LSZH-Compounds für Transportkabel: Standards und Leitfaden

Warum LSZH-Verbindungen im Transportwesen obligatorisch sind

Die Argumente für LSZH in Transportumgebungen basieren eher auf dokumentierten Brandvorfällen als auf theoretischen Risiken. Der Brand in der U-Bahn King's Cross in London im Jahr 1987, bei dem 31 Menschen ums Leben kamen, und der Brand in der U-Bahn in Daegu in Südkorea im Jahr 2003, bei dem 192 Menschen ums Leben kamen, zeigten beide, wie schnell halogenierter Kabelrauch Fahrgäste in geschlossenen Bahnumgebungen außer Gefecht setzt. Die toxikologische Analyse beider Vorfälle ergab, dass Chlorwasserstoff (HCl) und Kohlenmonoxid aus brennenden Kabelummantelungen die Hauptursachen für die Zahl der Todesopfer waren, die über denen lag, die auf direkten Flammenkontakt zurückzuführen waren.

Die physischen Einschränkungen der Transportumgebung verstärken die Gefahr von Brandgasen in einer Weise, wie es bei Gebäudebränden nicht der Fall ist:

• Geschlossene, unter Druck stehende Räume: Ein U-Bahn-Wagen oder eine Flugzeugkabine verfügt über ein festes Luftvolumen mit begrenzter Belüftung. Rauch und giftige Gase sammeln sich schnell an – HCl-Konzentrationen über 1.000 ppm werden in solchen Räumen innerhalb von Sekunden sofort lebensgefährlich, verglichen mit Minuten in einem offenen Gebäudekorridor.
• Hohe Kabeldichte: Moderne Schienenfahrzeuge verfügen über 2–5 km Verkabelung pro Fahrzeug. Ein einzelner Zugverband kann über seine gesamte Länge 15–25 km Kabel transportieren – eine beträchtliche Treibstoffbelastung, wenn durchgehend herkömmliche halogenierte Verbindungen verwendet werden.
• Evakuierungsbeschränkungen: Passagiere können nicht ungehindert aus einem Tunnel, über Wasser oder in der Höhe evakuieren. Die Evakuierungszeit wird mindestens in Minuten gemessen, wobei die Konzentration giftiger Gase aus brennenden Kabeln kontinuierlich ansteigt.
• Exposition des Notfallhelfers: Feuerwehrleute, die ein brennendes Schienenfahrzeug oder einen Frachtraum eines Flugzeugs betreten, sind nachhaltig den Verbrennungsgasen ausgesetzt. LSZH-Verbindungen verringern die akute toxische Belastung der Ersthelfer und verbessern so die Wirksamkeit der Intervention.

Diese Faktoren erklären, warum die Standards für Transportkabel erheblich strenger sind als die Standards für Gebäudekabel und warum LSZH-Compounds für Transportkabel sind auf Leistungsniveaus formuliert, die die von Allzweck-LSZH-Kabelmaterialien übertreffen.

Woraus LSZH-Compounds hergestellt werden

Bei einem LSZH-Compound handelt es sich nicht um ein einzelnes Material, sondern um eine mehrkomponentige Polymermischung. Die Formulierung muss gleichzeitig mechanische Flexibilität für die Kabelverarbeitung, chemische Beständigkeit gegenüber Kraftstoffen und Reinigungsmitteln, die bei der Wartung von Transportmitteln verwendet werden, sowie eine Brandschutzleistung bieten, die mehrere unabhängige Testparameter erfüllt. Die Hauptbestandteilsgruppen sind:

Basispolymersysteme

Halogenfreie flammhemmende (HFFR) Füllstoffe

Herkömmliche Flammschutzmittel wie Antimontrioxid und bromierte Verbindungen sind von LSZH-Formulierungen ausgeschlossen. Stattdessen basieren LSZH-Verbindungen in Transportqualität auf Mineralhydroxidsystemen, die durch endotherme Zersetzung funktionieren – sie absorbieren die Hitze des Feuers und setzen Wasserdampf frei, der brennbare Gase verdünnt und die Flammenfront kühlt:

