无卤电缆护套化合物阻燃成分的选择
2024-06-21

传统上用于无卤阻燃电缆护套的化合物配方以化学沉淀氢氧化铝 (ATH) 为基础。其具有出色的物理和机械综合性能、良好的加工及阻燃性能。

但时至今日,由于成本以及用于特定任务的材料专业化程度大大提高,这种经典配方已日益罕见。

表面上看,如图 1 所示,有许多不同的电缆设计,每种设计(在最简单的情况下)都符合统一的消防安全标准。

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图1. 某些电缆设计类型:1) 光纤电缆; 2) 低压电缆; 3) 动力铠装电缆。

上述每种电缆设计都由不同几何尺寸的不同层数组成,但同时必须经受相同的测试。那么,如何才能做到这一点呢?

电缆所有的层并不务必使用同样的 “中等 ”阻燃材料。各层的阻燃性能可以而且应该加以区分。 譬如,如今,细线芯的绝缘层通常由未填充的交联聚乙烯制成,其能以超过 500 米/分钟的速度放置在线芯上,但完全没有防火性能。

这样的绝缘层必须由 “强大 ”的隔离层即高填充层来保护。

使用上述方法,每一阻燃层的“效率 ”都需要基于沉淀氢氧化铝的原标准改为更大的或更小的范围。

一方面,如果需要“降低” 阻燃性,那解决这个问题并不难。只要用粉碎碳酸钙来代替所需的氢氧化铝即可。优质碳酸钙的粒度分布窄、白度高,这确保化合物在混合以及护套挤出阶段具有良好的加工性能。

另一方面,“改善 ”阻燃性的情况就没有那么明朗。初始配方已经含有 60-65% 的填料,因此再添加阻燃剂已不可能,因为物理和机械性能以及加工性能都会大大下降。所以,唯一的办法要么寻找协同添加剂,要么使用更有效的阻燃剂替代氢氧化铝。

迄今为止,行业已针对这个问题采用过以下解决方法:

  1. 搭配使用沉淀氢氧化铝与天然氢氧化镁(水镁石);
  2. 使用天然氢氧化镁(水镁石)完全代替沉淀氢氧化铝;
  3. 搭配使用沉淀氢氧化铝与纳米粘土和其他具有板状结构的填料,具有高面积与板厚度的比率;
  4. 搭配使用两种氢氧化物与有机磷阻燃剂。

在这四种方案中,国内电缆行业中第一种方案是最常见的,因为其最简单。让我们来详细了解一下。

 

ATH与水镁石搭配使用

ATH的最大的缺点是其在加工过程中会 “变软”,此外,热分解后会形成非常脆弱多孔的烧焦物。加工厂成功解决了第一个缺点 — 使用可精确控制熔体温度的现代设备。第二个缺点通过添加水镁石来解决。

水镁石的热分解化学机制与ATH完全相同,但其自身有很硬的燃烧残渣,能稳定 ATH 烧焦物,消除滴落现象,大大减少因燃烧而受损的面积(表 1)。此外,使用这种组合还会产生阶跃效应 — 阻燃系统有效工作温度范围扩大(180-400°C)。

我们可以得出结论,ATH 和水镁石可视为彼此的增效剂。

基于 62% ATH电缆护套配方的化合物 基于 50% ATH + 12% EcoPiren® 3.5C电缆护套配方的化合物
table
热量释放 (THR),千焦 5.3 1.3
烟雾排放量(总悬浮颗粒(TSP)),
平方米
24.3 5.7

T表1. ATH和 EcoPiren® 的协同效应

需要指出的是,上述例子,这两种材料的氧指数相同,都是 38%也就是说,氧指数不足以评估无卤化合物的真正阻燃性能。

水镁石是一种天然材料,一方面价格比 ATH 便宜,另一方面    ── 其加工性能略低。

因此,水镁石与ATH 比例取决于化合物的技术及物理机械性能范围与其经济成分之间的平衡。

为了达到增效作用,只需添加 10-15% 水镁石即可,其对化合物的综合性能和加工性能影响较小(表 2)

参数 62% ATH 50% ATH + 12% EcoPiren® 3.5C 31% ATH + 31% EcoPiren® 3.5C
密度,g/cm3 1.49 1.49 1.49
150°C 总悬浮颗粒(TSP),21.6 千克力,克/10 分钟 10 7 5
拉伸强度,MPa 12.3 12.0 14.0
断裂伸长率,% 200 180 150
氧指数,% О2 38 38 36

表2. ATH和 EcoPiren® 的组合性能

ATH 和水镁石的协同作用不仅大大提高阻燃性能,也通过中性填料减少氢氧化物的总量 (对阻燃性能没有重大影响)可替代传统的 “中等 ”阻燃性配方,用于其他结构或要求较低的产品。

因此,在无卤电缆护套化合物中,АТН和水镁石的组合使用是实行几乎任何阻燃水平的最佳途径

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