B1 级燃烧性能的无卤型非屏蔽6 类数字通信电缆研制难点探讨

倪冬华, 蔡杭列, 沈福良, 林庆雕

(浙江兆龙互连科技股份有限公司, 德清 313215)

0 引言

据消防部门统计,电气仍是引发火灾的首要原因。 在GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》中规定建筑高度超过100 m 的公共建筑[1],应选择燃烧性能不低于B1 级[2]、产烟毒性为t0、燃烧滴落物/微粒等级为d0的电缆[1]。 为满足电缆附加的产烟毒性 t0和腐蚀性a1等方面要求,需要对符合该要求的电缆进行研究。

目前,占据市场份额较大的综合布线产品为非屏蔽6 类数字通信电缆,特别是低烟无卤型通信电缆[3],要达到B1 级的阻燃要求是当前亟待解决的技术难题。

本工作对B1 级非屏蔽6 类数字通信电缆的结构设计、关键工艺控制等方面进行了讨论,并通过不同方案进行B1 级燃烧性能等级的符合性验证。

1 设计重点

1.1 结构设计对阻燃性能的影响

非屏蔽结构的高阻燃无卤数字通信电缆在设计上一般采用两种方式,第一种是与常规非屏蔽6 类结构一样,该结构较简单;第二种是在第一种的基础上,缆芯与护套间加一层具有阻燃功能的包带,以阻止外部火焰侵入内部造成更大的引燃情况,但与常规结构相比外径也相对较大,不利于施工,且加工更复杂,成本也较高。 常规非屏蔽6 类数字通信电缆结构示意图见图1。 具有阻燃包带非屏蔽6 类数字通信电缆结构示意图见图2。

图1 常规非屏蔽6 类数字通信电缆结构示意图

图2 具有阻燃包带非屏蔽6 类数字通信电缆结构示意图

随着市场竞争的日益激烈,材料成本降低与材料性能提高之间的矛盾不断加剧,同时高密度、小型化布线产品的趋势也在不断推进。 因此,需要尽可能地控制生产成本,便于敷设,以利于市场开拓作为产品开发的设计重点。

基于千兆以太网传输介质,产品需要达到B1的燃烧性能,同时对燃烧时释放气体的毒性t0和腐蚀性a1,以及滴落物等均有要求[2],故选用最高工作频率达到250 MHz 的低烟无卤型非屏蔽6 类阻燃数字通信电缆作为设计产品,且所有材料均需要选用无卤型材质。 然而,考虑到加工复杂性、敷设方便性、安全性,以及综合成本等因素,若采用具有阻燃包带非屏蔽6 类数字通信电缆结构方式,阻燃包带为无卤玻璃纤维带,则加工或敷设时会有扎手的风险,不适合作为设计定型方案。 因此,本工作采用第一种常规非屏蔽6 类数字通信电缆结构设计,但该结构设计因缺少了阻燃包带的辅助性阻燃效果,在阻燃性能的提升上有一定的难度,需要从其他角度来改善。 非阻燃材料占比的减少和结构尺寸设计即是对策之一,此方案的研究亦是本工作的重点,故拟采用阻燃型填充骨架替代普通非阻燃聚烯烃骨架方案进行验证。

1.2 填充材料的选用对衰减的影响

衰减是信号传输电缆的重要参数之一。 衰减越明显,表明信号在线路传输过程中的损耗越严重,从而对电缆的传输距离和传输效果产生影响。

具有高阻燃特性的电缆在考虑非金属材料的阻燃性能外,还须考虑材料的用量和材料对电缆传输性能的影响,特别是衰减指标。 对于非屏蔽通信电缆,影响衰减因素的主要参数有:绝缘材料的组合介电常数(εr) 和介质损耗角正切值(δ)、导体直径(d)、绝缘芯线导线间的中心距离(a) (绝缘层厚度大小),以及线对周围材料介质等。 当导体直径、绝缘芯线导线间的中心距离确定的情况下,介质损耗角正切值在频率不高时的影响相对较小。 因此,组合介电常数为重要考虑因素,包括作为中心填充用十字骨架的影响,因十字骨架的填入降低了结构空间内的空气占比体积,除具有稳定缆芯结构,并增加线对间抗串干扰能力外,其材料本身的介电常数特性也会对电缆衰减传输性能有一定的影响。 本工作选用的骨架材料为无卤阻燃材料,其介电常数大于普通聚烯烃材料。 为确保电缆的衰减满足要求,减小骨架对衰减的影响将是研究重点。 因此,拟采用不同宽度填充骨架进行验证。

