毕业设计（论文）低烟无卤阻燃电缆分析.doc

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1、绪论国内自20世纪90年代后期发展高分子材料的应用技术与合成树脂及其共混改性技术以来,一直致力于线缆行业新材料的开发研究和利用。随着现代科学技术的发展和人们生活水平的提高,以及工业和商业建筑物结构日益复杂化和高灵活性的要求,使得人们不断加强对各种综合布线用电线电缆产品安全性、环保性的重视。作为阻燃电缆传统的绝缘和护套材料,它们大多是采用含卤聚合物和含卤阻燃剂混合在一起的阻燃物,这些含卤材料虽具有优良的阻燃性,但在发生火灾时,由于其材料的热分解和燃烧,就会释放出大量浓黑的烟雾和有毒、腐蚀性、刺激性气体,严重妨碍消防人员进行救火和疏散人员且会腐蚀设备,延误了救援时间,给人民的生命和财产造成重大的损

2、失,于是开发不产生卤化氢气体的低烟、无毒、无腐蚀性的无卤阻燃电缆成为线缆行业的新课题。经多年攻关和努力,目前低烟无卤阻燃电缆已广泛应用于核电站、城市轨道、地铁、医院和高层建筑等场所。电线电缆绝缘和护套材料通常都使用塑料或橡胶,这类材料一般本身是可燃的,在火灾环境中会燃烧、延燃或助燃,致使灾情扩大。因此,在重要建筑和设施中需要使用阻燃电线电缆。为达到此目的,传统上多是以聚氯乙烯或其他含卤材料作为电线电缆的绝缘或护套。但在发生火灾的情况下,这些材料在燃烧时会释放出大量含有卤化氢气体的浓烟,使人找不到逃生路线,以至于窒息而造成伤亡。同时,卤化氢气体还会对周围设施造成损害,这就是我们所说的“二次灾害”

3、。另外,由于技术上的原因,这些材料还经常含有对人体和环境有害的铅,溴化物等物质,在正常使用情况下也会对人带来伤害。基于这种背景“, 绿色环保电缆材料”的概念便产生了,人们对环保电线电缆的要求越来越迫切。第1章 低烟无卤阻燃电线电缆参数及其分类1.1 递烟无卤阻燃电线电缆参数1.1.1氧指数几乎在所有人眼里，它都代表了无卤阻燃材料阻燃性能的指标。大多数人认为，氧指数越高则阻燃性能越好，或者说氧指数达标则材料阻燃性能达标。其实不然，氧指数高不一定通得过线缆阻燃试验，氧指数低也未必就通不过线缆阻燃试验。原因：材料在燃烧中是否滴流及滴流的程度大小很大程度决定了线缆是否能通过阻燃试验及线缆的阻燃水平。1

4、.1.2热变形和高温压力这是一个容易被忽视的、但却代表了耐温等级的指标。一提到耐温性能，大家都会想到热老化的指标，容易忽视掉热变形和高温压力这一指标。那么，对于热塑性低烟无卤阻燃料来说，热变形和高温压力性能不好则意味着： 线缆护套熔点低、易变形，即在低于线缆最高使用温度时就能变软甚至熔化，同时在外力及自重的作用下使线缆变形甚至破坏，从而使线缆失去正常保护； 线缆护套易开裂，即线缆局部受热受力时容易在较软的区域开裂，比如在阳光下爆晒或受到烘烤时，会在爆晒和烘烤面开裂； 做成的线缆阻燃性差，即材料氧指数并不低，但做成的线缆在进行燃烧试验时通不过。原因：材料温度指数低及线缆燃烧时无卤材料滴流。1.1

5、.3挤出性能 无卤料挤出性能比其它材料差，故大家都着力于挤出性能的改善，但非常好挤的无卤材料也必然会存在以下问题： 可能阻燃剂添加量不足而导致阻燃性不够； 材料太软而造成耐温性不够，致使高温压力不合格；同时，由于材料温度指数低及滴流，从而导致线缆阻燃性不合格。1.2 低烟无卤阻燃电线电缆定义及分类1.2.1 低烟无卤阻燃电线电缆定义在燃烧时组成电线电缆的各种低卤低烟阻燃电线电缆材料所排放的卤素和HCL总量不大于5% ，且水溶液的pH值3.5，透光率大于60% ，则称为低烟无卤阻燃电线电缆。低烟：燃烧时产生的烟尘较少，即透光率（能见度）较高。低烟性能符合表1-1 所示的规定。表1-1 低烟性能要

6、求代号实验外径d/mm试验数最小透光率（%）试验标准Dd40160GB/T17651.220d40210d2035d1045/d2d545/d、 计算值舍去小数取整数（根或束）。 每束试样由7 根绞合构成。无卤：不含卤素，燃烧产物的腐蚀性较低。无卤性能符合表1-2所示的规定。表1-2 无卤性能要求代号无卤（低腐蚀性）试验方法试验标准pH加权值电导率加权值s/mmW4.310GB/T17350.2阻燃：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，并且具有自行熄灭特性，即具有阻止或延缓火焰发生或蔓延的能力。分为单根阻燃和成束阻燃，其性能分别符合表1-3和表1-4所

