浅谈无卤低烟阻燃电缆的工艺结构与阻燃性能

■ 文/浙江一舟电子科技股份有限公司 张定根 刘干伟 邬浩奇

浅谈无卤低烟阻燃电缆的工艺结构与阻燃性能

■ 文/浙江一舟电子科技股份有限公司 张定根 刘干伟 邬浩奇

中国电缆的发展已有几十年的历史，随着社会生产力的进步和人们生活水平提高，安全问题越来越重要，所以具有阻燃效果的无卤低烟阻燃电缆的市场也随之不断发展壮大。本文依照GA/T 1297-2016《安防线缆》对特殊性能电缆从结构、材料、性能、应用等方面做出阐释。

无卤低烟阻燃 阻燃材料 工艺技术

1 引言

随着现代科学技术的发展，能源和信息是不可缺少的资源，而无论是电能还是信息的传输，都离不开电缆，但不安全的电缆也是传播火灾的重要途径之一。据不完全统计，火灾中因电缆引起的事故占35%左右，死亡的人员约有三分之一是因为吸入电缆燃烧时释放的有毒气体而窒息死亡。因而阻止电缆燃烧，防止释放出有毒有害的腐蚀性气体和浓烟已是电缆行业必须面对的问题。众所周知，普通的聚氯乙烯绝缘电缆具有优良的机械、电气及加工性能，但它易燃（虽有一定的阻燃性能）、发热量高、火焰传播速度快，最重要的是燃烧时会释放出大量的有毒有害腐蚀性气体（如氯化氢、二噁英等）和浓烟，从而造成人员死亡，设备受损。而无卤低烟阻燃电缆具有良好的阻燃性能和燃烧时不释放卤素气体，以及产生较低的烟雾和毒性等特性越来越受到人们的欢迎和使用，主要应用于地铁、电站、船舶、化工、高层建筑等重点工程和人员、设备密集场所。

2 无卤低烟阻燃电缆的结构

本文以型号WDZA-RYYP-300/300V 2×1.0为例，其结构图如图1所示。

图1

2.1 电缆的导体

导体是指电阻率很小且易于传导电流的物质。考虑到安防系统工程应用中传输有效性、传输稳定性和成本多种因素，规定安防电源电缆只能选用裸铜及镀锡铜导体作为传输载体，每芯都是由多股软铜线（或称多根单丝）组成的。导体几何形状呈圆形。对于本产品我们采用第五种软铜导体，采用束绞。此种绞合是由多根单线按同一绞向绞合而成。由于束线中各单线向同一方向扭绞，在弯曲时，各单线之间滑余量很大，抗弯曲力小，所以其弯曲性能好，并且生产效率高。

2.2 电缆的绝缘

绝缘采用无卤低烟阻燃聚烯烃材料，不但具有良好的工艺性能、阻燃及自熄性，而且材料性能满足GA/T 1297-2016的要求。其特色性能有：优秀的绝缘性能、低发烟性、低毒性和低的腐蚀性、环保、良好的挤出工艺、低的热收缩、耐吸水性能好。良好的绝缘是保证电气电路和电气设备正常运行的必要条件，也是防止电气事故的重要措施。绝缘材料应具有良好的介电性能，较高的绝缘电阻和耐压强度，不发生漏电或击穿等事故。耐热性能好，在长期受热状态下性能无显著变化，良好的导热、耐潮和防霉性能，具有较高的机械强度，不同截面积线芯的绝缘厚度有规定要求，绝缘厚度是确保电源线芯具备耐高压及良好的电气绝缘性关键因素。

2.3 电缆的填充及成缆

成缆应采用绞合成形，右向成缆。绞合节距不应大于成缆外径的16倍。成缆过程中依实际结构情况可添加不影响绝缘线芯结构的材料，以满足电源线施工可靠性及结构稳定性，成缆后有利于电缆结构的稳定。在生产时，将无卤低烟条与线芯一起成缆。既有利于产品电缆的圆整性，又能够起到良好的阻燃效果。

2.4 电缆的编织屏蔽

铜丝编织覆盖率达到85%在电缆产品上，成为一层紧密的保护层。它可以起到机械物理防护和电磁屏蔽的作用，保护绝缘不受或少受光、电、热、酸碱气体以及外界机械力的作用，确保电缆的安全运行，能够对电缆能起到良好的保护和屏蔽。

2.5 电缆的隔氧层

隔氧层采用无卤低烟阻燃聚烯烃材料，为了达到阻燃标准的要求，往往在电缆结构中增加有阻燃的构件，如隔氧层，具有高阻燃性能及自熄性，并且不应影响电缆的其他性能，其氧指数典型值为42%。

