淺談無鹵低煙阻燃電纜的工藝結(jié)構(gòu)與阻燃性能

■ 文/浙江一舟電子科技股份有限公司 張定根 劉干偉 鄔浩奇

淺談無鹵低煙阻燃電纜的工藝結(jié)構(gòu)與阻燃性能

■ 文/浙江一舟電子科技股份有限公司 張定根 劉干偉 鄔浩奇

中國電纜的發(fā)展已有幾十年的歷史，隨著社會生產(chǎn)力的進(jìn)步和人們生活水平提高，安全問題越來越重要，所以具有阻燃效果的無鹵低煙阻燃電纜的市場也隨之不斷發(fā)展壯大。本文依照GA/T 1297-2016《安防線纜》對特殊性能電纜從結(jié)構(gòu)、材料、性能、應(yīng)用等方面做出闡釋。

無鹵低煙阻燃 阻燃材料 工藝技術(shù)

1 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，能源和信息是不可缺少的資源，而無論是電能還是信息的傳輸，都離不開電纜，但不安全的電纜也是傳播火災(zāi)的重要途徑之一。據(jù)不完全統(tǒng)計，火災(zāi)中因電纜引起的事故占35%左右，死亡的人員約有三分之一是因為吸入電纜燃燒時釋放的有毒氣體而窒息死亡。因而阻止電纜燃燒，防止釋放出有毒有害的腐蝕性氣體和濃煙已是電纜行業(yè)必須面對的問題。眾所周知，普通的聚氯乙烯絕緣電纜具有優(yōu)良的機(jī)械、電氣及加工性能，但它易燃（雖有一定的阻燃性能）、發(fā)熱量高、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，最重要的是燃燒時會釋放出大量的有毒有害腐蝕性氣體（如氯化氫、二噁英等）和濃煙，從而造成人員死亡，設(shè)備受損。而無鹵低煙阻燃電纜具有良好的阻燃性能和燃燒時不釋放鹵素氣體，以及產(chǎn)生較低的煙霧和毒性等特性越來越受到人們的歡迎和使用，主要應(yīng)用于地鐵、電站、船舶、化工、高層建筑等重點(diǎn)工程和人員、設(shè)備密集場所。

2 無鹵低煙阻燃電纜的結(jié)構(gòu)

本文以型號WDZA-RYYP-300/300V 2×1.0為例，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1

2.1 電纜的導(dǎo)體

導(dǎo)體是指電阻率很小且易于傳導(dǎo)電流的物質(zhì)?？紤]到安防系統(tǒng)工程應(yīng)用中傳輸有效性、傳輸穩(wěn)定性和成本多種因素，規(guī)定安防電源電纜只能選用裸銅及鍍錫銅導(dǎo)體作為傳輸載體，每芯都是由多股軟銅線（或稱多根單絲）組成的。導(dǎo)體幾何形狀呈圓形。對于本產(chǎn)品我們采用第五種軟銅導(dǎo)體，采用束絞。此種絞合是由多根單線按同一絞向絞合而成。由于束線中各單線向同一方向扭絞，在彎曲時，各單線之間滑余量很大，抗彎曲力小，所以其彎曲性能好，并且生產(chǎn)效率高。

2.2 電纜的絕緣

絕緣采用無鹵低煙阻燃聚烯烴材料，不但具有良好的工藝性能、阻燃及自熄性，而且材料性能滿足GA/T 1297-2016的要求。其特色性能有：優(yōu)秀的絕緣性能、低發(fā)煙性、低毒性和低的腐蝕性、環(huán)保、良好的擠出工藝、低的熱收縮、耐吸水性能好。良好的絕緣是保證電氣電路和電氣設(shè)備正常運(yùn)行的必要條件，也是防止電氣事故的重要措施。絕緣材料應(yīng)具有良好的介電性能，較高的絕緣電阻和耐壓強(qiáng)度，不發(fā)生漏電或擊穿等事故。耐熱性能好，在長期受熱狀態(tài)下性能無顯著變化，良好的導(dǎo)熱、耐潮和防霉性能，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，不同截面積線芯的絕緣厚度有規(guī)定要求，絕緣厚度是確保電源線芯具備耐高壓及良好的電氣絕緣性關(guān)鍵因素。

