輸送ケーブル用 LSZH コンパウンド: 規格とガイド

輸送において LSZH 化合物が必須である理由

輸送環境における LSZH の事例は、理論上のリスクではなく、文書化された火災事故に基づいて構築されています。 31人が死亡した1987年のロンドンのキングスクロス地下火災と、192人が死亡した2003年の韓国の大邱地下鉄火災はどちらも、閉鎖された鉄道環境でハロゲン化ケーブルの煙がいかに急速に乗客を無力化するかを実証した。両方の事故の毒物学的分析により、直接火炎接触による死亡者数を上回る死亡者数の主な原因として、ケーブルの被覆の燃焼から発生する塩化水素 (HCl) と一酸化炭素が特定されました。

輸送環境の物理的制約により、建物火災とは異なり、火災ガスの危険が増幅されます。

• 密閉された加圧空間: 地下鉄の車両や航空機の客室の空気量は固定されており、換気は限られています。煙と有毒ガスは急速に蓄積します。1,000 ppm を超える HCl 濃度は、屋外の建物の廊下では数分かかるのに比べ、そのような空間では数秒以内に直ちに生命の危険にさらされます。
• 高いケーブル密度: 最新の鉄道車両には、車両 1 台あたり 2 ～ 5 km のケーブル配線が含まれています。単一の列車セットは、その全編成にわたって 15 ～ 25 km のケーブルを運ぶことができます。これは、従来のハロゲン化化合物が全体で使用されている場合、かなりの燃料負荷となります。
• 避難の制約: 乗客はトンネル、水上、高地から自由に避難することはできません。避難時間は最短でも分単位で測定され、その間、燃焼したケーブルからの有毒ガス濃度が継続的に上昇します。
• 緊急対応者の暴露: 燃えている鉄道車両や航空機の貨物室に入る消防士は、継続的に燃焼ガスにさらされることになります。 LSZH 化合物は、反応者の急性毒性負荷を軽減し、介入の有効性を向上させます。

これらの要因は、輸送ケーブルの規格が建物のケーブル規格よりもかなり厳しい理由と、その理由を説明しています。 輸送ケーブル用LSZHコンパウンド 汎用の LSZH ケーブル素材を超える性能レベルに合わせて配合されています。

LSZH 化合物の原料

LSZH コンパウンドは、単一の材料ではなく、多成分ポリマー ブレンドです。この配合は、ケーブル処理のための機械的柔軟性、輸送メンテナンスで使用される燃料や洗浄剤に対する耐薬品性、および複数の独立した試験パラメータを満たす耐火性能を同時に実現する必要があります。主な構成グループは次のとおりです。

ベースポリマーシステム

ハロゲンフリー難燃剤 (HFFR) フィラー

三酸化アンチモンや臭素化化合物などの従来の難燃剤は、LSZH 配合から除外されます。代わりに、輸送用グレードの LSZH 化合物は、吸熱分解によって機能する水酸化鉱物システムに依存しています。これにより、火災からの熱を吸収し、可燃性ガスを希釈して火炎面を冷却する水蒸気が放出されます。

• アルミニウム三水和物 (ATH): 180 ～ 200 ℃で分解し、ATH 1 モルあたり 3 モルの水を放出します。最も広く使用されている HFFR フィラーで、通常はコンパウンドの 50 ～ 65 重量% が配合されます。これらの負荷レベルでは、ATH は熱分解に利用できる有機ポリマーの含有量を減らすことによって煙の抑制も行います。
• 水酸化マグネシウム (MDH): ATH よりも大幅に高い 300 ～ 320 ℃で分解するため、押出成形中に ATH が早期に脱水し始める 200 ℃を超える温度で処理されるコンパウンドに適しています。加工温度と難燃性の両方を達成する必要がある高性能輸送用化合物に使用されます。
• ハンタイトとハイドロマグネサイトのブレンド: ATH または MDH 単独よりも広い分解温度範囲を提供し、継続的な火炎への曝露によってさまざまな熱条件が生じる用途での性能を向上させます。 EN 45545 危険レベル HL3 認証が必要な鉄道および航空宇宙の専門配合に使用されます。
• ホウ酸亜鉛の相乗剤: チャーの形成を強化し、一次水酸化物システムによる煙密度の低減を改善するために、2 ～ 5% の添加量で添加されます。ホウ酸亜鉛は、ケーブル表面に安定した膨張性炭層を形成し、その下の未燃化合物をさらなる熱入力から遮断します。

