■ 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(wú)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(guó)電纜的發(fā)展已有幾十年的歷史，隨著社會(huì)生產(chǎn)力的進(jìn)步和人們生活水平提高，安全問(wèn)題越來(lái)越重要，所以具有阻燃效果的無(wú)鹵低煙阻燃電纜的市場(chǎng)也隨之不斷發(fā)展壯大。本文依照GA/T 1297-2016《安防線(xiàn)纜》對(duì)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(wú)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(wú)論是電能還是信息的傳輸，都離不開(kāi)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(jì)，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?yàn)槲腚娎|燃燒時(shí)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(duì)的問(wèn)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)鞑ニ俣瓤欤钪匾氖侨紵龝r(shí)會(huì)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(wú)鹵低煙阻燃電纜具有良好的阻燃性能和燃燒時(shí)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(lái)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(chǎng)所。

2 無(wú)鹵低煙阻燃電纜的結(jié)構(gòu)

本文以型號(hào)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)。考慮到安防系統(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(xiàn)（或稱(chēng)多根單絲）組成的。導(dǎo)體幾何形狀呈圓形。對(duì)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(xiàn)按同一絞向絞合而成。由于束線(xiàn)中各單線(xiàn)向同一方向扭絞，在彎曲時(shí)，各單線(xiàn)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(wú)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(mǎn)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(zhǎng)期受熱狀態(tài)下性能無(wú)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(xiàn)芯的絕緣厚度有規(guī)定要求，絕緣厚度是確保電源線(xiàn)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(guò)程中依實(shí)際結(jié)構(gòu)情況可添加不影響絕緣線(xiàn)芯結(jié)構(gòu)的材料，以滿(mǎn)足電源線(xiàn)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(shí)，將無(wú)鹵低煙條與線(xiàn)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(wú)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(xiàn)在安防系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，性能可靠性，對(duì)使用在不同條件或環(huán)境下的電源線(xiàn)外護(hù)套使用材料則有不同要求，采用無(wú)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(wú)鹵低煙阻燃電纜的生產(chǎn)工藝

3.1 擠出設(shè)備

無(wú)鹵低煙阻燃材料均可以在PVC/PE擠出機(jī)上生產(chǎn)。無(wú)鹵低煙阻燃聚烯烴電纜料擠制時(shí)宜選用長(zhǎng)徑比（螺桿的直徑與其長(zhǎng)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(zhǎng)徑比為20的螺桿擠出電纜表面更加光潔。這是由于長(zhǎng)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(zhǎng)徑比較大會(huì)使塑料受熱時(shí)間增長(zhǎng)，易引起降解，并增大擠出機(jī)的功率消耗，同時(shí)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(zhǎng)徑比為20的螺桿擠出效果較好。

另外，對(duì)于無(wú)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?yàn)槠渲屑尤肓舜罅康臒o(wú)機(jī)阻燃劑，使材料流動(dòng)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(duì)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(wú)鹵低煙阻燃料擠出時(shí)，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(chǔ)存較長(zhǎng)時(shí)間，則建議在除濕干燥機(jī)中進(jìn)行70℃，4小時(shí)的干燥處理。

3.2 擠出工藝

擠出（塑料通過(guò)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(guò)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(wú)鹵低煙阻燃聚烯烴料擠出時(shí)會(huì)因摩擦而生熱，引起溫升，過(guò)一段時(shí)間后會(huì)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(shí)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(gè)重要問(wèn)題，擠出無(wú)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(shí)也會(huì)造成阻燃劑分解，從而影響擠出表面質(zhì)量，也會(huì)導(dǎo)致主機(jī)電流過(guò)大，電機(jī)會(huì)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.3 擠出模具

由于無(wú)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(lái)說(shuō)，無(wú)鹵低煙阻燃聚烯烴料擠出絕緣時(shí)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(shí)，導(dǎo)致離模時(shí)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(shí)，發(fā)生化學(xué)破壞并產(chǎn)生揮發(fā)物，從而留下多孔的殘?jiān)?，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?jiān)ǔＪ怯商荚M成，它增加了從周?chē)妮椛渲形諢崃?，進(jìn)一步使材料熱裂解。這樣就產(chǎn)生累計(jì)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(chēng)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(lái)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(lái)起燃時(shí)，則火焰要熄滅，這樣的材料稱(chēng)為自熄性材料。由此可見(jiàn)，在持續(xù)燃燒時(shí)必須有熱量、氧氣、可燃物，稱(chēng)為燃燒的三要素。

4.2 無(wú)鹵特性要求

對(duì)于無(wú)鹵性能實(shí)驗(yàn)應(yīng)根據(jù)GB/T 19666-2005表6的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。無(wú)鹵特性要求應(yīng)符合下表1要求。

4.3 低煙特性要求

對(duì)于低煙性能試驗(yàn)應(yīng)根據(jù)GB/T 19666-2005中表7的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。低煙是指燃燒時(shí)產(chǎn)生的煙塵較少，即透光率（能見(jiàn)度）較高。低煙特性要求應(yīng)符合下表2要求。

表1 無(wú)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(yàn)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(lèi)型目前主要有有機(jī)和無(wú)機(jī)，鹵素（氟、氯、溴、碘和砹五個(gè)元素的任一個(gè)）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(wú)機(jī)阻燃劑常用的品種有無(wú)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(wú)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(wú)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(lái)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(lái)定義,該值越高, 說(shuō)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(wú)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(huì)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(shí)，脫水分解反應(yīng)會(huì)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(shí)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(huì)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(shí)它又能使聚合物脫水碳化，形成一個(gè)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(shí)會(huì)釋放大量的濃煙和鹵酸氣體。而無(wú)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(shí)沒(méi)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(cè)試要求

電纜的阻燃采用成束垂直的燃燒試驗(yàn)后，試樣上炭化的長(zhǎng)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(shí)間不應(yīng)超過(guò)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(yǔ)

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)加強(qiáng)了對(duì)無(wú)鹵低煙阻燃電纜的開(kāi)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(xiàn)纜》中明確規(guī)定了有鹵和無(wú)鹵阻燃電纜的分類(lèi)及性能要求，使阻燃電纜實(shí)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(guò)對(duì)無(wú)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(jì)合理的結(jié)構(gòu)、選擇合適的材料可以對(duì)阻燃起到很好的作用。隨著社會(huì)的快速發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的加快，人們的安全意識(shí)越來(lái)越重，環(huán)保觀念越來(lái)越強(qiáng)，無(wú)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(shí)所造成的人員傷害和財(cái)產(chǎn)損失，其發(fā)展前景必然廣闊，同時(shí)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1]喬月純,李吉浩.電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2016.