• Aluminiumtrihydrat (ATH): Zersetzt sich bei 180–200 Grad Celsius und setzt drei Mol Wasser pro Mol ATH frei. Der am weitesten verbreitete HFFR-Füllstoff, typischerweise mit 50–65 Gew.-% der Mischung enthalten. Bei diesen Beladungsniveaus sorgt ATH auch für eine Rauchunterdrückung, indem es den für die Pyrolyse verfügbaren organischen Polymergehalt reduziert.
• Magnesiumhydroxid (MDH): Zersetzt sich bei 300–320 Grad Celsius – deutlich höher als ATH – und eignet sich daher für Verbindungen, die bei Temperaturen über 200 Grad verarbeitet werden, bei denen ATH während der Extrusion vorzeitig zu dehydrieren beginnt. Wird in hochleistungsfähigen Transportverbindungen verwendet, bei denen sowohl Verarbeitungstemperatur als auch Flammhemmung erreicht werden müssen.
• Huntit- und Hydromagnesit-Mischungen: Bieten einen breiteren Zersetzungstemperaturbereich als ATH oder MDH allein und verbessern so die Leistung bei Anwendungen, bei denen eine anhaltende Flammeneinwirkung eine Reihe thermischer Bedingungen erzeugt. Wird in speziellen Formulierungen für den Schienenverkehr und die Luft- und Raumfahrt verwendet, bei denen eine Zertifizierung nach EN 45545 Hazard Level HL3 erforderlich ist.
• Zinkborat-Synergisten: Wird mit einer Beladung von 2–5 % hinzugefügt, um die Verkohlungsbildung zu fördern und die Rauchdichtereduzierung durch das primäre Hydroxidsystem zu verbessern. Zinkborat fördert eine stabile, intumeszierende Kohleschicht auf der Kabeloberfläche, die die unverbrannte Verbindung darunter vor weiterer Wärmezufuhr schützt.

Verarbeitungsadditive und Stabilisatoren

Der hohe Gehalt an mineralischen Füllstoffen in LSZH-Compounds (häufig 55–70 Gew.-%) führt zu Verarbeitungsproblemen – der Compound ist steifer, abrasiver gegenüber Extrusionswerkzeugen und empfindlicher gegenüber Feuchtigkeit als ungefüllte Thermoplaste. Zu den LSZH-Verbindungen in Transportqualität gehören:

• Silan-Haftvermittler: Verbessern Sie die Haftung zwischen den anorganischen Hydroxid-Füllstoffpartikeln und der organischen Polymermatrix. Ohne Haftvermittler wird die Grenzfläche zwischen Füllstoff und Polymer zur Schwachstelle bei mechanischer Belastung, und Verbindungen können vorzeitig spröde brechen. Eine Kupplungsbehandlung mit Vinyltrimethoxysilan oder Methacryloxypropyltrimethoxysilan verbessert die Bruchdehnung um 40–80 % im Vergleich zu unbehandelten Äquivalenten.
• Antioxidantien: Gehinderte Phenol- und Phosphit-Antioxidantien schützen das Basispolymer vor thermisch-oxidativem Abbau während der Extrusion bei 160–200 Grad Celsius. Eine unzureichende Beladung mit Antioxidantien führt zu einer Verringerung des Molekulargewichts während der Verarbeitung und verringert die mechanische Leistung der fertigen Isolierung.
• Verarbeitungshilfsmittel: Verarbeitungshilfsmittel auf Fluorpolymerbasis reduzieren das Extrusionsdrehmoment und den Düsendruck und verbessern die Oberflächengüte von Kabeln, die mit den für die Feuerbeständigkeit erforderlichen hohen Füllstoffmengen extrudiert werden. Kritisch für Signalkabel, bei denen Oberflächenunregelmäßigkeiten die Impedanzkonsistenz beeinträchtigen.