7、示规定。表1-3 单根阻燃性能要求代号试验外径/mm供火时间/s合格值试验标准ZD2560试样烧焦不应超过距上夹具下缘50540mm的范围之外GB/T18380.1GB/T18380.225D5012050D75240D75480 对非圆形电缆如扁电缆，应测量其周长并换算成等效直径。 直径0.40.8 mm 实心铜导体和截面0.10.5 mm2 绞合铜导体电线电缆采用GB/T 18380.2表1-4 成束阻燃性能要求代号试样非金属材料供火时间/min合格指标试验标准ZA7401） 试样上的、炭化的长度最大不应超过距喷嘴底边向上2.5m2） 停止供火后试样上的有焰燃烧时间不应超过1hGB/T18

8、380.3IEC60332-3-25ZB3.540ZC1.520ZD0.5201.2.2 无卤低烟阻燃电线电缆分类根据国家标准GB/T 19666阻燃和耐火电线电缆通则，无卤低烟阻燃电缆分为单根阻燃和成束阻燃。单根阻燃代号为：W D Z ；成束阻燃代号分别为：W D Z A 、W D Z B 、W D Z C及W D Z D 。第2章 低烟无卤阻燃相关试验方法2.1 阻燃材料性能评定2.1.1 阻燃材料的阻燃性评定材料所具有的减慢、终止或防止有燃烧的特性称位材料的阻燃性。材料的阻燃性，现在常用氧指数法来评定。氧指数的定义为，在规定的试验条件下，材料在氧氮混合气流中刚好能保持燃烧状态所需要的最低

9、氧浓度，以氧所占的体积百分数表示。氧指数的计算公式如下： 氧指数（OI）=O2/(O2+N2)100%式中：O2-氧气流量（1/min）N2-氮气流量（1/min）由于空气中氧所占的体积百分数为21%，因此对于氧指数超过21的材料在空气中会自熄。材料的氧指数越大，则表示它的阻燃性越好，反之亦然。2.1.2 阻燃材料的发烟性评定 聚合物材料燃烧时或多或少总会产生一些烟雾。烟雾是由水蒸气和气体，以及由于不完全燃烧而形成的固体或液体悬浮物组合而成的混合物。 阻燃材料的发烟性评定，通常是使用一个密封燃烧试验箱，通过试样的无焰受热分解或有焰燃烧，借助于光学的方法，来测量由于烟雾积聚而产生的光束的衰减。试

10、验结果用光密度DS表示。 任何给定时刻的比光密度DS可按下式计算 DS=Glg(100/T)+F式中：G-V/ALV试验箱容积（mm3）A试样的实验面积（mm3）L通过烟雾的光路长度（mm）T测得的透光率（%）F由下述情况决定：（1）如在测量T时，滤光片正处于光路中，F=0，T就是实际百分透光率;（2）如在测量T时，滤光片从光路中移走，则F=滤光片的已知光密度，T就是表观百分透光率。在标准ASTM E662里，测量T时，滤光片处于光路中，取F=0，并且燃烧箱的内部尺寸为914（长）610（深）914（高）mm,试样暴露面积为6565mm，于是有:G=V/AL=（914610914）/（6565

11、914）=132从而可以得到下式：DS=132lg(100/T)比光密度越大，表示烟浓度越大。当烟浓度达到最大值时，则透光率位最小，用Tmin表示。此时计算得到的比光密度位最比光密度，用Dm表示。于是有下式：Dm=132lg(100/Tmin)Dm表示烟的总累积。Dm越大，表示该材料燃烧时的发烟量越大，反之亦然。2.1.3 阻燃材料的腐蚀性评定含卤素阻燃材料燃烧时，除了会产生许多烟雾之外，还会产生大量的腐蚀性卤化氢气体。这些腐蚀性卤化氢气体与水结合，形成酸，对金属产生腐蚀作用，从而严重地损坏电子仪器和机械设备。使用明确和可以再测量值的方法，直接测定燃烧气体对金属表面的腐蚀程度，是比较困难的，以

12、至只能采用间接的测量方法。为了确认阻燃材料在燃烧时和加热老化时产生的气体对金属的腐蚀性，可根据标准ASTM D2671，进行铜镜腐蚀试验来评定。在该试验方法里，观察产生的气体在蒸镀铜镜上的腐蚀面积。如果蒸镀铜镜的腐蚀面积超过5%，则认为阻燃材料燃烧时产生的腐蚀性气体太多，即该阻燃材料的腐蚀性不合格。2.1.4 阻燃材料的毒性评定有机聚合物材料燃烧时，会产生对人体和生物有毒的燃烧气体。这些有毒气体的毒性程度，可以通过测定材料燃烧时产生的各种气体的浓度来确定。将100g材料，放在一个至少具有0.7m3体积的气密试验箱里，测定每种气体分散在1m3体积的空气中所产生的气体浓度CQ（ppm）:CQ=(C

