用于老旧建筑中增强电缆护套性能的胶料制备

宁 辰

（北京房地集团有限公司，北京 100110）

引 言

根据相关统计数据，在各种火灾类型中，电气火灾的占比一直保持在35%以上，仅电线电路的短路、老化、过载等电气原因所引发的火灾在总体火灾数中的占比就高达30%左右，且每年占比都呈增长趋势[1]。其中，老旧建筑是电气火灾的高发点，每年老旧建筑中都会发生大量电气火灾事故，造成巨大财产损失，严重情况下还会出现人员伤亡[2]。因此电气火灾的预防问题一直受到各方关注，尤其是十八大以来，我国强调需要重视人民的生命安全并将其放在首位，因此必须特别注意电气火灾的预防问题[3]。电气火灾一旦发生，其扩展就非常迅速，并且火势进入充分发展阶段后就很难被扑灭，因此必须从源头上扼制电气火灾的发生。老旧建筑中的电路电缆数量众多，很多电缆都处于老化状态，一直是严重的安全隐患[4]。因此需要提升老旧建筑中的电缆护套性能，以解决该安全隐患，从源头上防止发生电气火灾。基于该背景对用于老旧建筑中增强电缆护套性能的胶料进行制备研究。

电缆护套的性能是电缆阻燃和电气防火的关键，耐火的电缆护套能够保证老旧建筑电缆的不易燃，即使点燃，其产生的有毒气体和浓烟也较少，对环境的危害更低，对人员安全的威胁也更低。同时高性能的电缆护套能够维持火灾中消防设备的正常工作，便于开展人员疏散与灭火救援工作。近年来，人们的消防意识一直在提高，电缆护套性能受到了前所未有的重视。对于其胶料制备问题，各国都有较为深入的研究，Korzhov[5]研究了工频磁场对三相电力电缆在3%（wt） NaCl 水溶液中铝护套腐蚀的影响。考虑电缆旋转、脉动磁场及高压源连接，以研究接近实际操作条件下铝护套的退化。秦凤婷[6]等人以氯气为氯化剂，采用水相氯化法制备氯化再生橡胶。应用于氯化聚乙烯树脂制备出通用型电缆护套。由于各国的标准和侧重点不同，其制备胶料的性能和方式都有所不同。综合目前制备的用于老旧建筑中增强电缆护套性能的胶料性能及其制备方法的相关研究成果，进行新型胶料的制备研究，实现胶料材质性能上的突破。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

在试验中，使用的原料包括甲基乙烯基硅橡胶、双二四、高岭土等，具体如表1 所示。

表1 使用的原料Table 1 Raw materials

1.2 试验设备

在试验中，使用的设备包括平板硫化机、万能力学测试仪等，具体如表2 所示[7]。

表2 使用的设备Table 2 Equipment

1.3 胶料制备

在制备前根据配方对原料进行称重，便于后续直接开展混炼[8]。对试验设备进行检查与清理，避免污染。对密炼机的温度进行设定，设定温度为60℃，并将转速设置为100r/min[9]。在密炼机中对甲基乙烯基硅橡胶进行2min 的塑炼。按照顺序加入共溶物1、共溶物2、高岭土、双二四、瓷化粉1、瓷化粉2 后进行混炼，直到密炼机的转矩曲线趋向于平衡排料。使胶料自然冷却后放入双辊开炼机中，加入促进剂[10]。对双辊开炼机的辊距进行调整，调至最小后实施薄通处理，使材料均匀分散。之后调大辊距、胶料出片，获得CR 混炼胶。

在常温下对CR 混炼胶进行24h 的放置，接着将无转子硫化仪的温度设置为180℃，在CR 混炼胶中加入硫化剂对其实施初步的硫化处理[11]。之后对平板硫化机进行升温处理，放入材料对其实施二次硫化处理，对模具排气进行6 次迅速开合后取出模具，将硫化试样拿出[12]。接着对硫化试样实施拉伸片和压缩变形圆柱处理。然后在双辊开炼机上继续进行塑炼。材料包辊后依次加入配合剂、活性剂，并分三次加入炭黑。所有小料加入后，通过双辊开炼机分散小料，胶料出片后放入平板硫化机中实施模压处理使材料硫化成型，并进行5A 国家标准力学样条的制备，然后将样条模压成型后完成胶料的制备[13]。

