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線纜阻燃材料和阻燃技術的發展

隨著經濟建設速度的不斷加快,各種大型工業設施、高層商業建筑、地下建筑和居民住宅數量的逐漸增多,線纜的使用總量越來越大,且敷設的密集度也越來越高。由于線纜老化而導致短路、自燃等原因引起的電氣火災事故日趨頻繁,造成的損失日益嚴重。這使人們認識到,除了要增強防火安全意識外,還應制定嚴格的相關標準,大力推廣應用各種線纜用阻燃材料,制造出各種類型的防火阻燃電纜。

線纜結構的設計和材料的選用對于線纜的防火性能都有較大的影響,如金屬鎧裝層可以有效地防止線纜著火;低煙聚氯乙烯(PVC)、無鹵低煙(LSZH)材料、高溫材料可以控制火焰的蔓延及有毒煙霧的產生。而尤以線纜阻燃材料的合理選擇是提高線纜安全性能和減少火災隱患的關鍵措施之一。

二: 線纜材料的阻燃機理

線纜阻燃材料是在以基體聚合物(或稱樹脂)為主體,加入增塑劑、熱穩定劑、潤滑劑、抗氧化劑、抗紫外線劑等的體系中增加了阻燃成分,從而起到阻止材料被引燃和抑制火焰傳播的作用。

(一):線纜材料的燃燒行為及阻燃方式

線纜材料的燃燒行為

線纜材料的燃燒行為可用以下幾個性能參數來描述:(1)點燃材料的難易程度。可用臨界氧指數(cOI)或極限氧指數(LOI)來定義,該值越高,說明該材料的著火以及火焰蔓延越困難。通常,COI≥30%阻燃;LOI≤23%可燃;LOI在24%~28%之間稍阻燃;LOI在29%~35%之間阻燃;LOI≥36%高阻燃。(2)火在材料表面蔓延的速度。(3)耐燃性,即火燒穿材料的速度。(4)釋熱速率(HRR)。(5)火熄滅的難易程度。(6)生煙性,包括發煙量、煙發生的速度和煙的成分。(7)產生的毒性氣體的成分、數量和生成的速度。

線纜材料的阻燃方式

線纜材料的阻燃可以通過用化學或物理的方法,改變聚合物的組成結構,以達到阻燃效果,如:在聚合物分子中加入起著阻燃作用的元素,如溴、氯、磷、銻、硼等;用化學交聯或輻照交聯,使線性聚合物大分子變成具有三度空間網狀、體型結構的物質,提高其熱穩定性和成炭性。也可以通過添加阻燃劑到基體聚合物中,燃燒時,阻燃成分以不同的方式與機制在聚合物燃燒的不同區域進行阻燃。阻燃劑進行阻燃的方式有如下幾種:

(1)氣相阻燃,即在氣相中抑制聚合物燃燒反應中起鏈增長作用的自由基,從而達到阻燃效果。阻燃劑在氣相燃燒區捕捉燃燒反應中的自由基,從而阻止火焰的傳播,使燃燒區的火焰密度下降,最終使燃燒反應速度下降直至終止。

(2)凝聚相阻燃,即在固相中阻止聚合物的熱分解和阻止聚合物釋放出可燃氣體,從而達到阻燃效果。阻燃劑在高溫下形成熔融玻璃狀物質或泡沫炭層覆蓋在聚合物表面,隔絕熱量和氧氣,阻止可燃氣體向外逸出,從而達到阻燃目的。

(3)中斷熱交換,即將聚合物產生的熱量帶走而不反饋到聚合物上使聚合物不斷分解,從而達到阻燃效果。阻燃劑在高溫下發生強烈的吸熱反應,吸收燃燒放出的部分熱量,降低可燃物表面的溫度,有效地抑制可燃性氣體的生成,阻止燃燒的蔓延。阻燃劑受熱釋放出不燃氣體,將可燃物分解出來的可燃氣體稀釋,使可燃氣體的濃度降低到燃燒極限以下;同時該不燃氣體也降低了燃燒區內的氧氣濃度,抑制了燃燒繼續進行,以達到阻燃的作用。

(4)成炭作用,即在聚合物熱降解時生成炭,可減少揮發物的產生,且粘性的炭層覆蓋在聚合物表面,使聚合物同火焰隔絕,使進一步熱降解變得困難,最終起到阻燃作用。此外,炭層還能阻止其內部的熱分解產生物進入氣相參與燃燒過程。通常成炭量增加1/3,則生煙量減少1/2,欲使材料的阻燃級別達到UL94,V-0,成炭量至少應達到30%。

(5)協同效應,即各組分的共同效果大于各組分的單獨作用之和。協同效應最典型的是銻.鹵協同效應,氧化銻(常用形態Sb:O。)與含氯或含溴阻燃劑并用。在氣相,氧化銻與鹵素生成三鹵化銻,而三鹵化銻是火焰的抑制劑,它捕捉火焰中的H·、HO·等自由基,三鹵化銻蒸汽可較長時間停留在燃燒區,稀釋可燃性氣體,并覆蓋在聚合物表面而隔熱,降低聚合物分解溫度、分解速度,生成的炭層可將聚合物封閉,阻止可燃性氣體逸出。

還有一些鹵化銻在凝聚相作為成炭的催化劑和在凝聚相表面充當自由基的捕捉劑。還有其它協同效應,諸如:氧化銻.非鹵協同效應、磷.鹵協同效應、氮一鹵協同效應、磷.磷協同效應等。

三:線纜材料阻燃劑的選用原則和種類

阻燃劑是阻止材料被引燃并抑制火焰進一步蔓延的添加劑。阻燃劑可分成反應型和添加型兩種。其中反應型阻燃劑是在聚合物合成過程中就引入阻燃元素;添加型阻燃劑是在對樹脂進行成型加工時加人,通常為一個復合的阻燃體系。

(一)線纜材料阻燃劑的選用原則

(1)阻燃劑、阻燃填料和阻燃協效劑等必須與基體聚合物有較好的相容性。

(2)阻燃劑與基體聚合物在熱分解上越匹配, 阻燃劑的效率就越高,即用較少的阻燃劑可達到同 樣的阻燃效果。

根據大量理論與實踐證明,只有阻燃劑的熱分解曲線全部低于基體聚合物的熱分解曲線,使阻燃劑熱分解產生的氣體、碎片物等持續包圍在基體聚合物周圍,阻燃劑的作用才能有效發揮(如圖2所示);并且阻燃劑的熱分解曲線比基體聚合物的熱分解曲線低約60~75℃時阻燃效果最好;還要注意阻燃劑熱分解溫度與基體聚合物加工溫度的差距和匹配。


 

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