13、100)/m V式中：C试验箱中气体密度（ppm） m燃烧试样重量（g） V试验箱体积（m3）测量和计算每种气体CQ，然后按下述方法计算毒性指数T:毒性指数T=CQ/Cf=CQ1/Cf1 + CQ2/Cf2 + + CQn/Cfn式中：1，2，n每分钟被测的气体；Cf人体在各种气体中经受30min会致死的气体浓度，称谓危险浓度（ppm）。按照毒性指数的数值，可以来判断该阻燃材料的毒性程度。2.2 阻燃材料试验标准2.2.1 阻燃材料的阻燃性试验标准常用的阻燃材料的阻燃性试验标准有ASTM D2863,JIS K7201,GB2406等。表2-1不同材料的氧指数（JIS7201）材 料氧 指 数

14、普通材料阻燃材料绝 缘聚氯乙烯2430聚乙烯1825交联聚烯1828乙丙橡胶2130护 套聚氯乙烯2440氯磺化聚乙烯3540氯丁橡胶3040聚乙烯18302.2.2 阻燃材料的发烟性试验标准常用的阻燃材料的发烟性试验标准有ASTM E662,GB8323,JIS K7228等。ASTM E662基本上是美国国家标准局（NBS）烟密度箱实验方法。表2-2不同阻燃材料的发烟量（ASTM E662）材 料最大比光密度护 套聚氯乙烯270氯磺化聚乙烯190氯丁橡胶240无卤阻燃材料100GB8323相当于ASTM E662。2.2.3阻燃材料的腐蚀性试验标准常用的阻燃材料的腐蚀性试验标准有ASTM

15、D2671等。图2-1表示ASTM E2671铜镜腐蚀试验装置。铜镜是玻璃板上真空蒸镀规定厚度的铜制成。实验时，将试样放在175下加热16h，然后观察铜镜腐蚀情况。蒸镀铜镜腐蚀面积超过5%，即认为材料的腐蚀性不合格。图2-1ASTM D2671铜镜腐蚀试验装置表2-3表示不同阻燃材料的铜镜腐蚀试验结果。有表2-3可知，作为传统材料的普通聚氯乙烯不合格，与此相反，对于无卤阻燃材料，不管是交联的，还是不交联的，都不使铜镜腐蚀，因此确认它们在燃烧时不产生腐蚀性的卤化氢气体。表2-3表示不同阻燃材料的铜镜腐蚀试验结果材料试验结果普通聚氯乙烯不合格交联无卤阻燃材料合格非交联无卤阻燃材料合格2.2.4 阻

16、燃材料的毒性试验标准常用的阻燃材料的毒性试验标准有NES713等。2.2.5 阻燃材料试验标准汇总表为了便于查阅，我们把上面提到过的阻燃材料试验标准汇总成表2-4.表2-4阻燃材料试验标准汇总试验标准号标准名称阻燃性实验ASTM D2863塑料烛样燃烧所需的最低氧浓度测定（氧指数）JIS K7201用氧指数法进行高分子材料的燃烧试验方法GB2406塑料燃烧性能试验方法 氧指数法发烟性实验ASTM E662固体材料燃烧性能试验方法（烟雾的比光密度法）GB8323塑料燃烧性能试验方法 烟密度法JIS K7228塑料的烟密度及燃烧气体的测量腐蚀性实验ASTM D2671铜镜腐蚀试验毒性试验NES 7

17、13试样材料燃烧产物毒性指数的测定2.3 阻燃电缆试验标准方法2.3.1 无卤性能试验方法对于无卤性能试验，我们按照GB/T17650.2（等效IEC60754-2）进行试验，以下对试验作一简述。首先选取样品，在温度为（232）和相对湿度为（505）%的条件下放置至少16h。取样品材料1000mg5mg为一个试样，每个试样应取自样品上的代表性材料，试样应切成小碎片，均匀地放入燃烧舟的底部。然后把装有试样的小舟迅速地送入管子的有效区内并启动记时器，燃烧小舟应放在距有效加热区出口端300mm处，确保小舟所在位置的温度不低于935，沿空气流方向离小舟300mm处的温度不低于900。在有气流条件下的燃

