电缆用半导电阻燃带的研究

杨宏艳

(沈阳天荣电缆材料有限公司，辽宁 沈阳110027)

0 引言

在中、高压电力电缆生产过程中，受制造工艺的限制，在导体的外表面不可避免地存在尖端或突起。这些尖端或突起的电场非常高，高的电场必然导致尖端或突起向绝缘中注入空间电荷。注入的空间电荷将引起绝缘的电树枝化或水树枝化［1-4］。为了缓和电缆内部的电场集中，改善绝缘层内、外表面电场应力分布，提高电缆的电气强度，要求在导电线芯与绝缘层、绝缘层与金属层之间分别加有一层半导电屏蔽层，称为导体屏蔽层和绝缘屏蔽层。

在外护套内，绝缘线芯的绝缘层吸收了由护套外传来的热量，使绝缘层温度升高，促使聚合物降解(分解)成低分子挥发物。当温度继续升高达到分解物的着火温度，再有空气存在的情况下引发燃烧，继而产生热量使该燃烧部位温度进一步升高，直到电缆全部烧光。为可靠起见，一般在成缆后的缆芯外包扎2～3层阻燃带作为阻燃层［5］。

目前在电缆结构中通常使用半导电带、阻燃带来达到上述目的。虽然具有屏蔽和阻燃性能，但往往是两种材料多次绕包的结构，两种材料的性能互相影响，降低了屏蔽和阻燃功能，且生产成本高，不宜推广和普及。

本文以玻璃纤维布为骨架材料，配合半导电阻燃胶，研制出电缆用半导电阻燃带，以提高电缆的电气、消防安全性能并降低生产成本。

1 实验部分

1.1 实验的原料及仪器设备

丙烯酸酯乳液、导电炭黑、聚磷酸胺、季戊四醇、三聚氰胺，以上试剂均为市售。

电子拉伸试验机，数显氧指数仪和万用表。

1.2 半导电阻燃胶的制备

按配方比例将组分充分混合均匀，研磨分散，用去离子水调至合适粘度，搅匀，即得半导电阻燃胶。

1.3 试样制作及测试

在骨架材料玻璃纤维布上涂覆半导电阻燃胶，涂层经固化而得产品。

拉伸试验机测定试样的拉伸强度和断裂伸长率。数显氧指数仪测定试样的氧指数。万用表测定试样的表面电阻和体积电阻率。

2 结果与讨论

2.1 基料的选择

本实验选择丙烯酸乳液，因其乳液无毒无味，且涂膜性能稳定、耐老化和耐水性较好。

2.2 填料的选择

本实验选择乙炔炭黑，提高电气性能。

2.3 阻燃剂的选择

目前多采用在高分子聚合物中加入阻燃剂的方法进行阻燃。这种阻燃剂可分为添加型和反应型。采用反应型阻燃剂，其阻燃效果持久，但价格高、应用灵活性小、品种少，故生产时应用最普遍的是添加型阻燃剂。

(1)卤系阻燃剂。卤系阻燃剂在热解过程中，能分解出捕获传递燃烧的自由基和HX。HX能稀释燃烧时产生的可燃气体，隔断可燃气体与空气中氧气的接触，达到阻燃的效果。卤系阻燃剂中，氟化物价格高，效果差，很少用;碘化物效果好，不稳定，价格也高，也很少用。在卤系阻燃剂中，以溴系列阻燃剂应用最广，其生产工艺简单，容易加工，而且相容性好。但其燃烧产物具有很长的大气寿命，一旦进入大气就很难除去，严重地污染了大气环境，更为甚者，它能造成臭氧层的破坏。因此，虽然卤系阻燃剂阻燃效果良好且应用很广，但它仍将被淘汰，取而代之的是更为清洁、环保的绿色产品［6］。

(2)磷系阻燃剂。磷系阻燃剂的特点是阻燃效果好，但对高聚物机械性能影响较大。无机磷阻燃剂，常用的有红磷、微胶囊红磷、聚磷酸盐、聚磷酸铵等。有机磷阻燃剂包括磷酸酯、膦酸及膦酸酯、膦氧化合物、环状磷酸酯、含磷二元醇及多元醇［7］。红磷易吸湿水解，放出有毒的磷化氢，工业产品需要做稳定化处理和包覆。磷系阻燃剂也有发烟量大、毒性大、易水解、热稳定性差等缺点，限制了其在材料上的应用。

