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线缆阻燃材料和阻燃技术的发展

随着经济建设速度的不断加快,各种大型工业设施、高层商业建筑、地下建筑和居民住宅数量的逐渐增多,线缆的使用总量越来越大,且敷设的密集度也越来越高。由于线缆老化而导致短路、自燃等原因引起的电气火灾事故日趋频繁,造成的损失日益严重。这使人们认识到,除了要增强防火安全意识外,还应制定严格的相关标准,大力推广应用各种线缆用阻燃材料,制造出各种类型的防火阻燃电缆。

线缆结构的设计和材料的选用对于线缆的防火性能都有较大的影响,如金属铠装层可以有效地防止线缆着火;低烟聚氯乙烯(PVC)、无卤低烟(LSZH)材料、高温材料可以控制火焰的蔓延及有毒烟雾的产生。而尤以线缆阻燃材料的合理选择是提高线缆安全性能和减少火灾隐患的关键措施之一。

二: 线缆材料的阻燃机理

线缆阻燃材料是在以基体聚合物(或称树脂)为主体,加入增塑剂、热稳定剂、润滑剂、抗氧化剂、抗紫外线剂等的体系中增加了阻燃成分,从而起到阻止材料被引燃和抑制火焰传播的作用。

(一):线缆材料的燃烧行为及阻燃方式

线缆材料的燃烧行为

线缆材料的燃烧行为可用以下几个性能参数来描述:(1)点燃材料的难易程度。可用临界氧指数(cOI)或极限氧指数(LOI)来定义,该值越高,说明该材料的着火以及火焰蔓延越困难。通常,COI≥30%阻燃;LOI≤23%可燃;LOI在24%~28%之间稍阻燃;LOI在29%~35%之间阻燃;LOI≥36%高阻燃。(2)火在材料表面蔓延的速度。(3)耐燃性,即火烧穿材料的速度。(4)释热速率(HRR)。(5)火熄灭的难易程度。(6)生烟性,包括发烟量、烟发生的速度和烟的成分。(7)产生的毒性气体的成分、数量和生成的速度。

线缆材料的阻燃方式

线缆材料的阻燃可以通过用化学或物理的方法,改变聚合物的组成结构,以达到阻燃效果,如:在聚合物分子中加入起着阻燃作用的元素,如溴、氯、磷、锑、硼等;用化学交联或辐照交联,使线性聚合物大分子变成具有三度空间网状、体型结构的物质,提高其热稳定性和成炭性。也可以通过添加阻燃剂到基体聚合物中,燃烧时,阻燃成分以不同的方式与机制在聚合物燃烧的不同区域进行阻燃。阻燃剂进行阻燃的方式有如下几种:

(1)气相阻燃,即在气相中抑制聚合物燃烧反应中起链增长作用的自由基,从而达到阻燃效果。阻燃剂在气相燃烧区捕捉燃烧反应中的自由基,从而阻止火焰的传播,使燃烧区的火焰密度下降,最终使燃烧反应速度下降直至终止。

(2)凝聚相阻燃,即在固相中阻止聚合物的热分解和阻止聚合物释放出可燃气体,从而达到阻燃效果。阻燃剂在高温下形成熔融玻璃状物质或泡沫炭层覆盖在聚合物表面,隔绝热量和氧气,阻止可燃气体向外逸出,从而达到阻燃目的。

(3)中断热交换,即将聚合物产生的热量带走而不反馈到聚合物上使聚合物不断分解,从而达到阻燃效果。阻燃剂在高温下发生强烈的吸热反应,吸收燃烧放出的部分热量,降低可燃物表面的温度,有效地抑制可燃性气体的生成,阻止燃烧的蔓延。阻燃剂受热释放出不燃气体,将可燃物分解出来的可燃气体稀释,使可燃气体的浓度降低到燃烧极限以下;同时该不燃气体也降低了燃烧区内的氧气浓度,抑制了燃烧继续进行,以达到阻燃的作用。

(4)成炭作用,即在聚合物热降解时生成炭,可减少挥发物的产生,且粘性的炭层覆盖在聚合物表面,使聚合物同火焰隔绝,使进一步热降解变得困难,最终起到阻燃作用。此外,炭层还能阻止其内部的热分解产生物进入气相参与燃烧过程。通常成炭量增加1/3,则生烟量减少1/2,欲使材料的阻燃级别达到UL94,V-0,成炭量至少应达到30%。

(5)协同效应,即各组分的共同效果大于各组分的单独作用之和。协同效应最典型的是锑.卤协同效应,氧化锑(常用形态Sb:O。)与含氯或含溴阻燃剂并用。在气相,氧化锑与卤素生成三卤化锑,而三卤化锑是火焰的抑制剂,它捕捉火焰中的H·、HO·等自由基,三卤化锑蒸汽可较长时间停留在燃烧区,稀释可燃性气体,并覆盖在聚合物表面而隔热,降低聚合物分解温度、分解速度,生成的炭层可将聚合物封闭,阻止可燃性气体逸出。

还有一些卤化锑在凝聚相作为成炭的催化剂和在凝聚相表面充当自由基的捕捉剂。还有其它协同效应,诸如:氧化锑。非卤协同效应、磷。卤协同效应、氮一卤协同效应、磷。磷协同效应等。

三:线缆材料阻燃剂的选用原则和种类

阻燃剂是阻止材料被引燃并抑制火焰进一步蔓延的添加剂。阻燃剂可分成反应型和添加型两种。其中反应型阻燃剂是在聚合物合成过程中就引入阻燃元素;添加型阻燃剂是在对树脂进行成型加工时加人,通常为一个复合的阻燃体系。

(一)线缆材料阻燃剂的选用原则

(1)阻燃剂、阻燃填料和阻燃协效剂等必须与基体聚合物有较好的相容性。

(2)阻燃剂与基体聚合物在热分解上越匹配, 阻燃剂的效率就越高,即用较少的阻燃剂可达到同 样的阻燃效果。

根据大量理论与实践证明,只有阻燃剂的热分解曲线全部低于基体聚合物的热分解曲线,使阻燃剂热分解产生的气体、碎片物等持续包围在基体聚合物周围,阻燃剂的作用才能有效发挥(如图2所示);并且阻燃剂的热分解曲线比基体聚合物的热分解曲线低约60~75℃时阻燃效果最好;还要注意阻燃剂热分解温度与基体聚合物加工温度的差距和匹配。


 

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