18、烧过程应在炉内持续30min，释放出的气体通过盛有蒸馏水或软化水的洗瓶冒泡吸收。试验之后，应将洗瓶的溶液追加至1000mL，然后测定溶液pH值和电导率，所测数值应符合GB/T17650.2中表1的规定，则该样品具有无卤性能。2.3.2 低烟性能试验方法对于低烟性能试验，我们按照GB/T17651.2（等效IEC61034-2）进行试验，以下对试验作一简述。首先取校直的一根或多根1m0.05m长的电缆，在温度为（235）的条件下放置至少16h。试样根数的选择符合GB/T17651.2中表2所示的要求，在试验前应把电缆或缆束的两端扎在一起，并且在距离每端300mm处用金属线把它们固定在支架上，试样

19、应紧挨着水平放置并位于酒精盘上方的中心位置，使试样的下表面和酒精盘底部之间的距离为150mm5mm。开动风扇使空气流通并点燃酒精，操作人员离开试验室后把门关上，待火源熄灭之后5min或者试验持续时间达到40min时，透光率不再减小，则可认为试验结束，记录最小透光率，最小透光率应60%为合格。2.3.3 阻燃性能试验方法考核电缆阻燃特性的试验分为单根燃烧试验和成束燃烧试验。由于电缆在敷设时一般是多根敷设在一起，单根电缆通过燃烧试验并不能满足电缆的阻燃性能，所以我们一般用成束燃烧试验来考核电缆的阻燃性能。对于成束燃烧试验，我们一般按照GB/T18380.3（等效IEC60332-3）和GB/T19

20、666进行试验，以下对各种阻燃级别的电缆试验作一简述。A 类阻燃电缆试验方法有两种（代号：F/R和F），对于导体截面35mm2 及以下的电缆仅F安装方法适用。试验应由若干段相同长度的电缆试品组成，每段电缆的最小长度为3.5 m。满足每米电缆的燃烧物含量为7L，试验根数为7000/（SSm）（其中S为一根电缆试样的横截总面积，Sm为一根电缆试样的横截面的金属截面积），采用一盏带型喷灯供火，火焰温度为815，供火40min，停止供火1h后，电缆试样的任何剩余的燃烧及炽热的光应该熄灭，炭化部分的高度不超过2.5m判定为合格。B类阻燃电缆试验安装方法有一种（代号：F）。试验应由若干段相同长度的电缆试品

21、组成，每段电缆的最小长度为3.5m。试验时满足每米电缆的燃烧物含量为3.5L，试验根数为3500/（SSm）（其中S为一根电缆试样的横截总面积，Sm为一根电缆试样的横截面的金属截面积），采用一盏带型喷灯供火，火焰温度为815，供火40min，停止供火1h后，电缆试样的任何剩余的燃烧及炽热的光应该熄灭，炭化部分的高度不超过2.5m判定为合格。C 类阻燃电缆试验安装方法有一种（代号：F）。试验应由若干段相同长度的电缆试品组成，每段电缆的最小长度为3.5m。试验时满足每米电缆的燃烧物含量为1.5L，试验根数为1500/（SSm）(其中S为一根电缆试样的横截总面积，Sm为一根电缆试样的横截面的金属截面

22、积），采用一盏带型喷灯供火，火焰温度为815，供火20min，停止供火1h 后，电缆试样的任何剩余的燃烧及炽热的光应该熄灭，炭化部分的高度不超过2.5m判定为合格。D 类阻燃电缆试验安装方法有一种（代号：F）。试验应由若干段相同长度的电缆试品组成，每段电缆的最小长度为3.5m。试验时满足每米电缆的燃烧物含量为0.5L，试验根数为500/（SSm）（其中S为一根电缆试样的横截总面积，Sm为一根电缆试样的横截面的金属截面积），采用一盏带型喷灯供火，火焰温度为815，供火20min，停止供火1h后，电缆试样的任何剩余的燃烧及炽热的光应该熄灭，炭化部分的高度不超过2.5m判定为合格。2.4.阻燃电缆试

23、验标准2.4.1 阻燃电缆的阻燃性试验标准常用的阻燃电缆的阻燃性试验标准有JIS C3005,GB12666-3、4，IEC332-1、2，GB12666-2,IEE383,IEEE45,JISC3521,IEC332-3,DIN57472-804,BS4066-3,JCS366,GB12666-5等。表2-5阻燃电缆试验标准汇总表试验标准号标准名称阻燃性试验JISC3005橡塑绝缘电线试验方法GB12666-3电线电缆燃烧试验方法，第3部分：单根电线电缆水平燃烧试验方法GB12666-4电线电缆燃烧试验方法，第4部分：单根电线电缆倾斜燃烧试验方法IEC332-1电缆在火焰条件下的试验，第1部

