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[工艺]想知道低烟无卤阻燃电缆的工艺特点吗?

我们先来看一组数据,据统计,2009 年全国共发生火灾12.7 万起(指统计,不含森林、草原、军队、矿井地下部分火灾,下同),死亡1076 人。从引发火灾的直接原因看,因电线短路、过负荷及电气设备故障等电气原因引起的火灾共38770 起,占火灾总数的30.5% ;分析火灾造成人员死亡的主要原因,窒息、中毒导致608 人死亡,合计占火灾死亡总数的56.5%。可见,电线电缆引起的火灾不容忽视,尤其电缆燃烧时产生的大量有毒有害气体,是造成人员死亡、设备受损及由于烟雾严重而使人员不能及时撤离的主要原因。具有良好的阻燃性能、一旦燃烧所产生的气体中无卤酸(有害气体)并且发烟量低的低烟无卤(简称LSZH,下同)阻燃电缆,被越来越多的应用于轨道、电站、化工厂、船舰、高层建筑、信息产业等重点工程和人员、设备密集场所的水平布线上。

1LSZH 电缆材料的特点

在2001 年,公安部已经颁布了相应的阻燃电缆标准《阻燃耐火电缆分级标准:第一部分阻燃电缆》(GA 306.1-2001),表1 是标准中的阻燃电缆分级规定。


标准《通信电源用阻燃耐火电缆》(YD/T1173-2001)要求在采用《取自电缆或光缆的材料燃烧时释出气体的实验方法第2 部分:用测量PH 值和电导率来测定气体的酸度》GB/T 17650.2 要求的测试方法下:pH ≥ 4.3、导电率≤ 10μs/mm、氧指数≥ 30。为满足标准要求的低烟、阻燃、无毒性能,就需要选择的材料具有理想的阻燃特性,并在燃烧时不产生有毒有害气体。因此,LSZH是目前比较理想的选择。

LSZH 电缆料采用金属氢氧化物(氢氧化铝、氢氧化镁)作为阻燃剂,其本身可以起到稀释可燃材料浓度的作用,在温度升高时通过自身吸热脱水或促使材料脱水,吸收燃烧产生的热量,降低燃烧材料表面温度,达到阻止材料继续燃烧的目的。和普通PVC 电缆料相比,LSZH 具有以下优点:

(1)不含卤素,燃烧时无有害气体及腐蚀性气体产生。传统阻燃料多采用全氯型基环葵烷、有机溴化物、氯化聚乙烯等含卤类阻燃剂,而LSZH 电缆料的基料为聚烯烃类,阻燃剂为金属氢氧化物,在所有原材料的成分里不含卤素类产物,这样在燃烧时就不会出现含有卤素类有害的、腐蚀性的气体。

(2)燃烧时发烟量少。火灾时,为确保不熟悉现场人员有逃生机会,可视距离不得低于15m。一般电缆燃烧发烟时的可视距离仅为5~8m,而某些环保型LSZH 电缆该项数据竟达到97m。在GA 306.1 中对阻燃二级电缆的要求是最小透光率≥ 60%,目前LSZH 电缆料满足最小透光率≥ 60%,相关产品在实验室中的数据达到80% 以上。

(3)优良的阻燃性能。评定电缆类产品的阻燃性能,多用氧指数的大小来判定。一般氧指数达到26 以上即判定产品具有阻燃性,标准《通信电源用阻燃耐火电缆》(YD/T1173-2001)要求阻燃电缆的氧指数≥ 30。一些LSZH 电缆料生产厂家的企业标准中氧指数达到≥ 34,远高于标准要求的阻燃电缆氧指数值。

(4)不含铅等重金属,不含环境激素,不污染土壤。

(5)可以重复利用或废弃处理时不对环境产生危害。

2LSZH 电缆加工工艺

由于LSZH 电缆料与传统的PVC 电缆料存在比较大的差异,生产工艺多采用:材料预热(干燥)60℃~ 80℃→挤出机预热→模具→挤出→冷却(分段冷却)的方式。在挤出时应注意以下问题:

(1)挤出温度控制

由于LSZH 阻燃电缆料的阻燃剂多采用水合氧化物(金属氢氧化物),这类阻燃剂在高温下容易分解。因此在生产过程中应严格控制挤出机的温度,以免因生产时的高温而引发阻燃剂提前分解,最终造成阻燃特性的失效。一般情况下LSZH 电缆料的挤出温度平均比PVC 电缆料低10℃ ~20℃。生产时实际挤出温度主要取决于挤出机的压缩比、长径比及螺杆结构等因素,因此生产人员需根据具体的挤出设备设定挤出机的各段温度,并应遵循温度慢慢提高的原则(每次升温幅度不大于5℃),以免由于快速升温而导致料筒温度不均引起的塑化不良。表2 是某品牌LSZH 料用于数据电缆护套时,推荐的挤出机各区段挤出温度。

