影响电线电缆低烟性能的因素分析

宋溢民

摘要：电线电缆的生产原料通常采用聚氯乙烯，然而其可燃性常导致电气火灾发生。文中通过分析低烟无卤阻燃聚烯烃电缆材料的特性、生产工艺的控制要点以及低烟性能试验，得出通过适当减小电线电缆的外径既可以节约生产成本，又可以提高低烟性能，减少电线电缆燃烧时产生的烟雾，从而减小火灾时引起的危害。

关键词：电线电缆;聚烯烃;低烟性能

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 研究低烟无卤阻燃聚烯烃电缆的

意义

目前，电线电缆的生产原料通常采用聚氯乙烯，虽然常规的聚氯乙烯电缆拥有较好的电气、机械和加工性能，但是聚氯乙烯电缆料的可燃性导致了很多电气火灾的发生，造成的财产损失位居近十年来各类火灾原因之首。按照2021年我国应急管理部消防救援局的统计，在2020年各类原因引发的火灾中，由电气原因引发的较大火灾占总数的55.4%。从电气火灾的分类看，其中由电线电缆引发的问题占68.9%。由此可以看出，电线电缆着火是电气火灾最主要的原因，当火灾发生的时候，电线电缆会因燃烧而产生大量的有机浓烟，浓烟使被困人員的视野受阻，难以逃离火灾现场。同时还会释放出大量有毒气体使被困人员吸入后中毒窒息死亡。这种潜藏的“二次危害”比直接燃烧更具危险性[1]。因此，该如何降低电线电缆引发火灾的可能性及其引发火灾后的危害性，做到电线电缆低烟、阻燃的安全环保效果，已成为电线电缆行业发展的重要目标之一。

在经历2017年西安地铁三号线“陕西奥凯电缆事件”的发酵后，各行各业对电线电缆的安全意识达到前所未有的水平，同时作为影响电线电缆安全性的重要组成部分——低烟无卤阻燃聚烯烃材料成为人们的关注点：不仅电线电缆材料要符合行业的标准要求，在其成缆之后还要保证成品电缆的各项指标符合标准要求。这就要求在低烟无卤阻燃聚烯烃电缆材料的设计过程中不但要考虑电缆材料自身的机械特性，而且要对在电缆材料生产制造流程中的各项影响因素、电缆实际燃烧中的各项性能要求都应加以考虑。文中结合笔者在工作中的一些实践经验，通过对低烟无卤阻燃聚烯烃电缆材料的特性、挤出工艺的控制要点以及低烟性能的试验测试等进行研究。

2 低烟无卤阻燃聚烯烃材料的特性

在研究阻燃电线电缆初期，虽然通过添加卤素类阻燃剂起到了不错的阻燃效果，但是由于此类电缆在燃烧时会产生大量的烟雾以及危害性气体，因此在很多场合被限制使用。然而，采用低烟无卤阻燃聚烯烃材料的电线电缆在燃烧状态下不但呈现出良好的阻燃性能还呈现出低烟性和低危害性。其中低烟性能是依据电线电缆燃烧时所检测的最小透光率来判定，与电线电缆所用的材料以及生产制造工艺密切相关。目前，国内外研究和应用较多的新型低烟无卤阻燃电缆料通常会添加一些水合金属氧化物。水合金属氧化物在电线电缆燃烧时会吸热脱水，从而分解出结晶水，通过脱水过程吸收大量热量，以此来降低电缆料的温度限制其燃烧;另外，其分解过程中生成的结晶水受热蒸发形成水蒸气既稀释了有害气体，又起到了阻燃作用。此外通过添加磷系阻燃剂也可以起到较好的效果，它不但可以通过隔绝空气来抑制燃烧后的残余物从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电缆料成型时的流动性、加工性变得更好[2]。

尽管低烟无卤阻燃电线电缆已经被研发并生产制造多年，但是目前依旧只采用在一些比较特殊的场所，无法得到广泛使用。其主要原因是这种电缆材料加工制造难度大而且价格昂贵，仅原材料的价格就是普通聚氯乙烯电缆的数倍。因此在保障电线电缆各项性能符合标准的前提下，如何改良生产工艺、降低原材料成本，使更多的场所可以推广使用此类电线电缆具有重大的意义。

3 低烟无卤阻燃聚烯烃电缆的生产工艺

相较于常见的聚氯乙烯电线电缆原料，低烟无卤阻燃聚烯烃电缆料中由于添加了无卤阻燃剂，导致其热敏性增强，在电缆生产挤出时对温度的控制要求更加严苛;其流动性减弱，容易滞留在螺杆上，长时间受热易分解产生不良物质，致使最终电缆内部生成小气泡，电缆表面出现焦烧颗粒。因此，对生产设备的参数以及生产工艺的把控要求更加严格[3]。