2.3 電纜的填充及成纜

成纜應(yīng)采用絞合成形，右向成纜。絞合節(jié)距不應(yīng)大于成纜外徑的16倍。成纜過程中依實際結(jié)構(gòu)情況可添加不影響絕緣線芯結(jié)構(gòu)的材料，以滿足電源線施工可靠性及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，成纜后有利于電纜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。在生產(chǎn)時，將無鹵低煙條與線芯一起成纜。既有利于產(chǎn)品電纜的圓整性，又能夠起到良好的阻燃效果。

2.4 電纜的編織屏蔽

銅絲編織覆蓋率達(dá)到85%在電纜產(chǎn)品上，成為一層緊密的保護(hù)層。它可以起到機(jī)械物理防護(hù)和電磁屏蔽的作用，保護(hù)絕緣不受或少受光、電、熱、酸堿氣體以及外界機(jī)械力的作用，確保電纜的安全運(yùn)行，能夠?qū)﹄娎|能起到良好的保護(hù)和屏蔽。

2.5 電纜的隔氧層

隔氧層采用無鹵低煙阻燃聚烯烴材料，為了達(dá)到阻燃標(biāo)準(zhǔn)的要求，往往在電纜結(jié)構(gòu)中增加有阻燃的構(gòu)件，如隔氧層，具有高阻燃性能及自熄性，并且不應(yīng)影響電纜的其他性能，其氧指數(shù)典型值為42%。

2.6 電纜的外護(hù)套

護(hù)套指電纜最外層，為確保電源線在安防系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，性能可靠性，對使用在不同條件或環(huán)境下的電源線外護(hù)套使用材料則有不同要求，采用無鹵低煙阻燃聚烯烴護(hù)套材料，其氧指數(shù)典型值為40%。

3 無鹵低煙阻燃電纜的生產(chǎn)工藝

3.1 擠出設(shè)備

無鹵低煙阻燃材料均可以在PVC/PE擠出機(jī)上生產(chǎn)。無鹵低煙阻燃聚烯烴電纜料擠制時宜選用長徑比（螺桿的直徑與其長度的比值）為20或25的螺桿，從而得到較為理想的擠出表面,相比而言，使用長徑比為20的螺桿擠出電纜表面更加光潔。這是由于長徑比大能改進(jìn)物料溫度分布，有利于塑料的混合和塑化，并能減少漏流和逆流，提高擠出機(jī)的生產(chǎn)能力，適應(yīng)性較強(qiáng)。但長徑比較大會使塑料受熱時間增長，易引起降解，并增大擠出機(jī)的功率消耗，同時由于阻燃劑的加入，受熱易分解造成擠出表面質(zhì)量變差。故采用長徑比為20的螺桿擠出效果較好。

另外，對于無鹵低煙阻燃聚烯烴的擠出，宜采用壓縮比(螺桿下料的體積與螺桿出料的體積之比)為1-2.5的螺桿較為合適。這是因為其中加入了大量的無機(jī)阻燃劑，使材料流動性變差?？梢栽赑VC/PE擠出機(jī)上生產(chǎn)，采用擠出為PVC用的螺桿比采用擠出為PE的螺桿擠出阻燃聚烯烴較好。這是由于壓縮比較大、螺槽深度較淺、螺旋角越小、螺桿與料桶間隙較小、對塑料產(chǎn)生的剪切力和擠壓力越大、易引起物料機(jī)械分解，影響擠出質(zhì)量；而擠出PVC用的螺桿壓縮比較小、螺槽深度較深、螺旋角越大、螺桿與料桶間隙較大，故一般采用擠出PVC用的螺桿較為合適。

無鹵低煙阻燃料擠出時，濾網(wǎng)和分流板通常不做要求，也不要求螺桿冷卻。材料采用PE袋和復(fù)合紙塑袋包裝，如果包裝正常，材料不需要特殊干燥處理。如果材料在潮濕環(huán)境中儲存較長時間，則建議在除濕干燥機(jī)中進(jìn)行70℃，4小時的干燥處理。