Wichtige Standards für LSZH-Transportkabel

Die Spezifikationen für Transportkabel werden durch regionale und branchenspezifische Standards definiert, die Mindestleistungsschwellenwerte für mehrere Brandtestparameter gleichzeitig festlegen. Die Erfüllung eines einzelnen Testparameters reicht nicht aus – konforme Kabel müssen alle anwendbaren Tests in der relevanten Norm bestehen:

EN 45545 – Die europäische Eisenbahnnorm im Detail

EN 45545-2 ist die umfassendste Einzelnorm, die derzeit auf Eisenbahnkabelmaterialien auf dem europäischen Markt angewendet wird, und ersetzt den Flickenteppich nationaler Normen (NFF 16-101, DIN 5510, BS 6853), der zuvor einzelne nationale Schienennetze regelte. Es definiert drei Gefahrenstufen basierend auf der Schwere des Brandszenarios:

• HL1: Gilt für Bahnumgebungen mit geringer Auslastung, guter natürlicher Belüftung und kurzen Evakuierungszeiten. Das akzeptable Mindestleistungsniveau – entspricht hinsichtlich der Brandschutzergebnisse den am wenigsten anspruchsvollen nationalen Standards.
• HL2: Gilt für den normalen Personenverkehr in überdachten Bahnhöfen und kurzen Tunneln. Erfordert eine geringere Rauchopazität (maximaler Ds-4-Minuten-Wert von 300 in ISO 5659-2) und strengere Toxizitätsgrenzwerte als HL1. Bei der Mehrzahl der Beschaffungen für neues europäisches Rollmaterial wird HL2 als Mindeststandard für Innenkabel angegeben.
• HL3: Die strengste Stufe, obligatorisch für lange Eisenbahntunnel (Tunnel mit einer Länge von mehr als 1 km), U-Bahnen und Schlafwagenzüge. Erfordert Ds 4-Minuten-Maximum von 150 gemäß ISO 5659-2 und einen Toxizitätsindex (CITG) unter 0,9 gemäß NF X70-100. Um HL3 mit einer verarbeitbaren, flexiblen Mischung zu erreichen, ist eine hochoptimierte Formulierung und typischerweise die Verwendung von MDH anstelle von ATH als primäres Flammschutzmittel erforderlich.

Leistungseigenschaften von LSZH-Verbindungen in Transportqualität

Eine LSZH-Verbindung in Transportqualität muss gleichzeitig die mechanischen, elektrischen, thermischen und chemischen Leistungsanforderungen erfüllen – die Brandschutzeigenschaften allein reichen nicht aus. Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten messbaren Eigenschaften und ihre typischen Zielbereiche für Kabelanwendungen in Schienenfahrzeugen zusammen:

Verarbeitung von LSZH-Compounds für die Kabelherstellung

Der hohe Gehalt an mineralischen Füllstoffen in LSZH-Compounds führt zu Herausforderungen bei der Extrusion, die Prozessanpassungen im Vergleich zu standardmäßigen thermoplastischen Kabelcompounds erfordern. Kabelhersteller, die LSZH-Materialien in Transportqualität verarbeiten, stoßen typischerweise auf Folgendes und müssen sich damit befassen:

Extrusionstemperaturprofile

ATH-basierte LSZH-Compounds müssen unter 200 Grad Celsius verarbeitet werden, um eine vorzeitige Austrocknung des Füllstoffs zu verhindern, die zur Bildung von Wasserdampfblasen im Extrudat führt und die mechanischen Eigenschaften verschlechtert. MDH-basierte Compounds ermöglichen eine Verarbeitung bis 240 Grad Celsius. Die Temperaturprofilierung von der Einzugszone bis zur Düse folgt typischerweise einem ansteigenden Gradienten mit einem leichten Abfall an der Düse, um die Oberflächengüte zu verbessern – ein flaches oder abfallendes Profil erhöht den Gegendruck und den Verschleiß der Schnecke, ohne die Ausstoßrate zu verbessern.

Schnecken- und Zylinderdesign

Die abrasiven mineralischen Füllstoffe in LSZH-Compounds – insbesondere ATH und MDH mit einer Mohs-Härte von 2,5–3,0 – beschleunigen den Verschleiß von Standardstahlschnecken und -zylindern. Verarbeiter von Transportverbundwerkstoffen verwenden in der Regel Bimetallzylinder (Xaloy oder gleichwertig) und Schnecken mit Stellite-bestückten Schneckenkanten, die die Lebensdauer im Vergleich zu Standardwerkzeugen aus nitriertem Stahl um den Faktor 3–5 verlängern. Die wirtschaftlichen Argumente für Premium-Werkzeuge sind einfach: Der Austausch einer einzelnen Schnecke an einem großen Raupenextruder kostet 15.000 bis 40.000 US-Dollar und erfordert eine Ausfallzeit von 3 bis 5 Tagen.