电线电缆的生产工艺控制主要包括温度和螺杆的设置。不同的低烟无卤阻燃聚烯烃电缆料挤出的最佳温度范围不同，且该范围很小。实际生产中可先试生产一小段，进行温度调节，如果生成气孔应降低温度，如果表面粗糙应增高温度。为了更好地控制生产挤塑时各阶段的温度，电缆挤出过程中应设有冷却装置。可采用分段冷却，即通过先热水冷却，再自然冷却，最后冷水冷却的方式，来释放挤出过程中螺杆和材料之间产生的内应力，避免开裂等缺陷的产生。此外，螺杆的转速也是一个关键的影响因素。一般来说，低烟无卤阻燃电线电缆挤出时的螺杆速度相较于普通聚氯乙烯电缆料挤出时的螺杆速度要慢很多，这是因为螺杆速度越快，内部应力越强温度升高越明显，易产生气孔缺陷，同时材料的黏度也会增大，增加挤塑设备的负荷，易使设备发生故障减少使用寿命。因此，生产挤出时应对螺杆速度进行严格控制，不能太快并且要保持电缆料匀速、平稳地挤出。

4 电缆低烟性能试验

去年我国发布了最新的电线电缆燃烧性能执行标准，GB/T 19666-2019《阻燃和耐火电线电缆或光缆通则》，该标准中对低烟性能的要求如表1所示。

本次试验选用一捆WDZB-BYJ 450/750V 1×2.5（外径3.7mm）的低烟无卤阻燃交联聚烯烃电线。根据表格公式可知根数N=（45/3/3.7）×7取整得28根。在该捆电缆上截取84根，每根长约1米。分别在每根电缆段中间相互垂直的位置上进行测量，取两个测量值的平均值作为该电缆段的外径值。（修约至小数点后两位）如表2所示。

将表2中所得到的84个平均外径值，从小到大依次排列，取排列后的第1～28根作为第一组（总平均外径值3.66mm），第29～56根作为第二组（总平均外径值3.71mm），第57～84组作为第三组（总平均外径值3.76mm）。

另外选取一捆BYJ 450/750V 1×2.5（外径3.70mm）的普通交联聚烯烃电线作为本次试验的对照组，同样截取28段作为第四组进行试验。

将每组样品制成4个电缆束。每一束由7根电缆绞合在一起构成，绞合节距约为25倍外径值，然后用线径约为0.5mm的金属线从中心部位开始每隔100mm绕两圈扎紧[4]，如图1所示。

将样品在环境温度为25℃的条件下放置24小时后，配置标准火源（乙醇：90%;甲醇：4%;水：6%），使用福建省产品质量检验研究院设备电缆燃烧烟密度光测系统按照标准规定的试验程序和要求进行试验。结果如图2、表3所示。

从表3的前三组试验结果数据可以看出，低烟无卤阻燃聚烯烃电线电缆燃烧烟密度试验的透光率最小值随着样品外径的增大而减小。即适当地减小电线电缆的外径值可减少电线电缆在燃烧时的发烟量，提高低烟性能。另外，第四组实验中因试验样品并非是使用低烟无卤阻燃材料的电线电缆，实验结果的透光率最小值仅有14.01%，远远低于低烟无卤阻燃聚烯烃电线电缆。

5 结语

从上个世纪八十年代起，全球各个国家都陆续开始进行低烟无卤阻燃聚烯烃材料和电线电缆的研发与生产制造。然而在近年来发生的重大火灾中，电线电缆的燃烧依旧引起了巨大危害。生产企业应加强安全责任意识，在生产低烟无卤阻燃电线电缆时应严格把关电缆材料的采购渠道，严格控制生产挤出工艺。通过文中可以得出，在保证电线电缆结构尺寸符合国家标准的前提下，适当地减小电线电缆的外径既可以节约生产成本，又可以提高低烟性能，在一定程度上减少电线电缆燃烧时产生的烟雾，进而减小火灾时引起的危害。

参考文献

[1]叶文，陈涛，胡爽，等.无卤膨胀型阻燃电缆料的研究进展[J].塑料助剂.2015（11）： 11-17.

[2]刘玲.LLDPE/LDPE/（E/VAC）/Mg（OH）2无卤阻燃电缆料的研制[J].工程塑料应用，2002，30（4）：15-18.

[3]陈凤霞.低烟无卤阻燃电缆的工艺特点[J].智能建筑与城市信息，2010（4）：43-45.

[4]电缆或光缆在特定条件下燃烧的烟密度测定第2部分：试验程序和要求：GB/T 17651.2-2021[S].