ/kg、PEより約10％高い）を持っています。その分解は、火炎の広がりを促進する長鎖炭化水素を生成します。0.5％以上添加すると、UL94定格がV-0からV-2に低下する可能性があります。

  • 代替案: ステアリン酸カルシウムに完全に置き換えるか、燃焼熱が18％低い低分子量ヒドロキシステアリン酸（例：12-ヒドロキシステアリン酸）を使用します。

2.2. 標準アミド（EBS）

  • 制限事項: EBSは300℃以上で分解し、アンモニアとニトリルガスを生成し、リン系難燃剤の炭化メカニズムを妨げる可能性があります。実験によると、1％のEBSは垂直燃焼時間を2〜3秒増加させる可能性があります。

  • 改善の方向性: シラン変性EBS（例：Clariant Licowax EBS-S）を使用します。燃焼中に放出されるシロキサンは、アミド分解の負の影響を部分的に打ち消すことができます。

2.3. パラフィンワックス（液体パラフィン/マイクロクリスタリンワックス）

  • 燃焼リスク: パラフィンの揮発性成分は表面に移動しやすく、可燃性の層を形成します。OI試験では、2％のパラフィンを添加すると、OI値が3〜5ポイント低下する可能性があります。

  • 代替案: 高融点（>90℃）のフィッシャー・トロプシュワックスを使用します。これは、パラフィンよりも狭い分子量分布、優れた熱安定性、および燃焼時の高い炭化残留物を持っています。

3. 選択戦略とプロセス最適化

3.1. 難燃剤との相乗効果設計

  • リン-シリコン相乗効果: シリコーン潤滑剤をホスフィン酸アルミニウムと組み合わせると、シロキサンはリン系難燃剤の表面濃縮を促進し、「Si-P-char」複合保護層を形成し、OIを35％以上に高めることができます。

  • 金属石鹸-水酸化物相乗効果: 質量比1:10（ステアリン酸カルシウム：ATH）では、形成されたケイ酸カルシウムが炭化強度を高め、800℃での残留物を22％から28％に増加させます。

3.2. プロセスパラメータのマッチング

  • 温度制御: シリコーン潤滑剤の最適な加工温度は180〜200℃です。Si-O結合の切断を防ぐために、220℃を超えないようにしてください。金属石鹸は、早期分解を防ぐために、混合サイクルの後半（130〜150℃）で添加します。

  • 分散プロセス: 高充填システムでは、潤滑剤と難燃剤を均一に分散させるために、高せん断（スクリュー速度300〜400 rpm）の二軸押出機を使用します。シリコーンパウダーをATHと予備混合し、2段階で添加すると、引張強度が12％向上します。

3.3. 認証と試験検証

  • 基本試験: 酸素指数（GB/T 2406.2）≥32％; 垂直燃焼（UL94）V-0; 煙密度（GB/T 8323.2）Dm（4分）≤75。

  • 長期性能: 熱老化（120℃×168時間）後、引張強度の変化は≤±10％、破断伸びの変化は≤±15％である必要があります。

  • 環境コンプライアンス: RoHSおよびREACHに準拠した潤滑剤を推奨します。医療用ケーブルの場合は、USP Class VIなどの規格に準拠してください。

4. 典型的な配合例

4.1. ハロゲンフリー難燃性ポリオレフィンケーブルコンパウンド

  • 配合（重量部）: EVA（VA 18％）100、水酸化マグネシウム120、シリコーンパウダー2、ステアリン酸カルシウム1.5、酸化防止剤1010 0.5、光安定剤770 0.3。

  • 特性: OI 37％、引張強度11 MPa、破断伸び160％、熱収縮（120℃×24時間）0.8％。

4.2. 高難燃性PVCケーブルコンパウンド

  • 配合（重量部）: PVC 100、三酸化アンチモン5、リン酸エステル難燃剤20、ステアリン酸カルシウム1.2、OPEワックス1.0、エポキシ化大豆油5。

  • 特性: UL94 V-0、OI 34％、表面抵抗率>10^14 Ω・cm。産業用制御ケーブルに適しています。

5. リスク管理と業界トレンド

  • バッチ安定性: 入荷する潤滑剤バッチについて、初期分解温度>250℃および揮発性≤0.5％を確保するために、熱重量分析（TGA）を実施します。

  • 代替検証: 輸入潤滑剤を代替するには、「段階的置換法」を使用します。国産品を30％から始め、性能検証後に徐々に100％に増やします。たとえば、燕山石油化学のシリコーンパウダーは、太陽光発電ケーブルでDow Corning DC-3200の代替に成功しています。

  • 持続可能性: バイオベースの潤滑剤（例：ヒマシ油ベースのアミド）は、従来の潤滑剤よりも約40％低い炭素排出量であり、燃焼中に放出されるCO₂は植物に吸収される可能性があり、EUのCBAMなどの規制に沿っています。

結論

シリコーン系潤滑剤、金属石鹸、酸化ポリエチレンワックス、およびPTFEマイクロパウダーは、潤滑性と難燃性のバランスをとるケーブルコンパウンドに最適な選択肢です。実際的な用途には、特定の難燃剤システム、加工条件、および性能要件に基づいて最適化が必要であり、互換性と燃焼性能について小規模な試験で検証する必要があります。