24、分：单根绝缘电线电缆垂直燃烧试验IEC332-2电缆在火焰条件下的试验，第2部分：单根绝缘细径电线电缆垂直燃烧试验GB12666-2电线电缆燃烧试验方法，第2部分：单根电线电缆垂直燃烧试验方法IEEE383核电站用IE级电缆、现场接头和连接件型式试验IEEE45船舰电气安装推荐标准JISC3521通信电缆阻燃护套燃烧试验方法IEC332-3电缆在火焰条件下的试验，第3部分：成束电线电缆燃烧试验DIN57472-804电线电缆试验（阻燃性能）BS4066-3电缆阻燃实验JCS366垂直密闭通道实验GB12666-5电线电缆燃烧试验方法，第5部分：成束电线电缆燃烧试验方法发烟性实验IEC1034在

25、规定条件下电缆燃烧烟密度的测定BS6724燃烧时低烟和低腐蚀性气体的热固性电力电缆GB12666-7电线电缆燃烧试验方法，第7部分：电线电缆燃烧烟密度试验方法腐蚀性试验IEC754-1电缆燃烧时气体逸出试验，第1部分：取自电缆的聚合材料燃烧时卤酸气体逸出量的测量JCSC53低氯化氢乙烯基塑料料电缆IEC754-2电缆燃烧时气体逸出试验，第2部分：通过测量pH和导电率来测定电缆材料实验时释放气体的酸度DIN57472-813电线电缆试验（燃烧气体的腐蚀性）DIN7472-815电线电缆试验（无卤性）毒性试验日本建设省告示第1231号燃烧气体毒性试验第3章 无卤阻燃体系添加的阻燃剂和阻燃增效剂3.

26、1 无卤阻燃剂及其阻燃机理无卤阻燃体系添加的阻燃剂主要包括金属水合物、磷化物、硼化物等无机阻燃剂,其阻燃机理随阻燃剂的不同而不同。3.1.1 金属水合物经过长期研究,人们发现适合作无卤阻燃剂的金属水合物主要以Al(OH)3 、Mg(OH)2 为主,这是因为Al(OH)3 、Mg(OH)2 具有填充剂、阻燃剂、发烟抑制剂三重功能。当它们受热分解时放出结晶水,吸收大量的热量,产生的水蒸汽降低了可燃性气体的浓度,并隔绝空气;同时生成的耐热金属氧化物(Al2O3、MgO) 还会催化聚合物的热氧交联反应,在聚合物表面形成一层碳化膜,它会减弱燃烧时的传热、传质效应,从而起到阻燃的作用,并且无毒,起到消烟的

27、作用。Al(OH)3的脱水吸热温度范围为235350,吸热量为1968J/g ,可抑制早期温度上升。Mg(OH)2 在340490 之间分解,吸热量为783J/g ,需较高温度才发生脱水反应,吸热量较小,抑制材料温度上升的效果没有Al(OH)3 好,但是,它对聚合物的碳化作用优于Al(OH)3。由此可见,Al(OH)3 、Mg(OH)2 各有其优点。Al(OH)3 与Mg(OH)2 阻燃剂在PE中的使用结果见表3-1。从表3-1可知,如果以氧指数、着火时间为标准来衡量阻燃效果,Mg(OH)2 是阻燃效果最理想的无卤阻然剂。表3-1 Al(OH)3 和Mg(OH)2 阻燃剂在PE中的使用效果阻燃

28、剂用量/phr着火温度/着火时间/min氧指数热导率/KJ（mh）-1无阻燃剂40810.418.41.162Al(OH)320045232.435.12.420Mg(OH)320044628.137.73.917注:阻燃剂的加入量均相对于100 份PE 而言。3.1.2无机磷系阻燃剂无机磷系阻燃剂包括聚磷酸铵、磷酸、红磷等。其阻燃机理既有气相机理,又有凝聚相机理,但以凝聚相机理为主。在燃烧时发生以下变化:磷化合物磷酸偏磷酸聚偏磷酸。聚偏磷酸玻璃体不仅覆盖于燃烧体表面,形成保护膜,隔绝,发挥其阻燃作用,而且磷酸和聚偏磷酸都是强酸,有很强的脱水性,能使聚合物脱水碳化,在其表面形成碳化层,从而使聚

29、合物内部与氧隔绝,阻止燃烧。同时,由于碳化层的导热性差,因此能使聚合物与外界热源隔绝,从而减缓热分解速度。3.1.3 硼系阻燃剂硼是发现较早的阻燃元素之一。硼的阻燃机理目前研究得还很不充分。硼酸和水合硼酸盐都是低熔点化合物,加热时形成玻璃状涂层覆盖于聚合物表面。目前使用最广泛的硼阻燃剂是硼酸锌(2ZnO3B2O35H2O) ,它在300以下稳定,受热至300以上时,释放结晶水,吸收大量热能(620J/g) ;释放出的水分,降低了聚合物表面氧的浓度,抑制了燃烧,最终生成的B2O3玻璃状薄膜可覆盖于聚合物之上,起到隔热和排氧作用。3.1.4 氮系阻燃剂以铵盐形式为主,如(NH4)2HPO4 、NH