(3)其他无机阻燃剂。无机阻燃剂大多是吸热失水，有水蒸汽冷却和稀释可燃气体的作用，可抑制燃烧的进行。

铝化合物，主要是氢氧化铝。它价格低，具有阻燃、消烟和填充三种功能。氢氧化铝失水温度低，不适用于高聚物产品;氢氧化镁的失水温度高，同时又具有上述三种功能，适用于高聚物的产品，但其添加量较大，影响了聚合物的性能。

硼化合物，主要有硼酸锌、硼酸胺、硼酸、硼纱、偏硼酸钡等。硼化合物也是吸热失水，同时还具有同磷化和物类似的“膜效应”生成一种固熔体覆盖在高聚物表面，产生阻燃效果，但一般充当协效阻燃剂［8］。

(4)本实验选用膨胀型阻燃剂。膨胀型阻燃剂一般是以 P、N、C元素为核心成分的复合阻燃剂。通常由碳源(成炭剂)、酸源(脱水剂)和气源(膨胀剂)等三部分组成。燃烧时，各组分间发生化学反应生成多孔膨胀炭层，该炭层能起到隔热、隔氧、抑烟和防熔滴作用，从而达到阻燃目的［9］。膨胀型阻燃剂的组成见表1。

表1 膨胀型阻燃剂的组成

本实验采用季戊四醇作为成炭剂、聚磷酸铵为脱水剂、三聚氰胺为膨胀剂。

2.4 骨架材料的选择

作为成缆包扎用带，必须有一定的强度、柔软及非吸湿性。采用中碱玻璃纤维布是较理想的材料。出于阻燃目的，选用中碱玻璃纤维布，它在以室温到软化温度(550～850℃)范围内不会燃烧，是作阻燃骨架材料的有利条件。

2.5 半导电阻燃胶的配方和其制作的半导电阻燃带的性能

经选择确定半导电阻燃胶的配方为丙烯酸乳液100份，聚磷酸铵20份，季戊四醇16份，三聚氰胺20份，炭黑12份，分散剂2份，去离子水适量(以上均为质量份)。

此配方所制得的半导电阻燃胶涂覆于中碱玻璃纤维布上，所得制品性能见表2。

表2 电缆用半导电阻燃带性能

3 结束语

本实验制备的电缆用半导电阻燃带电气性能优良、阻燃效果好且经济实用。

［1］Hagen S T，Ildstad E.Reduction of AC-breakdown strength due to particle inclusions in XLPE cable insulation［C］∥Third International Conference on Power Cables and Accessories 10 kV to 500 kV.1993.165-168.

［2］Hozumi N，Suzuki H，Okamoto T，Watanabe A.Direct observation of time-dependent space charge profiles in XLPE cable under high electric fields［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and E-lectrical Insulation，1994，1(6):1068-1076.

［3］Mammeri M，Laurent C，Salon J.Influence of space charge buildup on the transition to electrical treeing in PE under ac voltage［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1995，2(1):27-35.

［4］Suzuoki Y，Saito T，Moritz M，Komori F，Wu K，Kato T，Uchida K.Inception amd propagation of electrical tree from water tree degradation［polyethylene cable insulation］［C］//2004 Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena.2004.302-305.

［5］旷天申，孙玉良，杨 刚.阻燃电缆的结构材料无卤低烟阻燃带研制［J］.电线电缆，1999(2):36-38.

［6］欧育湘.多溴二苯醚阻燃体系热裂及燃烧产物的研究［J］.阻燃材料与技术，1997(2):7-12.

［7］余宗萍，许江松，杨 军.磷酸酯改性的丙烯酸酯低聚物的合成［J］.涂料工业，2005，35(9):41-43.

［8］童孟良，周芝兰，许沅沅.无机阻燃剂的研究进展［J］.化工文摘，2008(2):45-48.

［9］吴 津，肖卫东，牛克勤.丙烯酸脂聚合物阻燃剂［J］.胶体与聚合物，2001，19(4):41-44.