2.6 电缆的外护套

护套指电缆最外层，为确保电源线在安防系统中的结构稳定性，性能可靠性，对使用在不同条件或环境下的电源线外护套使用材料则有不同要求，采用无卤低烟阻燃聚烯烃护套材料，其氧指数典型值为40%。

3 无卤低烟阻燃电缆的生产工艺

3.1 挤出设备

无卤低烟阻燃材料均可以在PVC/PE挤出机上生产。无卤低烟阻燃聚烯烃电缆料挤制时宜选用长径比（螺杆的直径与其长度的比值）为20或25的螺杆，从而得到较为理想的挤出表面,相比而言，使用长径比为20的螺杆挤出电缆表面更加光洁。这是由于长径比大能改进物料温度分布，有利于塑料的混合和塑化，并能减少漏流和逆流，提高挤出机的生产能力，适应性较强。但长径比较大会使塑料受热时间增长，易引起降解，并增大挤出机的功率消耗，同时由于阻燃剂的加入，受热易分解造成挤出表面质量变差。故采用长径比为20的螺杆挤出效果较好。

另外，对于无卤低烟阻燃聚烯烃的挤出，宜采用压缩比(螺杆下料的体积与螺杆出料的体积之比)为1-2.5的螺杆较为合适。这是因为其中加入了大量的无机阻燃剂，使材料流动性变差。可以在PVC/PE挤出机上生产，采用挤出为PVC用的螺杆比采用挤出为PE的螺杆挤出阻燃聚烯烃较好。这是由于压缩比较大、螺槽深度较浅、螺旋角越小、螺杆与料桶间隙较小、对塑料产生的剪切力和挤压力越大、易引起物料机械分解，影响挤出质量；而挤出PVC用的螺杆压缩比较小、螺槽深度较深、螺旋角越大、螺杆与料桶间隙较大，故一般采用挤出PVC用的螺杆较为合适。

无卤低烟阻燃料挤出时，滤网和分流板通常不做要求，也不要求螺杆冷却。材料采用PE袋和复合纸塑袋包装，如果包装正常，材料不需要特殊干燥处理。如果材料在潮湿环境中储存较长时间，则建议在除湿干燥机中进行70℃，4小时的干燥处理。

3.2 挤出工艺

挤出（塑料通过挤出机料筒和螺杆间的作用，边受热塑化，边被螺杆向前推送，连续通过机头而制成各种截面制品或半制品的一种加工方法）工艺主要包括温度和螺杆的设置。由于无卤低烟阻燃聚烯烃料挤出时会因摩擦而生热，引起温升，过一段时间后会趋于平衡所以初始温度设定一般比正常温度低5-10℃，以使挤塑稳定时温度正好在材料的挤出温度范围之内。另外，螺杆转速也是一个重要问题，挤出无卤低烟阻燃聚烯烃料螺杆转速不能太快，这是由于螺杆转速太快,受到的剪切作用增大，易引起阻燃剂的机械分解。同时也会造成阻燃剂分解，从而影响挤出表面质量，也会导致主机电流过大，电机会超负荷运转。

3.3 挤出模具

由于无卤低烟阻燃聚烯烃料有较多的填充物，导致熔融状态下熔体强度、拉伸比等与其他电缆料有较大差别。一般来说，无卤低烟阻燃聚烯烃料挤出绝缘时应采用挤压式模具，挤出隔离套和护套宜采用半挤压式模具。应考虑到拉伸比，为2.5-3.2。拉伸比越小，表面越光洁。如果采用挤压式熔体粘度大，使得机头压力变大，制品比较密实，导致离模时有所膨胀。

4 燃烧特性与阻燃

4.1 高聚物的燃烧

高聚物都有热的不稳定性，当加热时，发生化学破坏并产生挥发物，从而留下多孔的残渣，这将使空气中的氧容易渗入，并在固体基体中引起进一步氧化反应。残渣通常是由碳渣组成，它增加了从周围的辐射中吸收热量，进一步使材料热裂解。这样就产生累计的升温，最后挥发物起燃，形成火焰，起燃可以由外部火焰引起（骤然），也可以自发产生。若燃烧产生的热量能连续的为基体热裂解提供必需的热量而维持燃烧，这样的材料称为可燃性材料；相反，如果燃烧产生的热量不足以提供热量来引起材料的热裂解，并且不能以足够速率产生挥发物来起燃时，则火焰要熄灭，这样的材料称为自熄性材料。由此可见，在持续燃烧时必须有热量、氧气、可燃物，称为燃烧的三要素。