在胶料的制备中，各种材料的配方具体如下：

●胶料A：甲基乙烯基硅橡胶，500g；共溶物1，30g；共溶物2，20g；高岭土，100g；双二四，50g；瓷化粉1，20g；瓷化粉2，30g；炭黑，20g；配合剂，20g；促进剂，10g；活性剂，30g；

●胶料B：甲基乙烯基硅橡胶，500g；共溶物1，35g；共溶物2，25g；高岭土，100g；双二四，55g；瓷化粉1，25g；瓷化粉2，35g；炭黑，25g；配合剂，20g；促进剂，10g；活性剂，35g；

●胶料C：甲基乙烯基硅橡胶，500g；共溶物1，40g；共溶物2，30g；高岭土，100g；双二四，60g；瓷化粉1，30g；瓷化粉2，40g；炭黑，30g；配合剂，20g；促进剂，10g；活性剂，40g；

●胶料D：甲基乙烯基硅橡胶，500g；共溶物1，45g；共溶物2，35g；高岭土，100g；双二四，65g；瓷化粉1，35g；瓷化粉2，45g；炭黑，35g；配合剂，20g；促进剂，10g；活性剂，45g；

●胶料E：甲基乙烯基硅橡胶，500g；共溶物1，50g；共溶物2，40g；高岭土，100g；双二四，70g；瓷化粉1，40g；瓷化粉2，50g；炭黑，40g；配合剂，20g；促进剂，10g；活性剂，50g；

●胶料F：甲基乙烯基硅橡胶，500g；共溶物1，55g；共溶物2，45g；高岭土，100g；双二四，75g；瓷化粉1，45g；瓷化粉2，55g；炭黑，45g；配合剂，20g；促进剂，10g；活性剂，55g；

●胶料G：甲基乙烯基硅橡胶，500g；共溶物1，60g；共溶物2，50g；高岭土，100g；双二四，80g；瓷化粉1，50g；瓷化粉2，60g；炭黑，50g；配合剂，20g；促进剂，10g；活性剂，60g；

●胶料H：甲基乙烯基硅橡胶，500g；共溶物1，65g；共溶物2，55g；高岭土，100g；双二四，85g；瓷化粉1，55g；瓷化粉2，65g；炭黑，55g；配合剂，20g；促进剂，10g；活性剂，65g[14]。

2 胶料性能测试

2.1 测试项目

对制备的用于老旧建筑中增强电缆护套性能的胶料进行性能测试，具体测试项目如下：

（1）进行胶料弯曲强度的测试：将样条放入马弗炉中进行30min 的灼烧，灼烧温度为1000℃，根据三点弯曲法对灼烧后样条的实际弯曲强度进行测试，使用的测试设备为万能材料试验机，将测试速度设置为5mm/min[15]。

（2）进行胶料力学性能的测试：通过万能力学测试仪进行测试，将拉伸速度设置为50mm/min。

（3）进行胶料的TGA 分析：通过热重分析仪进行测试，将升温速率设置为10℃/min，气体流速设置为50 mL/min，并将温度范围设置为室温～800℃。

（4）进行胶料的硬度测试：使用邵尔硬度计进行测试，测试标准为JB6148-92，将压针端部压力设置为70.455～44.555N。

（5）进行胶料膨胀系数的测试：使用的测试方法为线膨胀系数法，主要对线性伸长百分比进行测试。

（6）进行胶料的锥形量热仪试验：试验标准为IS05660，通过锥形量热计进行测试。在试验时将辐射热通量设置为35kW/m2[16]。

2.2 弯曲强度测试结果分析

制备的八种胶料的弯曲强度测试结果具体如图1 所示。

根据图1 的弯曲强度测试结果，在制备的八种胶料中，胶料A 的弯曲强度最小，仅为0.542MPa；从胶料A 到胶料E，弯曲强度逐渐增大，胶料E 的弯曲强度达到最高，数值为0.853MPa，从胶料E 到胶料H，弯曲强度逐渐减小，说明在制备的八种胶料中，胶料E 的材料配比能够使制备胶料的弯曲强度最大化。

图1 制备的八种胶料的弯曲强度测试结果Fig. 1 The bending strength test results of prepared eight kinds of rubber compounds

