影響電線電纜低煙性能的因素分析

宋溢民

摘要：電線電纜的生產原料通常采用聚氯乙烯，然而其可燃性常導致電氣火災發生。文中通過分析低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜材料的特性、生產工藝的控制要點以及低煙性能試驗，得出通過適當減小電線電纜的外徑既可以節約生產成本，又可以提高低煙性能，減少電線電纜燃燒時產生的煙霧，從而減小火災時引起的危害。

關鍵詞：電線電纜;聚烯烴;低煙性能

An Analysis of Factors Affecting Low-smoke Performance of Wire and Cable

SONG Yi-Min

（Fujian Inspection and Research Institute Product Quality，Fuzhou 350015，Fujian，China）

Abstract： The raw material for the production of wires and cables is usually polyvinyl chloride， but its flammability often leads to electrical fires. This article analyzes the characteristics of low-smoke halogen-free flame-retardant polyolefin cable materials， the control points of the production process， and the low-smoke performance test， and concludes that by appropriately reducing the outer diameter of the wire and cable can not only save production costs， but also improve low-smoke performance， reducing the smoke produced when the wire and cable burn， thereby reducing the hazards caused by the fire.

Key Words： Wire and cable;Polyolefin;Low smoke performance

1 研究低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜的

意義

目前，電線電纜的生產原料通常采用聚氯乙烯，雖然常規的聚氯乙烯電纜擁有較好的電氣、機械和加工性能，但是聚氯乙烯電纜料的可燃性導致了很多電氣火災的發生，造成的財產損失位居近十年來各類火災原因之首。按照2021年我國應急管理部消防救援局的統計，在2020年各類原因引發的火災中，由電氣原因引發的較大火災占總數的55.4%。從電氣火災的分類看，其中由電線電纜引發的問題占68.9%。由此可以看出，電線電纜著火是電氣火災最主要的原因，當火災發生的時候，電線電纜會因燃燒而產生大量的有機濃煙，濃煙使被困人員的視野受阻，難以逃離火災現場。同時還會釋放出大量有毒氣體使被困人員吸入后中毒窒息死亡。這種潛藏的“二次危害”比直接燃燒更具危險性[1]。因此，該如何降低電線電纜引發火災的可能性及其引發火災后的危害性，做到電線電纜低煙、阻燃的安全環保效果，已成為電線電纜行業發展的重要目標之一。

在經歷2017年西安地鐵三號線“陜西奧凱電纜事件”的發酵后，各行各業對電線電纜的安全意識達到前所未有的水平，同時作為影響電線電纜安全性的重要組成部分——低煙無鹵阻燃聚烯烴材料成為人們的關注點：不僅電線電纜材料要符合行業的標準要求，在其成纜之后還要保證成品電纜的各項指標符合標準要求。這就要求在低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜材料的設計過程中不但要考慮電纜材料自身的機械特性，而且要對在電纜材料生產制造流程中的各項影響因素、電纜實際燃燒中的各項性能要求都應加以考慮。文中結合筆者在工作中的一些實踐經驗，通過對低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜材料的特性、擠出工藝的控制要點以及低煙性能的試驗測試等進行研究。

2 低煙無鹵阻燃聚烯烴材料的特性

在研究阻燃電線電纜初期，雖然通過添加鹵素類阻燃劑起到了不錯的阻燃效果，但是由于此類電纜在燃燒時會產生大量的煙霧以及危害性氣體，因此在很多場合被限制使用。然而，采用低煙無鹵阻燃聚烯烴材料的電線電纜在燃燒狀態下不但呈現出良好的阻燃性能還呈現出低煙性和低危害性。其中低煙性能是依據電線電纜燃燒時所檢測的最小透光率來判定，與電線電纜所用的材料以及生產制造工藝密切相關。目前，國內外研究和應用較多的新型低煙無鹵阻燃電纜料通常會添加一些水合金屬氧化物。水合金屬氧化物在電線電纜燃燒時會吸熱脫水，從而分解出結晶水，通過脫水過程吸收大量熱量，以此來降低電纜料的溫度限制其燃燒;另外，其分解過程中生成的結晶水受熱蒸發形成水蒸氣既稀釋了有害氣體，又起到了阻燃作用。此外通過添加磷系阻燃劑也可以起到較好的效果，它不但可以通過隔絕空氣來抑制燃燒后的殘余物從而起到良好的阻燃效果，而且其具有良好的增塑功能可以使電纜料成型時的流動性、加工性變得更好[2]。

盡管低煙無鹵阻燃電線電纜已經被研發并生產制造多年，但是目前依舊只采用在一些比較特殊的場所，無法得到廣泛使用。其主要原因是這種電纜材料加工制造難度大而且價格昂貴，僅原材料的價格就是普通聚氯乙烯電纜的數倍。因此在保障電線電纜各項性能符合標準的前提下，如何改良生產工藝、降低原材料成本，使更多的場所可以推廣使用此類電線電纜具有重大的意義。