4.2 无卤特性要求

对于无卤性能实验应根据GB/T 19666-2005表6的规定标准进行实验。无卤特性要求应符合下表1要求。

4.3 低烟特性要求

对于低烟性能试验应根据GB/T 19666-2005中表7的规定标准进行实验。低烟是指燃烧时产生的烟尘较少，即透光率（能见度）较高。低烟特性要求应符合下表2要求。

表1 无卤性能要求

4.4 材料的阻燃特性

表2 低烟性能要求

阻燃是指在规定试验条件下，试样被燃烧，在撤去火源后，火焰在试样上的蔓延仅在限定范围内并且自行熄灭的特性，即具有阻止或延缓火焰发生或蔓延的能力。阻燃材料是指具有上述能力的材料。阻燃材料的类型目前主要有有机和无机，卤素（氟、氯、溴、碘和砹五个元素的任一个）和非卤。有机是以溴系、氮系和红磷及化合物为代表的一些阻燃剂。无机阻燃剂常用的品种有无机金属化合物系的氢氧化镁、氢氧化铝、硼酸锌、碳酸钙、三氧化二锑；无机磷系的红磷、磷酸盐和聚磷酸铵等；氮系阻燃剂和硅系阻燃剂等应用较少。其中无机阻燃剂应用的最广泛。电缆材料的燃烧行为可用以下性能参数来描述点燃材料的难易程度。可用临界氧指数(COI)或极限氧指数(LOI)来定义,该值越高, 说明该材料的着火以及火焰蔓延越困难。通常,COI ≥30 %阻燃；LOI ≤23 %可燃；LOI 在24 % ～ 28%之间稍阻燃；LOI 在29 %～ 35 %之间阻燃；LOI ≥36%高阻燃。

无卤低烟阻燃电缆，目前一般采用水合金属氧化物作为阻燃填充剂。其原理是，水合金属氧化物受热后会释放出结晶水，吸收大量的余热，从而抑制聚合物温度上升，阻止延燃；与此同时，脱水分解反应会产生大量水蒸气，它可以稀释可燃性气体，亦起到阻燃效果。另外，有时为了提高阻燃效果，减少阻燃填充剂的加入量，也采用加入磷系阻燃剂。其受热后的脱水反应，会在可燃聚合物表面形成聚磷酸膜，它可以隔绝空气，从而起到阻燃作用；同时它又能使聚合物脱水碳化，形成一个不可燃的保护层，到达阻燃目的。

含卤阻燃电缆的绝缘层、护套、外护层以及辅助材料（包带及填充）全部或部分采用含卤的聚乙烯（PVC）阻燃材料，因而具有良好的阻燃特性，但是在电缆燃烧时会释放大量的浓烟和卤酸气体。而无卤低烟阻燃电缆的绝缘层、护套、外护层以及辅助材料（包带及填充）全部或部分采用的是不含卤的阻燃材料，不仅具有更好的阻燃特性，而且在电缆燃烧时没有卤酸气体放出，电缆的发烟量也小。

阻燃电缆的结构和普通电缆基本相同，不同之处在于它的绝缘层、护套、外护层以及辅助材料（包带及填充）全部或部分采用阻燃材料。

表3 成束阻燃性能要求

4.5 测试要求

电缆的阻燃采用成束垂直的燃烧试验后，试样上炭化的长度最大不应大于距喷嘴底边向上2.5m，停止供火后试样上的有焰燃烧时间不应超过1h。成束阻燃性能必须符合GB/T 19666-2005中表3规定标准，具体如表3。

5 结语

进入21世纪以来，我国加强了对无卤低烟阻燃电缆的开发和研制，在2016年7月发布的公共安全行业标准GA/T 1297-2016《安防线缆》中明确规定了有卤和无卤阻燃电缆的分类及性能要求，使阻燃电缆实现了标准化、规范化和系列化，给阻燃电缆提供了生产依据和遵循的规则。通过对无卤低烟阻燃电缆结构、材料的分析可知，根据相关标准设计合理的结构、选择合适的材料可以对阻燃起到很好的作用。随着社会的快速发展和经济建设的加快，人们的安全意识越来越重，环保观念越来越强，无卤低烟阻燃电缆已在各种领域得到了快速的、广泛的推广和使用，从而大大避免了在发生火灾时所造成的人员伤害和财产损失，其发展前景必然广阔，同时具有良好的经济效益和社会效益。

[1]乔月纯,李吉浩.电缆结构设计[M].北京：中国电力出版社，2014.

[2]郭红霞.电缆材料：结构·性能·应用[M].北京：机械工业出版社，2012.

[3]GA/T 1297-2016安防电缆 [S].上海：中国标准出版社，2016.