3.2 擠出工藝

擠出（塑料通過擠出機(jī)料筒和螺桿間的作用，邊受熱塑化，邊被螺桿向前推送，連續(xù)通過機(jī)頭而制成各種截面制品或半制品的一種加工方法）工藝主要包括溫度和螺桿的設(shè)置。由于無鹵低煙阻燃聚烯烴料擠出時會因摩擦而生熱，引起溫升，過一段時間后會趨于平衡所以初始溫度設(shè)定一般比正常溫度低5-10℃，以使擠塑穩(wěn)定時溫度正好在材料的擠出溫度范圍之內(nèi)。另外，螺桿轉(zhuǎn)速也是一個重要問題，擠出無鹵低煙阻燃聚烯烴料螺桿轉(zhuǎn)速不能太快，這是由于螺桿轉(zhuǎn)速太快,受到的剪切作用增大，易引起阻燃劑的機(jī)械分解。同時也會造成阻燃劑分解，從而影響擠出表面質(zhì)量，也會導(dǎo)致主機(jī)電流過大，電機(jī)會超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.3 擠出模具

由于無鹵低煙阻燃聚烯烴料有較多的填充物，導(dǎo)致熔融狀態(tài)下熔體強(qiáng)度、拉伸比等與其他電纜料有較大差別。一般來說，無鹵低煙阻燃聚烯烴料擠出絕緣時應(yīng)采用擠壓式模具，擠出隔離套和護(hù)套宜采用半擠壓式模具。應(yīng)考慮到拉伸比，為2.5-3.2。拉伸比越小，表面越光潔。如果采用擠壓式熔體粘度大，使得機(jī)頭壓力變大，制品比較密實，導(dǎo)致離模時有所膨脹。

4 燃燒特性與阻燃

4.1 高聚物的燃燒

高聚物都有熱的不穩(wěn)定性，當(dāng)加熱時，發(fā)生化學(xué)破壞并產(chǎn)生揮發(fā)物，從而留下多孔的殘渣，這將使空氣中的氧容易滲入，并在固體基體中引起進(jìn)一步氧化反應(yīng)。殘渣通常是由碳渣組成，它增加了從周圍的輻射中吸收熱量，進(jìn)一步使材料熱裂解。這樣就產(chǎn)生累計的升溫，最后揮發(fā)物起燃，形成火焰，起燃可以由外部火焰引起（驟然），也可以自發(fā)產(chǎn)生。若燃燒產(chǎn)生的熱量能連續(xù)的為基體熱裂解提供必需的熱量而維持燃燒，這樣的材料稱為可燃性材料；相反，如果燃燒產(chǎn)生的熱量不足以提供熱量來引起材料的熱裂解，并且不能以足夠速率產(chǎn)生揮發(fā)物來起燃時，則火焰要熄滅，這樣的材料稱為自熄性材料。由此可見，在持續(xù)燃燒時必須有熱量、氧氣、可燃物，稱為燃燒的三要素。

4.2 無鹵特性要求

對于無鹵性能實驗應(yīng)根據(jù)GB/T 19666-2005表6的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實驗。無鹵特性要求應(yīng)符合下表1要求。

4.3 低煙特性要求

對于低煙性能試驗應(yīng)根據(jù)GB/T 19666-2005中表7的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實驗。低煙是指燃燒時產(chǎn)生的煙塵較少，即透光率（能見度）較高。低煙特性要求應(yīng)符合下表2要求。

