浅析绿色环保概念在电线电缆中的应用

王 湄，黄斯平，林 远，陈 彩

（福建省产品质量检验研究院，福州 350002）

1 传统线缆概述

电线电缆的主要结构为“导体+绝缘”和“导体+绝缘+护套”，其中导体材料为金属铜、铝和铝合金等，绝缘、护套材料为聚氯乙烯、聚乙烯、橡胶等。在线缆的生产、使用过程中，会造成污染和安全风险的主要是绝缘和护套材料，俗称电缆料。

以聚氯乙烯（PVC）电线电缆为例，其具有优良的机械性能和化学稳定性、良好的加工性能、较好的阻燃性能和相对低廉的价格，一直受到市场的青睐。但PVC 线缆传统配方中，需要用到含铅、汞、镉等重金属的添加剂作为电缆料颜料、热稳定剂和阻燃剂。在颜料的选用上，一般铅用在白色、黄色和红色上；镉用在红色、黄色上；六价铬用在黄色、绿色和红色上。在热稳定剂的选用上，PVC 电缆料生产过程中使用了大量的铅盐，铅盐类热稳定剂因热稳定性良好、耐候性优良且价格低廉而受到传统线缆生产厂的青睐，但其毒性非常大，且夹杂镉、铬、汞等重金属，容易造成铅粉尘超标。在阻燃剂的选用上，一般使用三氧化二锑，其与PVC 的结合可大大提高线缆的阻燃效果，但其粗产品中常混有重金属坤，燃烧时对人体危害极大。

2 线缆发展趋势

进入二十一世纪以来，随着能源资源紧张形势的日益突出，调整优化产业结构，促进节能减排已成为世界各国寻求长远发展的重要路径和方向。正处于工业化城镇化快速发展阶段的中国，同样面临能源紧张、环境污染、气候变化等诸多难题。2021 年4 月，国家发展改革委发布《2021 年新型城镇化和城乡融合发展重点任务》，提出要建设低碳绿色城市，深入推进工业、建筑、交通等领域绿色低碳转型。电线电缆作为国民经济的“血管”与“神经”，在绿色工业、绿色建筑业蓬勃发展及生态文明、绿色低碳理念深入人心的当下，该行业必将进入节能环保的快速通道。

在保证电线电缆的电气性能下，达到绿色环保、安全可靠、节能耐用等多种效果已成为电缆厂商的研发方向。[1]绿色环保线缆，顾名思义就是不会对环境产生负担且材料可回收再利用的电线电缆，是使用低烟无卤阻燃原材料生产出来的无毒、不含有害重金属的长寿命、高性能线缆。可见，电线电缆是否绿色环保主要体现在四个方面，即生产时环保、使用时安全节能、燃烧时无毒无烟、废弃时回收再利用率高。

3 绿色环保概念在线缆中的应用

3.1 对重金属等有害物质的含量有严格要求

目前，欧盟等发达国家颁布了诸多指令，如ROHS《电气、电子设备中限制使用某些有害物质指令》明确限定了铅、镉、六价铬、汞、聚溴联苯和聚溴二苯醚等6 种有害物质的含量；ELV《报废车辆指令》明确禁止汽车用线缆含铅；WEEE《报废的电子电气设备处理指令》对废弃物提出了分类回收、循环利用的要求；EUP《建立耗能产品生态设计框架性指令》推进用能产品环境化设计的优化，用环境设计的方法控制并减少产品在生命周期内对环境的影响。这些法规法令从设计阶段、市场准入、回收处理等各个阶段控制用能产品对环境的破坏，督促生产厂家重新调整线缆产品的配方、生产设备、工艺以达到环保要求，从而降低对大气、土壤、水源的污染。我国在2005～2007 年对标欧盟的相关指令，推出了部门规章《电子信息产品污染控制管理办法》及相关配套标准《电子信息产品中有毒有害物质的限量要求》（SJ/T 11363—2006）、《电子信息产品污染控制标识要求》（SJ/T 11364—2006）、《电子信息产品中有毒有害物质的检测方法》（SJ/T 11365—2006）、《环境意识设计 将环境因素引入电工产品的设计和开发》（GB/T 21273—2007）等，旨在实现电子电气类产品中有毒有害物质的有效控制（如禁止使用、减量化等）。

线缆是电工基础产品，当前我国传统PVC 线缆的产品占比仍然高达60%以上，在此情况下要在短时间内全部禁止使用，显然是不切实际的。因此，在实现无铅化的基础上循序渐进推动绿色化才是可靠的现实路径。转变的主要方式之一是研究开发无毒环保的各类添加剂，如使用以硬脂酸锌和硬脂酸钙为主要成分的钙锌复合稳定剂替代铅盐和有机锡稳定剂。但是，国内的中小型线缆生产企业现有的生产设备大都是为配合使用铅盐类稳定剂而特定制造的，如换成钙锌复合稳定剂等环保添加剂来生产，设备需要升级或者更换，这其中涉及的资金、技术、人员培训等方面的问题，是线缆行业在适应新生产技术过程中必然会面临的困难和必须要承受的阵痛。