加工添加剤および安定剤

LSZH コンパウンドに含まれる鉱物フィラーの含有量が高い (多くの場合、55 ～ 70 重量%) ため、加工上の課題が生じます。コンパウンドは、未充填の熱可塑性プラスチックよりも硬く、押出工具に対する摩耗性が高く、湿気に敏感です。輸送グレードの LSZH コンパウンドには次のものが含まれます。

• シランカップリング剤： 無機水酸化物フィラー粒子と有機ポリマーマトリックス間の接着性を向上させます。カップリング剤がないと、機械的ストレス下でフィラーとポリマーの界面が弱点となり、コンパウンドが早期脆性破壊を示す可能性があります。ビニルトリメトキシシランまたはメタクリルオキシプロピルトリメトキシシランによるカップリング処理により、未処理の同等品と比較して破断点伸びが 40 ～ 80% 向上します。
• 酸化防止剤: ヒンダードフェノール系およびホスファイト系酸化防止剤が、160 ～ 200 ℃での押出時の熱酸化劣化からベースポリマーを保護します。酸化防止剤の配合量が不十分だと、加工中に分子量の低下が生じ、完成した絶縁体の機械的性能が低下します。
• 加工助剤: フッ素ポリマーベースの加工助剤は、押出トルクとダイ圧力を低減し、耐火性能に必要な高充填量で押出されたケーブルの表面仕上げ品質を向上させます。表面の凹凸がインピーダンスの一貫性に影響を与える信号ケーブルにとっては重要です。

LSZH 輸送ケーブルを管理する主要な規格

輸送ケーブルの仕様は、複数の火災試験パラメータにわたって同時に最小性能しきい値を設定する、地域および分野固有の規格によって定義されます。単一のテストパラメータを満たすだけでは不十分です。準拠したケーブルは、関連する規格の該当するすべてのテストに合格する必要があります。

EN 45545 — 欧州鉄道規格の詳細

EN 45545-2 は、欧州市場の鉄道ケーブル材料に現在適用されている最も包括的な単一規格であり、これまで個々の国内鉄道ネットワークを管理していたパッチワークの国家規格 (NFF 16-101、DIN 5510、BS 6853) に代わるものです。火災シナリオの重大度に基づいて 3 つの危険レベルが定義されています。

• HL1: 自然換気が良く、避難時間が短い、乗車人の少ない鉄道環境に適用されます。最低限許容される性能レベル - 防火効果においては、最も要求の低い従来の国家基準と同等です。
• HL2: 屋根付き駅および短いトンネル内の標準旅客鉄道に適用されます。 HL1 よりも低い煙の不透明度 (ISO 5659-2 の最大 Ds 4 分間値 300) と厳しい毒性制限が必要です。欧州の新規車両調達の大部分では、室内ケーブルとして最低限 HL2 が指定されています。
• HL3: 最も厳しいレベルで、長トンネル鉄道（1kmを超えるトンネル）、地下鉄、寝台列車に義務付けられています。 ISO 5659-2 では Ds 4 分間の最大 150、NF X70-100 では 0.9 未満の毒性指数 (CITG) が必要です。加工可能で柔軟なコンパウンドで HL3 を達成するには、高度に最適化された配合が必要であり、通常は主な難燃剤として ATH ではなく MDH を使用します。

輸送用グレードの LSZH コンパウンドの性能特性

輸送グレードの LSZH コンパウンドは、機械的、電気的、熱的、化学的性能の要件を同時に満たさなければなりません。耐火性能だけでは不十分です。次の表は、鉄道車両ケーブル用途における主要な測定可能な特性とその一般的な目標範囲をまとめたものです。

ケーブル製造用の LSZH コンパウンドの処理

LSZH コンパウンドの鉱物フィラー含有量が高いため、標準的な熱可塑性ケーブル コンパウンドと比べてプロセスの調整が必要となる押出成形の課題が生じます。輸送グレードの LSZH 材料を加工するケーブル メーカーは通常、次のような問題に遭遇し、対処する必要があります。