Feuchtigkeitsmanagement

ATH enthält etwa 34,5 Gewichtsprozent chemisch gebundenes Wasser. Während dieses gebundene Wasser der Mechanismus der Flammhemmung ist, verringert die aus der Umgebungsfeuchtigkeit absorbierte freie Oberflächenfeuchtigkeit die Verarbeitbarkeit der Verbindung und kann zu Oberflächenstreifen, Porosität und verringerter elektrischer Leistung im fertigen Kabel führen. Verarbeiter von Transport-Compounds trocknen LSZH-Compounds in der Regel zwei bis vier Stunden lang vor der Extrusion mithilfe von Entfeuchtungs-Trichtertrocknern bei 60–80 Grad Celsius auf einen Feuchtigkeitsgehalt unter 0,05 % vor.

Auswahl der richtigen LSZH-Mischung für eine Transportkabelanwendung

Der Auswahlprozess für ein Transport-LSZH-Compound sollte auf einer strukturierten Bewertung anwendungsspezifischer Anforderungen basieren und nicht auf der am weitesten verbreiteten Allzweckformulierung basieren. Die folgenden Entscheidungsfaktoren sind entscheidend:

• Regulierungsnorm und Gefahrenstufe: Identifizieren Sie die spezifische Norm (EN 45545, IEC 60092, FAR 25.853) und die Gefahrenstufe oder Leistungsklasse, die für den Installationsort des Kabels im Fahrzeug erforderlich ist. Innenkabel in Passagierlimousinen erfordern eine höhere Leistung als Kabel in externen Leitungen oder Motorräumen.
• Betriebstemperaturbereich: Standard-LSZH-Compounds sind für den Dauerbetrieb bei 70–90 Grad Celsius ausgelegt. Kabel in der Nähe von Traktionsgeräten, Bremssystemen oder Motorräumen erfordern möglicherweise Verbindungen mit einer Temperatur von 125 oder 150 Grad Celsius und erfordern vernetzte oder silikonbasierte Formulierungen.
• Flexibilitäts- und Flex-Life-Anforderungen: Kabel an Gelenkdrehgestellen, Stromabnehmermechanismen oder Schiebetüren unterliegen einer ständigen Biegung. Diese Anwendungen erfordern LSZH-Compounds mit hoher Bruchdehnung (über 200 %) und validierter Biegelebensdauer gemäß IEC 60228 oder gleichwertig – Standard-LSZH-Ummantelungscompounds können innerhalb von Monaten nach dem Einsatz an Biegestellen reißen.
• Chemische Umgebung: Bei der Wartung von Schienenfahrzeugen kommen aggressive Reinigungsmittel, Hydraulikflüssigkeiten, Dieselkraftstoff (bei Hybrid- und Lokomotivanwendungen) und Bremsstaub mit metallischen Partikeln zum Einsatz. Legen Sie chemische Beständigkeitstests gegenüber den tatsächlich in der Wartungsumgebung vorhandenen Flüssigkeiten fest. Allgemeine Ölbeständigkeitsdaten decken möglicherweise nicht die vom Bahnbetreiber verwendete spezifische Reinigungsmittelchemie ab.
• Kabeldurchmesser und Wandstärke: Dünnere Dämmwände (unter 0,5 mm) erfordern LSZH-Compounds mit niedrigerer Viskosität und feinerer Füllstoffpartikelgrößenverteilung, um eine hohlraumfreie Abdeckung zu erreichen. Nicht alle LSZH-Compounds in Transportqualität lassen sich konsistent bei dünnen Wandstärken verarbeiten – erkundigen Sie sich beim Compound-Lieferanten anhand von Testextrusionsdaten bei der vorgesehenen Liniengeschwindigkeit und Wandstärke.