3 低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜的生產工藝

相較于常見的聚氯乙烯電線電纜原料，低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料中由于添加了無鹵阻燃劑，導致其熱敏性增強，在電纜生產擠出時對溫度的控制要求更加嚴苛;其流動性減弱，容易滯留在螺桿上，長時間受熱易分解產生不良物質，致使最終電纜內部生成小氣泡，電纜表面出現焦燒顆粒。因此，對生產設備的參數以及生產工藝的把控要求更加嚴格[3]。

電線電纜的生產工藝控制主要包括溫度和螺桿的設置。不同的低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料擠出的最佳溫度范圍不同，且該范圍很小。實際生產中可先試生產一小段，進行溫度調節，如果生成氣孔應降低溫度，如果表面粗糙應增高溫度。為了更好地控制生產擠塑時各階段的溫度，電纜擠出過程中應設有冷卻裝置。可采用分段冷卻，即通過先熱水冷卻，再自然冷卻，最后冷水冷卻的方式，來釋放擠出過程中螺桿和材料之間產生的內應力，避免開裂等缺陷的產生。此外，螺桿的轉速也是一個關鍵的影響因素。一般來說，低煙無鹵阻燃電線電纜擠出時的螺桿速度相較于普通聚氯乙烯電纜料擠出時的螺桿速度要慢很多，這是因為螺桿速度越快，內部應力越強溫度升高越明顯，易產生氣孔缺陷，同時材料的黏度也會增大，增加擠塑設備的負荷，易使設備發生故障減少使用壽命。因此，生產擠出時應對螺桿速度進行嚴格控制，不能太快并且要保持電纜料勻速、平穩地擠出。

4 電纜低煙性能試驗

去年我國發布了最新的電線電纜燃燒性能執行標準，GB/T 19666-2019《阻燃和耐火電線電纜或光纜通則》，該標準中對低煙性能的要求如表1所示。

本次試驗選用一捆WDZB-BYJ 450/750V 1×2.5（外徑3.7mm）的低煙無鹵阻燃交聯聚烯烴電線。根據表格公式可知根數N=（45/3/3.7）×7取整得28根。在該捆電纜上截取84根，每根長約1米。分別在每根電纜段中間相互垂直的位置上進行測量，取兩個測量值的平均值作為該電纜段的外徑值。（修約至小數點后兩位）如表2所示。

將表2中所得到的84個平均外徑值，從小到大依次排列，取排列后的第1～28根作為第一組（總平均外徑值3.66mm），第29～56根作為第二組（總平均外徑值3.71mm），第57～84組作為第三組（總平均外徑值3.76mm）。

另外選取一捆BYJ 450/750V 1×2.5（外徑3.70mm）的普通交聯聚烯烴電線作為本次試驗的對照組，同樣截取28段作為第四組進行試驗。

將每組樣品制成4個電纜束。每一束由7根電纜絞合在一起構成，絞合節距約為25倍外徑值，然后用線徑約為0.5mm的金屬線從中心部位開始每隔100mm繞兩圈扎緊[4]，如圖1所示。

將樣品在環境溫度為25℃的條件下放置24小時后，配置標準火源（乙醇：90%;甲醇：4%;水：6%），使用福建省產品質量檢驗研究院設備電纜燃燒煙密度光測系統按照標準規定的試驗程序和要求進行試驗。結果如圖2、表3所示。

從表3的前三組試驗結果數據可以看出，低煙無鹵阻燃聚烯烴電線電纜燃燒煙密度試驗的透光率最小值隨著樣品外徑的增大而減小。即適當地減小電線電纜的外徑值可減少電線電纜在燃燒時的發煙量，提高低煙性能。另外，第四組實驗中因試驗樣品并非是使用低煙無鹵阻燃材料的電線電纜，實驗結果的透光率最小值僅有14.01%，遠遠低于低煙無鹵阻燃聚烯烴電線電纜。

5 結語

從上個世紀八十年代起，全球各個國家都陸續開始進行低煙無鹵阻燃聚烯烴材料和電線電纜的研發與生產制造。然而在近年來發生的重大火災中，電線電纜的燃燒依舊引起了巨大危害。生產企業應加強安全責任意識，在生產低煙無鹵阻燃電線電纜時應嚴格把關電纜材料的采購渠道，嚴格控制生產擠出工藝。通過文中可以得出，在保證電線電纜結構尺寸符合國家標準的前提下，適當地減小電線電纜的外徑既可以節約生產成本，又可以提高低煙性能，在一定程度上減少電線電纜燃燒時產生的煙霧，進而減小火災時引起的危害。

參考文獻

[1]葉文，陳濤，胡爽，等.無鹵膨脹型阻燃電纜料的研究進展[J].塑料助劑.2015（11）： 11-17.

[2]劉玲.LLDPE/LDPE/（E/VAC）/Mg（OH）2無鹵阻燃電纜料的研制[J].工程塑料應用，2002，30（4）：15-18.

[3]陳鳳霞.低煙無鹵阻燃電纜的工藝特點[J].智能建筑與城市信息，2010（4）：43-45.

[4]電纜或光纜在特定條件下燃燒的煙密度測定第2部分：試驗程序和要求：GB/T 17651.2-2021[S].