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低烟无卤阻燃线缆在应用中的几个问题

时间:2008-11-17

摘要:本文介绍了低烟无卤护套料在应用中出现的几个典型的问题,包括挤出加工困难、护套易开裂、材料热变形很难通过等问题,目的是抛砖引玉,共同探讨。

关键词:阻燃;挤出;开裂;热变形

一、前言

近几年来,随着国民经济的迅速发展,特别是电力、电子及信息化等行业的发展尤为迅速,使得与之配套的阻燃电线电缆用量剧增,由于人们对线缆的环保、安全要求越来越高,传统的PVC护套材料虽然阻燃性能好、价格低廉、容易加工,但由于其燃烧时会放出大量的卤化氢气体和浓烟,造成火灾的“二次危害”,对人体健康及环境损害很大。当今人们越来越重视环保,特别是应用在地铁、船舶、建筑、家用电器等对环保要求较高的环境,低烟无卤材料护套的电线电缆,得到了广泛的应用,并有愈演愈烈之势。

目前线缆行业里应用较为广泛的是热塑性低烟无卤聚烯烃材料,聚烯烃基料以EVA为多,几年应用下来,发现几个问题,再次提出来探讨一下。

二、挤出加工问题

说到这个问题,就不能不提一下此种阻燃材料的阻燃基理。聚烯烃是无卤材料,纯碳氢化合物,燃烧时分解出水和二氧化碳,不产生明显的烟雾和有毒的腐蚀性气体,其本身是可燃的,要加入无卤的阻燃剂组成无卤阻燃材料。要达到要求的阻燃效果,需添加大量的阻燃填充剂Al(OH)3或Mg(OH)2,填充量150份以上。这种水合金属氧化物受热后,会释放结晶水,吸收大量热量,从而抑制聚合物温度上升,延缓热分解,来阻止燃烧。另外,脱水分解所产生的水蒸气,能稀释可燃性的气体,从而起到阻燃效果。

但是,添加大量的阻燃剂后,会使材料的机械性能明显降低,由于无卤阻燃护套料中含有较多的氢氧化铝或氢氧化镁填充剂,导致胶料硬度高,挤塑时生热大,护套挤制困难。特别是使用普通PE的高压缩比螺杆生产时,螺腔内压力过大易导致剪切生热,使实际温度比设定的温度高许多,容易引起物料过热机械分解,吸出水分,从而使线缆在离模后表面粗糙,有气孔,影响护套的机械物理性能。经过生产实践,加强对主机温度的控制可以消除此种现象,挤出机各段都要有风冷装置,并保证功率足够,使各区的温度不要超过170℃。另外采用低压缩螺杆,也可以大大降低材料的剪切热,其压缩比在1.1~1.5:1之间,长径比在20~25:1之间即可,此种螺杆加工无卤阻燃护套的工艺性能较优异且能大大提高生产效率,由于无机阻燃剂氢氧化铝或氢氧化镁的加入,使无卤阻燃电缆料极易吸潮,为了达到更加的挤塑质量,一般在生产前需对无卤阻燃料进行烘干,烘干温度控制在60~80℃(最高不得超过90℃)、时间控制在4小时左右。

无卤阻燃料挤出加工中的关键工艺因素之一是挤出模具的设计。挤出模具分三种形式:挤压式、挤管式和半挤压式。三种形式的模具均可用于挤制此料。挤压式模具是模芯没有管状承径部分,模芯缩在模套承径后面。料流是靠压力通过模套实现最后定型的,挤出的塑胶层结构紧密、外表平整。由于在模口处产生较大的反作用力,会出现离模膨胀,一般模套内径比成品外径小5%左右,但使用挤压式模具,护套偏心调节困难,厚薄不易控制。挤管式模具模芯有管状承径部分,模芯口端面伸出模套口或持平。固有挤出速度快、生产操作简单、偏心易调节、护套厚薄容易控制等优点,但该模具类型的缺点是塑胶层致密性差、外表不如挤压式模具圆整。半挤压式模具模芯有管状承径部分但比较短。模芯承径的端面缩进模套口面,这是挤压式与挤管式的过渡形式,通常在大规格挤包及护层要求紧密时采用。如果采用半挤压式或挤管式模具,模具的拉伸比不能太大,1.5~2.0之间即可。

三、护套开裂问题

使用低烟无卤阻燃护套的电缆在敷设时或在电缆盘上护套即开裂的情况,几年来已经发生过多次,由于在聚烯烃中添加了大量的无机阻燃料,使材料的机械物理性能急剧下降,相对于HDPE护套,抗拉强度下降了近40%,断裂伸长率下降了近65%,如果在护套加工时温度和模具选配的不够合理,非常容易在合胶缝处出现开裂现象。

笔者曾经做过一次破坏性试验,选用了七家不同生产厂家的同类型低烟无卤阻燃护套材料,采用相同的设备和相同的工艺,做同一种产品,产品在护套前采用0.3mm厚的铝塑复合带纵包,各做了100mm,缆芯充入了150kPa的氮气。使用相同的盘具收线(为了提高应力,采用了较小的收线盘径,线盘的筒体直径为缆径的10倍左右),放在阳光下暴晒,时值盛夏6月底,天公作美,没有出现阴雨天气,环境温度变化为25℃~35℃,实际电缆表面的温度要高于35℃,甚至达到50℃~60℃,经过7个昼夜的暴晒,电缆内的气压均变为0,经检查,电缆表面均出现不同程度的开裂,多数为纵向开裂,开裂处多在铝带的搭接缝处,个别在合胶缝处,同样情况的PE护套则不会出现此类现象。

由此可见,为了提高材料的阻燃性能而添加了大量的无机阻燃剂,导致护套的机械性能降低,希望材料厂商在满足材料阻燃要求的同时,提高材料的耐热应力开裂性能和抗撕性能,以避免护套在应用时开裂现象的发生。此外,无卤阻燃材料在进行护套加工时的工艺也会影响到开裂性能,如塑化不良,导致合胶缝处粘结不好,使护套在合胶缝处的抗撕强度低导致开裂;温度控制不良使护套内产生气孔导致强度和伸率下降导致开裂等。模具的选配不当也会导致材料的塑化不良或者使护套内产生应力,在模具设计时要考虑模具的拉伸及模芯与模套的锥度要合适。冷却时第一段水槽采用50℃左右的水温为宜,可以在一定程度上减小和释放护套在挤塑过程中的内应力,减少开裂现象的发生。在产品和工艺结构设计上也要尽量使护套前的半成品表面光滑圆整,如纵包金属带,可以考虑在金属带处反方向以一定的节距绕扎一定强度的扎纱,控制金属带的回弹,见效无卤护套内部的应力集中,也可以避免开裂的发生。此外,成品线缆的贮存也应避免阳光的长时间暴晒。

四、关于热变形指标的讨论

国内外相关标准中,针对热变形指标的规定有所不同,下表是几个涉及到通信线缆及材料的几个标准对热变形指标的规定。

标准名称 IEC60092-359 EN50290-2-27 GB/T 19666 YD/T 1113 YD/T 1119

YD/T 1120

YD/T 886

试验温度(℃) 80±2 80±2 80±2 90 100

试验时间(h) 4(D≤12.5)

6(D>12.5) 4 4(D≤12.5)

6(D>12.5) 1 -