2.3 力学性能测试结果分析

制备的八种胶料的力学性能测试结果具体如表3 所示。

表3 制备的八种胶料的力学性能测试数据Table 3 The mechanical properties test data of prepared eight kinds of rubber compounds

2.4 热稳定性测试结果分析

对于用于老旧建筑中增强电缆护套性能的胶料来说，热稳定性是一种很重要的性能。各种制备胶料在氮气气氛下的热分解参数测试数据具体如表4 所示。

表4 各种制备胶料在氮气气氛下的热分解参数测试数据Table 4 Test data of thermal decomposition parameters of various prepared rubber compounds in nitrogen atmosphere

根据表4 的热分解参数测试数据，在600℃下胶料E 的残留物质量百分比最低，其余胶料的残留物质量百分比都偏高；在最大失重速率时胶料E 的温度最低，仅为382.365℃，胶料D、胶料C 的温度也较低，其余胶料的温度较高；热失重5%(wt)时，胶料E、胶料F 的分解温度最高，在450℃左右。综合热稳定性测试结果，胶料E 的热稳定性最高，胶料F 次之。

2.5 硬度测试结果分析

制备的八种胶料的硬度测试结果具体如图2 所示。

图2 八种胶料的硬度测试结果Fig. 2 The hardness test results of eight kinds of rubber compounds

图2 八种胶料的硬度测试结果表明，从胶料A到胶料D 的硬度逐渐上升，之后制备胶料的硬度保持稳定，也就是胶料D、胶料E、胶料F、胶料G、胶料H 的硬度都较高。

2.6 膨胀系数测试结果分析

所制备的胶料在高温灼烧后会形成陶瓷体，此时会生成一定的二氧化碳，导致陶瓷体出现膨胀现象。将其用于老旧建筑中的电缆护套中时，当发生火灾，陶瓷体的膨胀会对电缆结构的稳定性造成影响，甚至导致陶瓷化结构体的毁坏，因此制备胶料的膨胀系数与其耐火性能息息相关。具体膨胀系数测试结果如图3 所示。

根据图3 的膨胀系数测试结果，在高温1000℃灼烧10min 后，胶料A 的膨胀系数最高，胶料F 的膨胀系数最低；继续灼烧10min 后，胶料E 的膨胀系数提升比例较低，成为最低膨胀系数的制备胶料，其他制备胶料的膨胀系数有不同程度地升高；再继续灼烧10min 后，胶料E 的膨胀系数略有升高，其他制备胶料的膨胀系数有较大幅度的升高。总体来说，胶料E 的膨胀系数更低，更加耐火。

2.7 锥形量热测试结果分析

通过锥形量热计能够根据热释放速率等参数对制备胶料的材料热灾害进行评价；根据毒性和烟气方面的参数对制备胶料的非热危害进行评价；并根据测试结果对制备胶料的热降解行为进行研究，从而推断其阻燃作用机理。

所制备胶料的锥形量热测试结果具体如表5 所示。

表5 所制备胶料的锥形量热测试结果Table 5 The cone calorimetric test results of prepared rubber compounds

表5 的锥形量热测试结果表明，从胶料A 到胶料F，总释放热与燃烧时较大热释放程度这两项数值都在不断降低，而胶料F 到胶料H 的数值则较为平稳，说明胶料F 到胶料H 带来的火灾危害性更小，其余制备胶料则会带来更大的火灾危害性。

综合各项测试结果，制备的胶料E、胶料F 的各项性能较好，更适合用于老旧建筑中增强电缆护套性能。

3 结束语

在制备用于老旧建筑中增强电缆护套性能的胶料的过程中，共进行了八种胶料的制备，并对各种胶料进行多种性能的测试。试验结果表明，胶料E 的弯曲强度最大，为0.853MPa，胶料F 的弹性模量最高，为29.3654MPa，在最大失重速率时胶料E 的温度最低，仅为382.365℃，热失重5%(wt)时，胶料E、胶料F的分解温度最高，在450℃左右，胶料E 的膨胀系数更低，耐火性较好。根据上述实验结果筛选出了综合性能较好的两种胶料，即胶料E 和胶料F，成功实现了电缆护套性能的增强，对于电力火灾的预防与救援等方面有很大意义。