小议阻燃电线电缆中有机硅的应用分析

摘要：目前在现代生活中,能源和信息是不可缺少的。电线和电缆作为能源和信息的传输通路有着越来越广泛的用途，为防止火灾发生时含卤电缆燃烧时产生的有毒卤化氢气体而造成的二次危害，业界倾向于使用不含卤素的所谓无卤阻燃电缆。这种情况促使人们研发新的材料及工艺方法。本文描述了目前常用的五种新型有机硅应用技术,并且它们能满足比以前任何时候对线缆结构都严格的阻燃要求。

关键词：电线电缆；阻燃；有机硅；材料

中图分类号：U463.62 文献标识码：A 文章编号：

1、燃烧环境

为了理解硅树脂在获得高度的防火性和阻燃性的同时，其散发的烟雾和毒气的程度又低, 需要简单地描述一下有机硅聚合物及其在燃烧环境下的性能。

图1有机硅聚合物的化学结构

如图1所示,有机硅聚合物的基本化学结构的特点是有一个热稳定的硅氧分子骨干。通过先前的研究发现, 添加一种填料后在阻燃性能明显的情况下,可以增大硅橡胶的热稳定性。未加填料的聚合物燃烧副产品,与加有填料的有机硅弹性体的燃烧效应显著不同。由于二氧化硅填料促进了碳化硅的形成, 碳化硅同二氧化硅一起形成了一层保护性的绝缘焦化层,把散发的烟雾和毒气减至最少,同时还具有抑制燃烧和火焰的作用。

2、热固性的硅树脂

尽管多年来人们已得到了完全混合的阻燃硅树脂,但是阻燃添加剂用于热固性的硅树脂则是最近的一个创新。这种方法给制造者一定的灵活性,他们可精确地使配方适合所规定的阻燃等级,同时又能控制它的成本。因为制造者可以生产阻燃性能仅满足安全法要求的热固性硅树脂电线绝缘,故增加的成本能得到控制。

这是一种利用活性很强的铂化合物、有乙烯官能团的硅树脂和硅石粉来获得阻燃性的系统。人们认为,铂化合物阻碍了燃烧时所形成的自由基生成, 从而降低了挥发物和可燃副产品的浓度。然而,不能完全理解的是,含有乙烯官能基的混合物, 如上所述, 其阻燃特性比无乙烯基的混和物要好得多。硅石粉填料在获得阻燃特性方面也起着重要的作用。

燃烧时, 这种填料转变成碳化硅, 碳化硅形成一种坚硬的绝缘表面烧焦层,保护基体材料不被燃烧。此外,烧焦层仍保留其电绝缘性能,因而维持了电路的完整性。

列出了三种弹性体配方的比较情况。这三种弹性体是:(1)普通的有机硅弹性体;(2)采用一种阻燃剂的有机硅弹性体混合物;(3)使用前面介绍过的铂技术、完全混合的阻燃弹性体, 据报道此填料已商品化。

这种新型阻燃添加系统的特点,在选择电线用阻燃有机硅材料方而,这些特点暗示了有史以来的多方面的适用性。像无卤材料一样,阻燃有机硅弹性体完全符合美国海军船用电气设备所用电缆的新安全规范,如联邦规范MIL-C-24640和MIL-C-24643, 这二个规范均要求电缆的护套中卤素的最大含量为0.2%。民用飞机和建筑物的类似标准正在制订。

非阻燃的聚丙烯,每年的使用量接近226.8万吨,它具有优异的性能,实际上在每一个工业部门(从家用电器到通信设备和航天元件)均使用聚丙烯。然而,阻燃聚丙烯在整个工业应用中却占较小一部分。它的应用至今受到限制的基本原因是, 用在聚丙烯中的普通阻燃物降低了物理性能或加工性能,因而限制了它们的应用。

随着能够保持甚至提高聚丙烯材料基本性能的配方的研制,阻燃聚丙烯的应用范围可能扩大。结果,现在许多应用阻燃热塑料的场合,将由聚丙烯取代。

人们业已能把以硅树脂为基体的添加剂系统设计得既具有阻燃性能,又对塑料的固有性能损伤最小,当采用UL 94 V-O和5-V标准对一些聚丙烯配方进行验证时,也认识到材料关键配方和性能的优势。至于其它一些材料,包括聚乙烯、乙烯乙酸乙烯酯以及乙基甲基丙烯酸酯,也证实具有类似的优势。

对于这些配方来说,已消除或减少了潜在危险的锑和卤素。此外,就加工性能而言,材料的流动性能比传统的高填充材料有了很大的改善。最后,这种新型硅树脂系统把聚丙烯均聚物的冲击强度提高了10倍,并改善了低温性能。

在有关的专利中,介绍了这类硅树脂配方及其混料方法。热塑性塑料、金属皂和享有专利权的硅树脂配方, 这三者的结合就构成了阻燃添加物的基本技术。虽然可以利用各种各样的金属皂,但迄今为止硬脂酸镁证明性能最好,而硅树脂本身则是几种关键的活性聚合物的混合物。