(2)挤出螺杆选择

电线电缆挤出设备的主要部件是螺杆,它关系到挤出机的应用范围和生产效率,为适应不同塑料加工的需要,螺杆的形式有许多种。由于LSZH 电缆料的配方比较独特,熔融物料的粘度比较大,当挤出螺杆的压缩比较大时,很容易造成聚合物的化学键断裂,使成品的抗张强度和断裂伸长率等机械特性大大下降。同时螺杆压缩比较大,挤出机速度无法达到正常水平,致使物料在机筒和螺杆间滞留时间过长,且挤出过程中熔融物料与机筒内壁将产生较大的摩擦,大量摩擦热将使熔融物料在机筒内处于难以控制的高温状态,从而引发阻燃剂的提前分解,在材料内部产生气泡,最终造成材料的失效。因此选用螺杆的压缩比不宜过大,一般在1:1 ~1:2.5 之间比较适宜。一般电缆生产厂家在加工LSZH 电缆产品时,多采用专用LSZH 螺杆,以最大化的保持电缆料的机械、阻燃特性。

(3)螺杆转速控制

由于LSZH 熔融电缆料的粘度较大(流动性差),熔体从模口(即出料口)包覆到缆芯上比较困难,当螺杆转速较快时,随螺杆输送的大量熔体在模具出料口迂回,使模具受到来自熔体的压力非常大,甚至造成模具被冲出机头的风险。因此在挤出LSZH 电缆料时,宜设定较低的螺杆转速进行生产,一般在同种条件下,LSZH 电缆料的螺杆转速设定为PVC 电缆料的50% 左右为宜。较低的螺杆转速以及熔体包覆困难,LSZH 电缆料的生产速度较普通电缆料要下降很多。目前专用的低烟无卤阻燃挤出设备已经克服了普通挤出机的这些缺点,使生产速度大幅提高。

(4)冷却方式优化

与传统的电缆料相比较,LSZH 护套在挤出时收缩更急剧,导致护套外层已经冷却定型,而内层电缆料还处于高温未定型状态,进而埋下应力集中的隐患,甚至最终导致电缆外护的应力开裂。为减少生产过程中引起应力集中,建议在护套挤出过程中,采用分段冷却的方式对电缆进行冷却。如热水冷却(循环水)→温水冷却→空气冷却→冷水冷却等。在电缆冷却过程中,尤其要注意的一点是:从模口出来后进入水槽的电缆,必须完全浸泡在冷却水中,否则除应力集中问题外,还可能在电缆的表面出现一系列的小圆点,使电缆外护套的表面出现坑坑洼洼,影响电缆外观。

另外,挤出设备需具备良好的冷却装置,以便准确控制工艺温度。这是个不可忽视的问题,如温度过高可能在线缆表面产生大的气孔,温度过低又会使设备的整机电流增大,影响设备寿命。

(5)挤出模具选择

LSZH 电缆料熔融状态下的熔体强度、拉伸比和粘度与其他电缆材料存在着较大的差异,与普通电缆料相比,LSZH 电缆料的拉伸比较小(2.5 ~ 3.2 左右),选择模具时应充分考虑这些性能。具体选择如下:模芯的选择。当LSZH 电缆材料作为绝缘挤出时,宜选用挤压式模芯;而在作为护套料挤出时,则模芯应选用半挤压式,以便获得理想的抗拉强度、伸长率以及表面光洁度。模套的选择。采用挤压式模芯时,因材料粘度较大,致使机头受到很大压力,当熔体离开模芯时会有所膨胀,应选择尺寸相对较小的模套,否则易使电缆表面不紧密,成品挤包松动。但在生产数据电缆的护套时,因数据电缆采用HDPE 作为绝缘料,HDPE与聚烯烃的熔融温度比较接近,为避免因挤包太紧而导致的护套与绝缘芯线粘连,宜选择尺寸稍大的模套搭配,因此这类电缆的护套挤包比较松散、外径相对较大。另外,挤出模具的廊段也不宜太长(通常< 1mm),太长的廊段将增加熔体受到的剪切力,过大的剪切力可能导致熔体化学键的断裂,从而影响成品的机械性能。

低烟无卤电缆制造的品质与各道工艺的掌握是十分相关的,这是由材料的特点决定的,随着电缆制造设备越来越先进,制造工艺将越来越成熟。与传统PVC 的材质相比,由于低烟无卤的材质同时具备阻燃与无毒环保的特点,因此在通信与数据线缆应用中已经十分广泛,产品前景良好。

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