建筑物内通信电缆材料的毒性研究

文｜杜邦中国集团有限公司上海分公司 叶俊浩

目前国内建筑物通信电缆主要采用的是网线（LAN Cable），在建筑内连接用户端口和各种通信设备，由于其使用的数量越来越多，以及像神经系统一样遍布建筑内的各个角落，其已经成为建筑物火灾的主要蔓延通道，为此国家相关部门对此问题也日趋重视，并提出使用安全通信电缆的要求，作为安全性的一个指标：毒性是多数用户需要考虑的因素。但目前市场上对通信电缆材料的毒性认识不足，有些受某些厂商的误导后，对材料的毒性产生了错误的认识，希望通过本文帮助大家正确的认识通信电缆的毒性问题，并通过科学的测试方法，对目前市场上的通信电缆的材料做一个毒性等级的归类。

首先，需要解释的是由于通信电缆的特殊性，对其有电气性能指标的要求，而且电缆的电气性能指标主要依赖于绝缘层材料的特性，所以可供选择作为绝缘层的材料十分有限。目前为止，可以用作绝缘层的材料只有两种：一种是聚乙烯（PE），一种是聚四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物（FEP），是氟塑料的一种。这两种材料都因为其分子结构的对称性，可以作为通信电缆的绝缘层材料，同时为了确保其良好的电气传输性能，在绝缘层材料内都无法添加任何辅助添加剂，例如阻燃剂等。相比较而言，通信电缆的外护套材料可选择的范围稍广，除了前面提到两种材料以外，聚氯乙烯（PVC）也可以作为电缆的外护套材料。但是由于PE材料其可燃烧性很强，需要在电缆的外护套里添加一定比例的阻燃剂来提高它的阻燃特性，而PVC由于在燃烧时会产生黑烟，在一些高安全性能的电缆外护套里需要添加一定比例的阻烟剂来提高它的烟密度指标。表1是目前市场上常见通信电缆的组成归类。

表1

关于对通信电缆的材料毒性的认识，我们认为可以从三个方面来考量：材料本身燃烧或分解的产物，材料在燃烧时的耗氧量以及触发材料毒性产生的时间。

1 材料本身燃烧或分解的产物

这个是目前大家比较能直观理解的材料毒性的一个方面，对可燃材料而言，例如PE、PVC其在燃烧时会产生大量的各类新的物质，包括燃烧产物和分解产物，对有机物而言，这类物质大多数是有毒的；对一些不可燃的材料而言，其不会产生燃烧残留物，但当温度达到足够高使材料分解时，仍会有分解产物产生，某些分解产物也是有毒性的。

我们先来看可燃材料的毒性分析。对PE或PVC来说，其主要的组成分子结构是碳氢键，所以其主要的燃烧产物是CO和CO2，而在火灾中，有很大一部分时间段材料处于缺氧的燃烧环境，其CO的产生量很多。无论是CO或CO2，在火灾中吸入后都会对人体造成致命的影响。对PVC线和低烟无卤线（其主要成分是PE）来说，在燃烧中多多少少会产生有机物的颗粒，形成有色烟雾，这些高温的小颗粒被人体吸入，粘附在呼吸道内，会对人体造成致命伤害。关于材料的烟雾特性，因为其是火灾中人员伤亡的一个主要因素，在电缆安全性能等级划分里有专门的指标（最大烟密度和平均烟密度）来规定材料的烟雾特性，但就毒性来说，这也是电缆材料毒性的一个表现方面。

PE和PVC在燃烧的同时还伴随着分解产物的产生，包括甲醛、乙醛、丙烯醛、乙酸、苯、甲苯等，这些物质都是毒性很强的物质，一旦吸入会对人体造成致命影响。例如丙烯醛，职业安全的允许可维持量为0.1ppm，当丙烯醛浓度达到4ppm时可对人体造成明显刺激性伤害，当浓度达到20ppm时会使人体失去行动能力，当吸入浓度达到4000ppm时会导致人体立即死亡。

我们再来看不可燃材料的毒性分析。对通信电缆来说，主要就是氟塑料的分解产物。氟塑料主要是氟碳键的长链分子结构，由于该结构的稳定具有不燃烧的特性，所以没有燃烧产物，但在500℃时，氟塑料会开始分解，其分解的产物主要是含氟的短链分子，如果温度继续上升，含氟的短链分子会进一步分解，在800℃时会有小分子的氟化氢（HF）产生，HF是一种有毒物质，吸入一定量后会对人体造成致命的影响。