3.2 低烟无卤无毒无害，阻燃效果好

线缆的燃烧是可燃有机物在高温下急剧降解、强烈放热并伴随浓烟和火焰的化学反应过程（见图1）。燃烧的三个基本要素是：可燃物、氧气、温度。线缆的阻燃作用就是通过阻断三要素的任意一个来达到阻燃的目的。PVC 线缆是自熄性聚合物，氧指数达45%以上，其原料中的卤素（氟、氯、溴、碘、砹）在高温下产生的卤原子和聚合物中的氢原子会结合成卤化氢，而卤化氢会捕捉燃烧过程中产生的高热量HO·自由基并形成低热量的卤素自由基和水，从而中止氧化反应起到不延燃的效果。但众所周知，卤化物是有毒的且卤酸气体是具有腐蚀性的，在燃烧过程或火灾中，对人体、设施、环境具有巨大危害。

图1 线缆燃烧机理示意图

目前，大多数环保型线缆使用交联聚乙烯作为绝缘料，聚烯烃作为护套料，两者都不含卤素，并通过添加无卤阻燃剂来实现阻燃。使用较多的阻燃剂是无机磷化合物（主要是红磷、聚磷酸铵）和金属氢氧化物（主要是氢氧化铝、氢氧化镁），这两类化合物的特点是燃烧时不产生有毒或腐蚀性气体，故也被称为无污染阻燃剂。其阻燃性能主要通过四个作用来实现，如表1 所示。

表1 无机磷化合物和金属氢氧化物的阻燃原理[2]

随着现代社会的发展，人们对环保线缆的要求越来越高，在保证阻燃性能不降低的情况下，对发烟量也有很高的要求。现在市面上的无卤低烟阻燃线缆，这种环保型线缆燃烧时的发烟量较小，且为白色，最低透光率能达到60%以上，即使燃烧也能保持视野清晰，同时可视距离不低于15m，在火灾时不影响人员逃生及灭火救援工作开展。

3.3 耐热等级高，载流能力强，使用寿命长

影响线缆载流能力的内部因素，除导体本身的线径大小和导电性外，最重要的就是绝缘层的耐热等级。线缆在工作时，电流流经导体所产生的热量不能超过绝缘层所能承受的热量，不然长期工作状态下会使绝缘层发软、发粘、失去弹性甚至熔化而造成危险，因此可以说绝缘层的耐热等级决定了导体的最高工作温度。而导体工作温度越高，其允许通过的电流越大，也就是载流能力越强。绿色环保的线缆多使用交联聚乙烯（XLPE）、交联聚烯烃（XLPO）材料作为绝缘层。如表2 所示，相对其他常用绝缘材料，在满足机械性能、化学性能的前提下（硅橡胶的物理性能较差），交联聚乙烯和交联聚烯烃绝缘的导体最高工作温度更具优势。特别是在相同载流量的情况下，交联聚乙烯和交联聚烯烃绝缘在使用寿命上有绝对优势。建筑物的寿命一般在70 年，而普通电线电缆的寿命只有25 年，部分超过使用寿命的电线电缆容易老化，存在安全隐患，危及人身安全。[1]使用绿色环保类线缆，在同等载流量下，线缆不易老化变形变质，不仅安全，使用寿命也更长。

表2 常用绝缘材料允许的导体最高工作温度

3.4 回收再利用率高，环境污染少

传统PVC 线缆中的氯含量可达56%以上，且绝缘护套中含有大量的添加剂，在分解、氧化和燃烧时会产生多种有毒有害或腐蚀性物质，对人与环境造成伤害。线缆在制造过程中，会产生废水、废气、废料排放，给水质、空气、土壤造成污染；在使用过程中，特别是发生火灾燃烧时，会产生大量的有毒有害气体（如氯化氢、一氧化碳、二氧化硫等），并带有浓烟，给人员逃生和救援带来困难；在线缆产能过剩或使用寿命结束时，闲置或废弃的线缆产品长期在光、氧、热的条件下会慢慢释放出有害物质；在回收再利用方面，面临的问题也非常严峻，目前我国废弃线缆中金属导体可全部回收且再生利用率可达到95%以上，但电缆料的回收利用率却不足3%，这不仅造成了资源浪费，还极大地污染了环境。而绿色环保线缆从设计环节就已经将绿色、环保、节能等理念引入整个生命周期，从原料、生产、使用、淘汰都不会对环境造成大的影响。

4 结束语

基于低碳、环保等因素，目前许多发达国家已经明令禁止使用PVC 作为线缆原材料。党的十八大以来，在习近平生态文明思想的指引下，我国大力倡导绿色发展理念，推动电线电缆产业朝绿色环保方向发展。近年来，我国在各种大型公共活动场所，如世博会、奥运村等，都禁止使用PVC 等非环保线缆，全部要求采用绿色环保型线缆，而北京、上海等一线城市在铁路、电子、通信、军事、化工、医院等重工业领域及大型活动建筑中，也在致力推行使用环保型线缆。可见，绿色环保线缆已是大势所趋，其取代传统非环保线缆的进程会越来越快。因此，线缆行业必须紧跟时代发展的脚步，早重视、早投入、早研发，积极应用推广绿色工艺技术，加快实施全产业链绿色化改造，从而推动行业转型升级和高质量发展。