1.3 护套材料对阻燃性能的影响

对于阻燃类电缆的设计,主要的影响因素有以下几方面:①非金属材料体积在整个电缆体积中所占的比例;②电缆的整体结构设计布局,如屏蔽层与非屏蔽。 电缆设计时需要考虑电缆性能,因而前两个因素很难改变,只能通过调整材料阻燃性能和优化挤出工艺的方式来提升电缆的阻燃效果。 因考虑数字通信电缆的传输性能,绝缘材料一般首选氟塑料或聚乙烯,然而全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)材料价格高,密度大,性价比不高,故在非特殊阻燃要求的情况下(如CMP 电缆),一般采用高密度聚乙烯材料(HDPE),而聚乙烯材料一般不具备阻燃性,因此护套材料选用就非常关键。 为满足高阻燃,且燃烧时产烟毒性t0和腐蚀性a1的要求,须采用无卤护套料,但该材料所采用的是无机阻燃剂。 与有机阻燃剂相比,无机阻燃剂的阻燃效果有一定的下降,导致阻燃性能低或不稳定。 因此,具有高阻燃特性的低烟无卤护套材料的选择将是本工作产品设计制造中的重中之重。 故本工作拟采用氧指数大于42%的无卤阻烯护套料进行设计验证。

2 关键设计、控制及试验方案

2.1 优化结构尺寸设计对衰减的影响

根据GB/T 18015.1—2017《数字通信用对绞或星绞多芯对称电缆 第1 部分:总规范》标准规定,裸铜线的性能应符合TR 型软铜圆铜线的要求[3]。 因此,选用含铜量为99.95% 及以上的电工无氧铜进行拉制。 考虑到十字填充骨架为阻燃材料,对产品衰减会产生一定的影响,故导体规格采用23AWG的线规作为本工作中心导体尺寸。 绝缘材料采用相对介电常数为2.3 的高密度聚乙烯。 根据标准要求,以及理论计算公式,结合以往普通非屏蔽6 类数字通信电缆的绝缘尺寸,导体采用23AWG 线规的设计,绝缘外径设定值控制在0.98 ～1.04 mm 之间。

在非屏蔽6 类缆的非金属材料中,除了绝缘料和护套料外,还有中心填充用的十字骨架。 为减少非阻材料的占比,满足B1 级阻燃要求,填充骨架采用阻燃型材料。 市场上用于阻燃骨架的材料一般有氟塑料、阻燃聚乙烯和无卤阻燃聚烯烃几种。 但是,氟塑料不但价格高,而且电导率大于10 μS·mm-1,且pH 小于4.3;同样,阻燃聚乙烯采用溴类阻燃剂,其电导率和pH 也是超标的,且燃烧时发烟量大,故阻燃骨架选用无卤阻燃聚烯烃类材料。

考虑到无卤阻燃聚烯烃类成本、常规聚烯烃类的骨架成本,以及阻燃骨架对电缆燃烧性能的影响,试验考察了骨架宽度分别为3.5,4.0 mm 时对电缆燃烧性能的影响,结果见表1。

表1 不同骨架尺寸试验方案测试结果

由表1 可知,骨架宽度分别为3.5,4.0 mm 时,火焰蔓延高度和燃烧增长指数性能结果差异性不大。

2.2 优化结构尺寸设计对阻燃性能的影响

从普通聚乙烯材料更换为无卤阻燃聚烯烃后,其材料的相对介电常数由2.3 升至4.2,电缆衰减增大。 为了降低骨架的高介电常数对电缆衰减的影响,结合不同骨架尺寸对电缆燃烧性能影响的结果,本工作采用3.5 mm 宽度的骨架进行衰减性能试验,与YD/T 1019—2023《数字通信用聚烯烃绝缘水平对绞电缆》标准规定进行对比,其结果见表2。

表2 衰减典型频点测试值

由表2 可知,衰减实测值符合标准要求。

2.3 高阻燃护套材料的选用与燃烧性能对比

非金属材料阻燃性能的衡量指标一般采用氧指数作为主要手段。 本工作为B1 级阻燃电缆,具有高阻燃特性。 因此,采用普通阻燃护套料明显不可取;两种不同等级的非屏蔽6 类数字通信对称电缆材料的结果比对见表3。