30、4H2PO4 、(NH4)2SO4 等,其阻燃机理是:由于铵盐的热稳定性较差,受热后释放出非易燃性气体NH3,它同样可降低聚合物表面O2 的浓度,此外生成的H2SO4起着脱水、碳化的作用。通常认为后一种作用是主要的。3.2 阻燃增效剂及其作用机理使用无机无卤阻燃剂的缺点是阻燃剂填充量大,阻燃材料的物理性能降低。克服该缺点的方法是同时使用能促使树脂碳化的特殊阻燃剂,一般称阻燃增效剂。阻燃增效剂能抑制材料燃烧时发生滴落现象,并和无机阻燃剂有良好的协同作用,因此可以减少无机阻燃剂的填充量,起到改善材料机械性能的作用。所以,阻燃增效剂的开发应用是发展无卤阻燃技术的关键。通常选用的无卤阻燃增效剂有:硼化

31、物、金属氧化物、有机硅化物等。3.2.1 硼化物ZnBO3在无卤阻燃聚烯烃中与Al(OH)3 和Mg(OH)2等协同作用,能促进树脂碳化并抑制烟雾的产生,单独使用时也是一种阻燃剂。实验发现,在EVA 体系中,ZnBO3 部分代替Al(OH)3 后,成碳量可以增加10倍,而且使阴燃方式转为有焰燃烧方式,自燃的初始时间也增加了。见表3-2。表3-2无卤EVA在550空气中的热解复合材料残渣中碳占原始质量分数燃烧方式与燃烧初始时间残渣硬度无填充0.6有焰，6s很软100份Al(OH)30.7有焰（1m）,25s很软200份ZnBO30.9阴燃，15s很硬100份Al(OH)3 +200份ZnBO31

32、.6有焰（1m）,40s很硬 *鼓风烘箱内的空气。3.2.2 金属氧化物在阻燃增效剂中,金属氧化物占有重要的位置。随着对材料阻燃剂配方研究的深入,发现金属氧化物可作为各种阻燃配方中的少量或微量增效成分,它具有成碳作用。Al(OH)3 、Mg(OH)2与Ni、Mn、Zn、Al 、Zr 、Co 和Fe 的氧化物并用,除对聚烯烃有良好阻燃协同作用外,还有改善无机填料分散性的作用。日本日立电线公司研制的用于聚烯烃的无卤阻燃剂的特点就是在使用Al(OH)3 、Mg(OH)2 的同时, 以Cr2O3 - Al2O3 、Al2O3 - SiO3 、Fe2O3 - ZnO、MnO - Al2O3等脱氢催化剂作

33、为阻燃增效剂,该阻燃体系具有优异的阻燃性,而且燃烧时不发生脱解,热分解温度高,材料在熔融过程中不发生分解,耐化学药品性能好。另据报道, 使用SiO2、CaO、MgO、MoO3和Fe2O3等也有利于提高聚烯烃/Mg(OH)2 氧指数,且消除了挤出时产生泡沫的现象。3.2.3 有机硅化合物有机硅化合物也是Al(OH)3 、Mg(OH)2 的阻燃增效剂,它的阻燃作用主要在于燃烧时生成硅碳化物,阻止生成挥发性物质而增强了阻燃性。如美国GE公司开发的SFR-100阻燃增效剂,对PE等材料具有良好的阻燃作用和抑烟效果,它与材料的相容性好,改善了材料的加工性能。SFR-100 的加入不仅提高了无卤阻燃材料的

34、阻燃性,而且减少了无机阻燃剂的添加量,还提高了聚合物的抗冲击性、热稳定性和表面光洁度,甚至在高填充条件下,流变性能仍很好。第4章 低烟无卤阻燃电缆料及电缆生产工艺4.1 低烟无卤阻燃电缆料4.1.1 低烟无卤阻燃聚烯烃电线电缆料聚烯烃是无卤材料，由碳氢化合物组成，在燃烧时分解出二氧化碳和水，不产生明显的烟雾和有害气体。聚烯烃主要包括聚乙烯（ PE）、乙烯醋酸烯聚物（ EVA）。这些材料本身并不具有阻燃性，需要添加无机阻燃剂和磷系列阻燃剂，才能加工成实用的无卤阻燃材料，但是，由于非极性物质的分子链上缺乏极性基团具有憎水性，与无机阻燃剂的亲和性能较差，难以牢固的结合。为了改善聚烯烃的表面活性，可在

35、配方中加入表面活性剂；或者在聚烯烃中混入含有极性基团的聚合物进行共混，从而提高阻燃填充剂的用量，改善材料的机械性能和加工性能，同时获得较好的阻燃性。低烟无卤阻燃电线电缆料的基体树脂一般选用不含卤素的聚烯烃, 它燃烧时分解出水和二氧化碳, 不产生明显的烟雾和有毒气体。无卤阻燃聚烯烃电线电缆料一般添加无机阻燃剂为主, 如Al(OH)3、Mg(OH)2 , 这类阻燃剂具有消烟阻燃的功能, 并添加其它消烟阻燃剂如钼酸铵、硼酸锌等。用八钼酸铵作为抑烟剂用于PVC、聚烯烃等电缆材料中, 试验结果表明, 八钼酸铵在各种材料中抑烟性及协同阻燃效果明显。无机阻燃剂与树脂的相容性差, 添加量又比较大, 往往造成电