表1 無鹵性能要求

4.4 材料的阻燃特性

表2 低煙性能要求

阻燃是指在規(guī)定試驗條件下，試樣被燃燒，在撤去火源后，火焰在試樣上的蔓延僅在限定范圍內(nèi)并且自行熄滅的特性，即具有阻止或延緩火焰發(fā)生或蔓延的能力。阻燃材料是指具有上述能力的材料。阻燃材料的類型目前主要有有機(jī)和無機(jī)，鹵素（氟、氯、溴、碘和砹五個元素的任一個）和非鹵。有機(jī)是以溴系、氮系和紅磷及化合物為代表的一些阻燃劑。無機(jī)阻燃劑常用的品種有無機(jī)金屬化合物系的氫氧化鎂、氫氧化鋁、硼酸鋅、碳酸鈣、三氧化二銻；無機(jī)磷系的紅磷、磷酸鹽和聚磷酸銨等；氮系阻燃劑和硅系阻燃劑等應(yīng)用較少。其中無機(jī)阻燃劑應(yīng)用的最廣泛。電纜材料的燃燒行為可用以下性能參數(shù)來描述點(diǎn)燃材料的難易程度?？捎门R界氧指數(shù)(COI)或極限氧指數(shù)(LOI)來定義,該值越高, 說明該材料的著火以及火焰蔓延越困難。通常,COI ≥30 %阻燃；LOI ≤23 %可燃；LOI 在24 % ～ 28%之間稍阻燃；LOI 在29 %～ 35 %之間阻燃；LOI ≥36%高阻燃。

無鹵低煙阻燃電纜，目前一般采用水合金屬氧化物作為阻燃填充劑。其原理是，水合金屬氧化物受熱后會釋放出結(jié)晶水，吸收大量的余熱，從而抑制聚合物溫度上升，阻止延燃；與此同時，脫水分解反應(yīng)會產(chǎn)生大量水蒸氣，它可以稀釋可燃性氣體，亦起到阻燃效果。另外，有時為了提高阻燃效果，減少阻燃填充劑的加入量，也采用加入磷系阻燃劑。其受熱后的脫水反應(yīng)，會在可燃聚合物表面形成聚磷酸膜，它可以隔絕空氣，從而起到阻燃作用；同時它又能使聚合物脫水碳化，形成一個不可燃的保護(hù)層，到達(dá)阻燃目的。

含鹵阻燃電纜的絕緣層、護(hù)套、外護(hù)層以及輔助材料（包帶及填充）全部或部分采用含鹵的聚乙烯（PVC）阻燃材料，因而具有良好的阻燃特性，但是在電纜燃燒時會釋放大量的濃煙和鹵酸氣體。而無鹵低煙阻燃電纜的絕緣層、護(hù)套、外護(hù)層以及輔助材料（包帶及填充）全部或部分采用的是不含鹵的阻燃材料，不僅具有更好的阻燃特性，而且在電纜燃燒時沒有鹵酸氣體放出，電纜的發(fā)煙量也小。

阻燃電纜的結(jié)構(gòu)和普通電纜基本相同，不同之處在于它的絕緣層、護(hù)套、外護(hù)層以及輔助材料（包帶及填充）全部或部分采用阻燃材料。

表3 成束阻燃性能要求

4.5 測試要求

電纜的阻燃采用成束垂直的燃燒試驗后，試樣上炭化的長度最大不應(yīng)大于距噴嘴底邊向上2.5m，停止供火后試樣上的有焰燃燒時間不應(yīng)超過1h。成束阻燃性能必須符合GB/T 19666-2005中表3規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，具體如表3。

5 結(jié)語

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國加強(qiáng)了對無鹵低煙阻燃電纜的開發(fā)和研制，在2016年7月發(fā)布的公共安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GA/T 1297-2016《安防線纜》中明確規(guī)定了有鹵和無鹵阻燃電纜的分類及性能要求，使阻燃電纜實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和系列化，給阻燃電纜提供了生產(chǎn)依據(jù)和遵循的規(guī)則。通過對無鹵低煙阻燃電纜結(jié)構(gòu)、材料的分析可知，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)、選擇合適的材料可以對阻燃起到很好的作用。隨著社會的快速發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的加快，人們的安全意識越來越重，環(huán)保觀念越來越強(qiáng)，無鹵低煙阻燃電纜已在各種領(lǐng)域得到了快速的、廣泛的推廣和使用，從而大大避免了在發(fā)生火災(zāi)時所造成的人員傷害和財產(chǎn)損失，其發(fā)展前景必然廣闊，同時具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

[1]喬月純,李吉浩.電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：中國電力出版社，2014.

[2]郭紅霞.電纜材料：結(jié)構(gòu)·性能·應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[3]GA/T 1297-2016安防電纜 [S].上海：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2016.