押出温度プロファイル

ATH ベースの LSZH コンパウンドは、押出物中に水蒸気泡が発生して機械的特性が低下する充填剤の早期脱水を防ぐために、摂氏 200 度以下で処理する必要があります。 MDH ベースのコンパウンドは摂氏 240 度までの処理を可能にします。フィードゾーンからダイまでの温度プロファイリングは通常、表面仕上げを改善するためにダイでわずかに降下しながら上昇勾配に従います。平らまたは下降するプロファイルでは、生産率は向上せずに背圧とスクリューの摩耗が増加します。

スクリューとバレルの設計

LSZH コンパウンドの研磨性鉱物フィラー、特にモース硬度 2.5 ～ 3.0 の ATH および MDH は、標準的なスチール製のネジやバレルの摩耗を促進します。輸送用複合加工機では通常、バイメタル バレル (Xaloy または同等品) とステライト先端のフライト エッジを備えたスクリューが使用され、標準の窒化鋼工具と比較して耐用年数が 3 ～ 5 倍延長されます。高級工具の経済的ケースは単純です。大型のキャタピラ押出機の 1 つのネジ交換には 15,000 ～ 40,000 ドルの費用がかかり、3 ～ 5 日のダウンタイムが必要です。

水分管理

ATH には重量で約 34.5% の化学結合水が含まれています。この結合水が難燃性のメカニズムですが、周囲の湿度から吸収された表面の自由水分は複合加工性を低下させ、完成したケーブルの表面に縞模様、多孔性、および電気的性能の低下を引き起こす可能性があります。輸送用コンパウンド加工業者は通常、押出前に除湿ホッパードライヤーを使用して 60 ～ 80 ℃で 2 ～ 4 時間、LSZH コンパウンドを含水率 0.05 重量％未満まで予備乾燥します。

輸送ケーブル用途に適した LSZH コンパウンドの選択

輸送用 LSZH 化合物の選択プロセスは、最も広く使用されている汎用配合物をデフォルトとするのではなく、用途固有の要件を構造化して評価することによって推進される必要があります。次の決定要素が重要です。

• 規制基準と危険レベル: 特定の規格 (EN 45545、IEC 60092、FAR 25.853) と、車両内のケーブルの設置場所に必要な危険レベルまたは性能クラスを特定します。乗用車の室内ケーブルには、外部導管やエンジンルームのケーブルよりも高い性能が必要です。
• 動作温度範囲: 標準の LSZH コンパウンドは、摂氏 70 ～ 90 度での連続動作が定格されています。牽引装置、ブレーキ システム、またはエンジン コンパートメントの近くにあるケーブルには、125 ℃ または 150 ℃ の定格の化合物が必要な場合があり、架橋またはシリコーン ベースの配合が必要です。
• 柔軟性とフレックスライフの要件: 連接台車、パンタグラフ機構、またはスライド ドア上のケーブルは、継続的に屈曲します。これらの用途には、高い破断点伸び (200% 以上) と IEC 60228 または同等の曲げ寿命が検証された LSZH コンパウンドが必要です。標準の LSZH シース コンパウンドは、数か月使用すると屈曲点で亀裂が入る可能性があります。
• 化学的環境: 鉄道車両のメンテナンスには、強力な洗浄剤、作動油、ディーゼル燃料 (ハイブリッドおよび機関車用途)、および金属粒子を含むブレーキダストが含まれます。メンテナンス環境に存在する実際の液体に対する耐薬品性テストを指定します。一般的な耐油性データは、鉄道運営者が使用する特定の洗浄剤の化学薬品をカバーしていない可能性があります。
• ケーブルの直径と壁の厚さ: より薄い断熱壁 (0.5 mm 未満) では、ボイドのない被覆を実現するために、粘度が低く、フィラーの粒度分布がより細かい LSZH コンパウンドが必要です。すべての輸送グレードの LSZH コンパウンドが薄肉で一貫して加工できるわけではありません。意図したライン速度と肉厚での試行押出データを使用してコンパウンドのサプライヤーに確認してください。