尽管硅树脂同其它一些配料组合起来已用于线缆用的阻燃交联聚乙烯中,但这些配方在不交联的聚烯烃上却得不到良好的阻燃性,因而,人们专门设计了这种新型的硅树脂系统,以把这种设想扩展到热塑性塑料上。除了该配方中的三种关键配料(即热塑性塑料、金属皂和硅树脂)以外,还可以加入其它一些专用的配料,以提高某些特殊的性育旨。

3、电线绝缘带

云母是天然矿床内发现的一种矿物,印度是云母的原始产地。因云母有优异的介电和绝缘能力,人们早就将它切成极薄圆片或片材,用于电气领域。云母有一个缺点,即它是一种极其脆弱的材料,无有效结构强度。

玻璃纤维是另一种广泛用于电线编织的材料。它是一种具有优异的纤维强度的非导电材料,并不亲水。因其纤维本质之故,玻璃纤维不能象通常生产单独的绝缘材料所需要的那样,作为一种薄膜来生产。

云母和玻璃是两种能耐高温的惰性材料,将它们融化到一根复合带内,以优选每一材料的主要工作特点,其最终产品为高温线缆绝缘系统提供了优异的性能。现在,可以买到这种复合带。

硅树脂是粘结云母和玻璃的媒质。云母和玻璃,这二种材料用硅树脂浸渍,然后层压并固化,其最后产品就是一根复合带。硅树脂维持了这种体系的耐高温优势。在硅树脂仅占整个结构10%的情况下,火焰、烟雾和毒气在所有的实际情形中近乎检测不出。

今人感兴趣的是,采用云母/玻璃纤维复合带的电缆结构,在温度高达1000℃直接燃烧的情况下,加交流电压400伏,仍能保持电路的完整性达3小时。

尽管玻璃增强云母层压制品不是新产品,但是,电缆向重最更轻、尺寸更小的方向发展的趋势却推动了实现超薄结构绝缘带的研制工作。在0.0762mm总厚度的情况下,绝缘带提供了所有云母/玻璃层压制品已取得的性能优点,其重量和尺寸均缩小40%之多。

4、硅树脂一聚酰亚胺共聚物

目前正在进行的一项工作是:将主要的研究力量集中于创造新一类硅树脂为基体的材料上,特别是把焦点集中于阻燃技术上,以获得热塑性、热固性和粘结性的阻燃材料。耐高温热塑性聚酰亚胺通过共聚作用同热稳定的聚二甲基硅氧烷结合起来,为整个阻燃产品的新家族提供了机遇。

人们利用聚酞亚胺的固有热塑性,研制出了新的共聚物。同样,硅树脂的交联性为热固性共聚物的研制创造了条件。最后,粘结技术已表明,硅树脂一聚酰亚胺有可能用作阻燃热熔粘结剂。

通过检测一种硅树脂-聚酰亚胺类的一种热塑性配方而确立的产品数据已表明,它具有优异的阻燃、烟雾和电气性能。因为它是一种无卤材料,故燃烧的热解副产品不含毒性、腐蚀性的HCl、HBr或HF气体。

5、泡沫硅橡胶

有机硅技术的另一个领域是泡沫硅橡胶,这种材料具有特殊的阻燃特性,是专门为电气绝缘、减振和吸音材料而设计的,其应用范围与日俱增。尤其是在大楼建筑物的电气设备安装中,它作为阻燃电缆安装槽和渗透的密封材料很有用,与实心密封材料相比,它的优点是重量轻、简便、直接安装以及改善了阻燃性。

本材料所提供的是双组份可浇注液体,经混合,在室温下固化成泡沫结构的弹性硅像胶,其密度为每立方英尺10~15磅。对穿墙和穿过楼层的电缆支架和管道来说,泡沫硅橡胶的液态粘稠性便于使它用作火、烟雾和气体实际上均不能穿透的阻档层。将产品注入或浇入空穴内,然后让它在空穴内膨胀、发泡。这种新型阻燃有机硅材料,也可以薄板、带子和熔融件的形式买到,它为设计提供了许多灵活性,以满足安全法规的要求。

泡沫硅橡胶同泡沫聚氨酯相比,在阻燃性上有着明显的优势。垂直燃烧时,泡沫聚氨酷在数秒钟内即被烧尽,而泡沫硅橡胶实际上不延烧。材料的极限氧指数为30,在1/4英寸厚度范围时,其UL 94的阻燃等级为V-0。

泡沫硅橡胶是一种不含卤素的材料。毒性试验的结果己表明:烟雾中的有毒材料的浓度是很低的。由匹兹堡大学进行的毒性试验,其试验的记录结果是,半致死浓度为15克,它验证了燃烧副产品的毒性是低的。泡沫硅橡胶的通用性暗示它适应于轻型的电缆护套和电连接器,也适应于早已推荐的电缆安装谷的密封和渗透密封。

6、结语

综上所述，这些材料的化学结构、它们的物理和电气性能以及燃烧和烟雾试验数据。经过实验室的试验数据和现场施工证实的这些材料,对于铜导体的电线电缆以及光缆的制作都有明显的促进作用。

7、致谢

本文的研究得到了江苏省质量技术监督局科研计划的资助（编号：KJ122703）