表3 两种无卤阻燃级护套材料阻燃特性比较

除了护套材料的选用,护套厚度的大小对电缆阻燃性能也有很大的影响。 考虑到电缆成本、外径大小,以及松紧度等因素,护套厚度根据电缆外径不大于6.6 mm 进行设定。 根据上述设计要点,通过综合考虑,在螺杆、模套、阻燃骨架和护套厚度尺寸相同的条件下,采用了氧指数分别为38%,43%,45%等3 种护套材料进行样品试制并测试,结果见表4。

表4 不同氧指数护套试验方案测试结果

由表4 可知,氧指数为45% 的护套料具有更好的阻燃性能,不仅在火焰蔓延高度有较好的阻止效果,燃烧热增长速率指数也满足GB 31247—2014《电缆及光缆燃烧性能分级》技术要求。 由表4 还可以看出,热释放速率、燃烧热增长速率指数随氧指数变化的趋势不一致,是由于非屏蔽结构电缆对于该燃烧热增长速率有一定的不稳定因素,如护套料的阻燃与结壳稳定性、电缆捆绑时的松紧度等,故不一定与氧指数变化趋势一致。 表4 结果表明,与低氧指数普通低烟无卤护套料相比,高氧指数的低烟无卤护套料明显适用于本工作产品,如果再结合护套料结壳性能和结构尺寸方面的优化,相信会起到更优的效果。

3 关键挤出工艺控制

B1 级数字通信电缆制造过程中的工序质量控制与普通数字通信对称电缆一样,在此不作具体表述;但是,对于阻燃型非屏蔽数字通信电缆来说,除了绝缘尺寸及对绞合成缆节距的设计需要满足传输性能外,在相关材料机械物理满足相关要求的情况下,关键的是护套相关工艺的控制,特别是护套厚度、挤出均匀性,以及牵引速率等对阻燃性能有很大的影响。

满足成束燃烧性能的高阻燃无卤聚烯烃材料的价格比普通低烟无卤材料高近一倍甚至一倍以上。因此,在选择材料与护套厚度等方面须进行综合考虑。 如果厚度设计过大,线缆外径也随之增大,且电缆硬度也会偏硬,不利于布线施工;如果设计厚度偏薄,燃烧结壳过程中会引起结壳层裂开,从而导致内部聚乙烯等可燃物流出而造成燃烧试验的失败。 因此,从综合角度出发,护套厚度及挤出均匀性与材料应进行选型匹配,既考虑电缆外径,亦控制电缆的制造成本。

高阻燃的低烟无卤料配方具有阻燃剂高填充量、流动性差,以及配方中润滑剂的添加比例与挤出螺杆匹配性等问题,容易引起挤出过程的不均匀性,使得护套厚度纵向不均匀;另外,如果选用的挤出机螺杆不合适,会导致对材料的剪切力过大,造成温度升高过快,以致无机阻燃剂分解,在护套中产生气孔,严重影响护套的阻燃性能。

由此可见,材料的阻燃等级越高,其熔融指数就越差,加工难度也越高。 为消除材料分解对阻燃结果的影响,可采用更低压缩比的专用螺杆。 建议螺杆的长径比为1 ∶25,压缩比为(1.1 ～1.2) ∶1,在减小剪切力的同时也可提高生产效率。 因此,除了应该注意螺杆压缩比,还需要根据各材料厂家的材料特性进行匹配。

4 结束语

本工作介绍了B1 燃烧等级数字通信电缆的骨架材料和高阻燃低烟无卤护套的设计选型关键,以及工艺控制等。 在设计B1 级燃烧性能的6 类数字通信电缆时,需要综合考虑护套与骨架的材料、尺寸,以及护套料的氧指数等,同时选择合适的护套厚度进行设计;在阻燃护套料选择时,除了氧指数外,还可以同时考虑护套料在燃烧时的结壳性以提升电缆的阻燃性能;在生产时,应考虑挤出机配套螺杆的压缩比与模具尺寸的设计,尽量减小挤出剪切力和压力,避免因挤出过程中使用不当的挤出工艺造成护套料中的阻燃剂分解而使阻燃性能下降;另外,高阻燃低烟无卤护套料的硬度相对较硬,数字通信电缆在弯折、挤压等情况下容易对回波损耗指标有一定的影响,因此,建议采用盘装方式,确保电缆得到较好的回波损耗性能。 本工作为如何通过材料和工艺的改进来制造性价比高的B1 级燃烧性能的6 类数字通信电缆提供了可靠经验。