36、线电缆料的机械性能下降, 为改善无机阻燃剂与树脂的相容性, 可加入偶联剂或先将无机阻燃剂用偶联剂进行活化处理; 另外可加入高填充量的EVA、EPDM等与聚烯烃组成基体树脂。低烟无卤阻燃电缆护套料一般采用聚烯烃作为基体树脂, 其机械物理性能和阻燃性能见表4-1。表4-1 低烟无卤阻燃聚烯烃护套料性能测试项目指标老化前力学性能抗拉强度/Mpa9.0断裂伸长率/%120热空气老化试验（100）168h后抗拉强度变化率/%25断裂伸长率变化率/%25极限氧指数/%38燃烧气体的腐蚀性pH值4.3电导率/（S/mm）104.1.2 低烟电线电缆料为了减少电线电缆材料燃烧时大量烟雾的产生,目前主要采取添加

37、“抑烟剂”的方法。一般说来,凡是能捕捉或抑制分解产物或燃烧产物的物质都可以作为抑烟剂来使用。目前大量使用的抑烟剂有硼酸锌、碳酸钙、陶土、氢氧化铝和氢氧化镁等。硼酸锌是一种有效和经济的增效剂,作为抑烟剂广泛地应用在聚合物的阻燃中, 添加氢氧化铝和硼酸锌后的EVA(乙烯2醋酸乙烯)是目前电缆工业比较常用和成熟的无卤阻燃材料,而且与普通的EVA 相比,对其物理性能没有明显的影响。通过比较ATH(氢氧化铝)和ZB(硼酸锌)与EVA合并使用OI(氧指数) 的实验结果,可以得知纯的ATH显示出比硼酸锌的性能优异,但硼酸锌部分代替氢氧化铝时,发烟量就会明显降低,能有效地抑制电缆火灾烟气和毒气的释放。碳酸钙的

38、抑烟作用主要是吸收烟雾中的氯化氢气体, 使之生成稳定的氯化钙而残留于燃烧后的炭化层中。据此原理,凡是燃烧时能产生氯化氢气体的高聚物材料如聚氯乙烯、氯丁橡胶、氯磺化聚氯乙烯等都可以选用碳酸钙作为抑烟剂。研究显示碳酸钙添加量对CO生成量的影响,同时可以看出随着氯化钙颗粒的减小、表面积增大、碳酸钙的用量会减少,效果反而会增强。如粒度为15微米碳酸钙比粒度35微米碳酸钙捕捉氯化氢的效果强许多倍。氢氧化铝是一种既阻燃又抑烟,应用很广的阻燃抑烟剂。由于氢氧化铝在高温下能分解出结晶水,吸收大量的热量使材料难以达到燃烧温度和热分解温度,从而抑制燃烧及烟雾的产生。此外氢氧化铝是两性氧化物, 能与烟雾中酸、碱性物

39、质(如HCL ,NH3等)作用,生成挥发性较小的盐, 也起到抑制烟雾产生的作用。除此之外,许多钼化合物、钒化合物、硅化合物、有机酸等也是常用电线电缆的抑烟剂。但到目前为止,除了少数抑烟剂的抑烟机理比较清楚外,大部分有待于进一步研究。4.1.3 低烟无卤阻燃电缆料的配方原理目前国际上主流的低烟无卤阻燃技术是基于聚烯烃树脂与无机阻燃填料为主要成分的复合体系。无机阻燃填料主要是氢氧化铝和氢氧化镁,当复合材料受热至一定温度时氢氧化铝(氢氧化镁) 将发生分解并释放出水,从而达到降温阻燃的效果。这一体系在燃烧时释放出气体的主要成分是二氧化碳和水,因而烟密度很低,腐蚀性和毒性也很小。上述阻燃机理虽然简单,但

40、要按此开发出实用的产品并非易事,因为与传统的含卤阻燃剂相比氢氧化铝(氢氧化镁) 的阻燃效能要低得多,这意味着要达到期望的阻燃性就必须向树脂中添加大量的氢氧化铝(氢氧化镁) ,有时需达70 % ,这将不可避免地导致材料机械性能和电性能的大幅下降。因此,必须对树脂体系、阻燃体系、偶联体系、抗老化体系和润滑体系等作精心选择,并采用相应的优化加工工艺,才能得到具有良好的阻燃性能而机械物理性能和电性能又能符合使用要求的材料。除上述主流的低烟无卤阻燃技术之外,北欧化工开发了以乙烯2丙烯酸丁酯共聚物(EBA),有机硅和碳酸钙为主要成分的材料(Casico) ,主要用于代替聚氯乙烯作为建筑布线的绝缘;而美国通