从上所述，目前可作为通信电缆的材料在其燃烧或分解时均产生有毒物质，对人体都会有伤害。所以阻止火灾的发生仍是最好的安全手段去控制有毒物质的产生。那一旦材料已经燃烧或分解，怎样来评判材料的毒性强弱？目前国内外比较认可的毒性测试都是小白鼠实验，通过分解产物对老鼠产生的死亡剂量来评判材料毒性的强弱。例如国家标准GB 20285-2006是目前被电缆行业引用的毒性测试方法。从目前对电缆材料的毒性要求来看分为三个等级，即T0、T1和T2，T0为毒性最小，我们随机从市场上抽样LCC、CMP和低烟无卤电缆做T0测试，都是通过的。但这只代表所抽样品的性能，具体每个厂家的产品都需要严格检测，达到需要的毒性等级后方可使用。

T0的毒性实验结果也澄清了一个误解，市场上大多数人都认为CMP级的电缆（主要是材料是氟塑料）在分解时毒性很强，低烟无卤材料毒性很小，但实验结果表明，氟塑料的毒性没有大家想象中那么强，低烟无卤材料也不是大家想象中的那么无毒，结论是：在材料本身的毒性测试中这两类材料的毒性处于同一水平，都可以达到T0。

2 材料燃烧时的耗氧量

氧气是维持人体生存的重要物质，一旦人处于缺氧状态，会使人迅速丧失行动能力，并导致人体的死亡，所以在燃烧过程中对氧气的消耗量也是我们考量材料毒性的一个方面。

由于不可燃材料，例如氟塑料，其在正常的空气环境中不会燃烧，不会消耗氧气，所以在这点上，其是有优势的（氟塑料的耐氧指数是95，也就是要在95%的氧环境下才会燃烧，这在正常的空气环境下是无法达到的）。对可燃的PE和PVC来说，在其燃烧过程中都要消耗大量的氧气，并产生大量的热量使周围温度急剧升高。从这个指标来说，氟塑料在耗氧这点上要优于PE和PVC。

3 材料产生毒性的时间点

在考虑材料毒性时，我们还要看其产生毒性的时间，越晚产生有毒物质，越有利于火场里人员的逃生。

如图1所示，对建筑物火灾的过程可以分为四个阶段：隐火、明火扩散、充分燃烧、熄灭。在每个阶段向下一阶段发展的中间都有明显的温度变化，在第三阶段时到达的温度最高，所以说火场里的温度是一级一级升高的，一旦温度达到材料产生有毒物质时，毒烟的发散就不可避免，所以最好的防止毒气产生的方法是切断其燃烧，阻止其达到材料产生毒烟的温度，在这点上，阻燃材料和非阻燃材料对温度上升的控制是完全不一样的。

图1

对可燃材料PE和PVC来说，其燃烧的温度大概在100℃～150℃，处于火灾分类的第二阶段上升期，由于其可燃烧的特性，其燃烧过程助长了火势向第三阶段发展，同时伴随着大量的CO和CO2等有毒气体产生（虽然这些气体可能是无色无味的，但确实有毒的，所以低烟不等于低毒），同时消耗了大量的氧气，这些都是致命的因素。在第二阶段的后半期，随着温度达到了PE和PVC的分解温度，未被完全燃烧的材料发生了分解，产生了丙烯醛等刺激性气体，加剧了火场的毒性环境。

相比较而言，氟塑料等难燃材料不会参与燃烧过程，所以不会对火场提供燃料来源，阻止了火势朝高温方向的发展，切断了有毒烟气产生的温度链。对其本身的分解来说，一方面其自身的阻燃效应使温度很难达到其较高的分解温度，另一方面即使达到了分解温度，也已是火势处于第三阶段，其发生时间要比其他材料晚得多，为火场人员的逃生赢得了宝贵的时间。

所以在毒性产生时间这个指标上氟塑料明显优于低烟无卤和PVC材料。

综上所述，和市场上对氟塑料电缆错误的认识恰恰相反，低烟无卤电缆和PVC电缆相比，氟塑料在衡量毒性的三个指标内有两个优于其他材料（材料本身燃烧或分解的产物CMP与LSOH相当，但也优于PVC），所以其总体毒性的性能要好于低烟无卤以及PVC。在加上氟塑料在阻燃特性（热能释放、烟雾释放、蔓延距离、滴漏特性）方面对比低烟无卤等其他材料有无可比拟的优势，其总体安全性能是优于其他类电缆。

在美国的电缆安全性能划分里氟塑料电缆所能达到的级别是CMP级，PE类及PVC类电缆能达到最高的级别是CMR，低于CMP一个级别。

在欧盟的电缆安全性能划分里氟塑料电缆所能达到的级别是B1级，高于PE类和PVC类电缆能达到的最高级别B2级。

在即将颁布的中国电缆及光缆的安全性能划分里，氟塑料所能达到的阻燃级别是II级，高于低烟无卤和PVC类电缆所能达到的最高级别III级，在毒性级别上，氟塑料和低烟无卤类电缆一样能达到对电缆毒性的最高要求T0级（T0代表电缆毒性在一定的范围内，并不代表无毒）。