41、用电气则刚刚开发出了基于改性聚苯醚(PPO)的材料,目的是用于电子电器用的柔软型电线电缆。4.2 生产工艺4.2.1 电缆导体生产电缆导体采用铜导体或铝导体，其各项性能应符合GB/T 3956电缆的导体的规定；若导体选用镀锡圆铜线时，其性能应符合GB/T 4910镀锡圆铜线的规定。成品导体不允许整根焊接，同一截面上不允许出现两个或两个以上的焊接点，单线焊接或扭接后须修整。束合或绞合导体应圆整、节距均匀，不得有断线、缺根、缺股及松股等现象。4.2.2 电缆的绝缘和护套生产1.工艺要求 电缆绝缘根据阻燃等级的不同允许选用交联聚乙烯或无卤低烟阻燃交联聚烯烃绝缘材料。绝缘标称厚度符合相关标准的规定，最

42、薄点厚度不小于标称厚度的90%（0.1 mm），平均厚度不小于标称值。绝缘外观平整、光洁，无击穿现象，绝缘热延伸达到标准要求。电缆护套选用热塑性无卤低烟阻燃聚烯烃护套材料，其结构尺寸按照相关标准执行。2.挤出设备无卤低烟阻燃聚烯烃电缆料的挤出，使用长径比L/D为20或25的螺杆就能得到较为理想的挤出表面，但相比而言，使用长径比L/D为20的螺杆挤出的电缆表面更加光洁。这是由于长径比越大，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，但长径比过大，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，而无烟阻燃电缆料中由于加入了较多的填充材料

43、（氢氧化镁或氢氧化铝），受热易分解而造成挤出表面变差，故采用长径比L/D为20的螺杆挤出效果较好。另外对于无卤低烟阻燃电缆料的挤出，螺杆压缩比为12.5 之间比较合适。并且采用挤出PVC 用的螺杆比采用挤出聚乙烯用的螺杆挤出阻燃聚烯烃较好；这是由于压缩比越大，螺槽深度越浅，螺旋角越小，螺杆与料筒之间的间隙越小，对塑料产生的剪切力和积压力增大，物料在螺杆中的剪切生热也越大，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，螺旋角较大，螺杆与料筒之间的间隙较大，故一般采用挤出PVC 用的螺杆挤出阻燃聚烯烃电缆料。挤出设备要有良好的冷却装置，因为阻燃聚烯烃挤出过程中会

44、由于摩擦而生热，如果没有良好的冷却效果，材料极易分解而影响挤出效果。3.挤出模具由于无卤低烟阻燃聚烯烃电缆料中有较多的填充物，导致在熔融状态下熔体强度、拉伸比、熔体黏度与非阻燃电缆料的性能存在较大的差异，从而使模具的选取也有所不同。一般来说，无卤低烟阻燃聚烯烃绝缘的挤出采用挤压式，护套采用挤管式或半挤管式生产。采用挤压式模具时由于无卤低烟阻燃聚烯烃熔体黏度大，使得机头压力增加，挤出制品压得比较密实，导致离模时有所膨胀，故选用模具内径尺寸比成品的标称直径应小5%左右。使用挤管式或半挤管式生产时必须考虑拉伸比，无卤低烟阻燃聚烯烃拉伸比为2.53.2，理论上是拉伸比越小，表面越光洁，实践得出挤制护套

45、配模：模芯内径绕包层外径+（0.61.5）mm，模套内径电缆标称外径+（27）mm。4.挤出工艺加工工艺的选择 除选用合适的挤出机外,加工工艺也要合理。如温度过高会使助剂分解,造成制品有气孔;温度过低,会产生塑化不良。应该尽量减少机身压力, 螺杆转速不宜过高,在保证物料充分塑化的条件下,适当降低挤出温度。加工工艺要根据不同材料,不同配方进行调整。挤出工艺主要包括挤出温度和螺杆转速。由于无卤低烟阻燃聚烯烃挤出时会因摩擦而生热，引起温升，冷却一段后会趋于平衡，所以初始温度设定一般比正常挤出温度低510左右，以使挤塑稳定时，温度正好在材料的挤出温度范围之内。一般来说，无卤低烟阻燃聚烯烃电缆料比低烟低卤及普通阻燃聚烯烃电缆料的摩擦升温快，工艺温度范围窄。挤出时螺杆转速也是一个重要问题，挤包无卤低烟阻燃聚烯烃时，螺杆转速不能太快。这是由于螺杆转速快后受到的剪切作用增大，易引起阻燃剂的机械热分解；另外由于转速增加，摩擦生热量也大，也会造成阻燃剂分解，从而影响