硅烷交联无卤低烟阻燃料（用于电力、控制和通讯电缆等）
[ 2009年2月19日 ]
硅烷交联无卤低烟阻燃料（用于电力、控制和通讯电缆等）
上海电缆研究所高级顾问 张兆焕
从环境保护和火灾时安全性出发，不少场合指定使用无卤低烟阻燃电缆。这类电缆目前其绝缘大都为非阻燃交联聚乙烯；护套则为热塑性无卤低烟聚烯烃。这二种材料搭配的阻燃性并不很好。另外当电缆外径较大、材料品质欠佳和工艺设备不适的情况下，护套会出现开裂。采用硅烷交联无卤低烟阻燃绝缘和护套，可有效改进这些缺点。硅烷交联电缆的生产设备和工艺比较简单，各大小电缆厂均能投产。产品能满足多种场合使用要求，如公共娱乐场所、体育馆、医院以及高等院校实验大楼等。目前尚未有国产硅烷交联无卤低烟阻燃料供应。意大利潘德那公司介绍了四种无卤低烟材料，可以满足一般使用要求，但对于单根和成束阻燃试验要求特别苛刻的场合（如核电站1E级K3类电缆），恐怕还需要对材料或电缆结构作改进。以下对四种牌号的材料作简要介绍（如数据有差错则以该公司样本为准）： GFR/304-2 、GFR0203/01 、GFR/315 、GFR/311-S均为低烟无卤阻燃的硅烷交联聚烯烃材料，其中GFR/304-2可作电缆绝缘及护套，其余均为绝缘料。四种料均由硅烷预接枝阻燃复合物和催化剂母粒组成（两步法）。具有优异的机械性能、电性能和阻燃性能，不释放卤酸，具有自熄特点，可大量减少有毒腐蚀性气体的排放和烟雾的产生。由这些材料制成的电缆特别适合在要求具有高度安全性的公共场所使用。四种料的挤出工艺、交联条件、料的储存等基本相似，但基料和催化剂混合比有差别。这些料能符合相关标准，如Cenelec-HD22.1-S2-EI5，VDE0207-23-HJ1，VDE0250-503-HJ，IEC60092/351-HF85， CEI-20-11-GIO，OVE-K-81-IHN1和OVE-K81-8-IHN1标准。 GFR0203/01以97:3的重量比添加CT/1或CT/2催化剂母粒。为防止预交联，预接枝化合物与催化剂母粒是分开存放的，在临挤出之前方可混合，建议采用适当装置按剂量分别将两组份直接配入料斗中。为了防止预交联影响挤出时的质量，色母粒须在60℃烘箱内需烘8小时（料层厚4～6 cm），或真空干燥4小时，色母料一般加重量的1.5% 。挤出机长径比L/D=20～25 ，建议采用低压缩比（类似挤橡胶或无卤材料）的调温螺杆，也可用挤聚氯乙烯的螺杆低速挤出，不宜用挤聚乙烯的螺杆，料筒温控应精确。建议各段温度如下：料筒130℃～160℃，口模 160℃～190℃，机头140℃～160℃，螺杆50℃～60℃。高速挤出时建议在口模部分安装压力监视器。既可采用挤压式模具，也可采用挤管式挤出。交联方法：a.浸入60～70℃水中b.置于低压蒸汽中（0.15bar）c.在20～25℃，相对湿度50～70%的空气中存放数日。交联时间需根据绝缘厚度而定的，前两种方法，当绝缘厚度为1～1.2mm时，需4～6小时。在空气中自行交联时间要根据具体的环境而定。储存期：环境温度不超过30℃，不直接暴露在阳光下或在风雨中的条件下，存贮期为 6个月。材料开包后尽量在3～4小时内用完。另三种料的加工条件基本与上述相似，以下仅对不同之处进行补充： GFR/304-2以95:5的重量比加CT/1催化剂母粒。挤出机长径比为L/D=18～25，各段温度如下：料筒120℃～140℃，口模150℃，机头150℃，螺杆50℃～60℃。熔融温度不能超过170℃。筛网眼网 <100孔/cm2。 GFR/311-S以95:5的重量比加CT/1催化剂母粒。可用长径比L/D=18～25的挤出机。采用双螺纹螺杆时，要精确控温。各段温度如下：料筒130℃～150℃，机头150℃，口模150℃，螺杆60℃～80℃。GFR/315以97:3的重量比加CT/1催化剂母粒。挤出机长径比L/D=20～25，各段温度如下：料筒130℃～160℃，口模160℃～190℃，机头 140℃～160℃，螺杆50℃～60℃。从以上各牌号的无卤低烟阻燃材料看出，挤出工艺和设备都与常规聚氯乙烯挤出有差异，这是必须注意的控制条件。 交联电缆用催化剂母粒CT/1和CT/2是以聚烯烃为基料的催化剂，已包含防老剂和金属钝化剂，绝缘可直接与裸铜接触。使用前无须干燥，挤出时宜安装过滤板及100-400目滤网。CT/2可减小材料挤出时的剪切力使表面光洁。环境温度不超过30℃，不直接暴露在阳光下或在风雨中的条件下，包装无损的料储存期为6个月。每袋包装为25 kg。 表1 机械、物理、电气和阻燃性能 试验项目 典型值 单位 试验方法 GFR0203 GFR304-2 GFR311-S GFR315 23℃比重 1.41 1.36 1.31 1.46 g/cm3 ASTM D 792 邵氏硬度A/D 97/47 92 88/40 91/44 - ISO R 868 熔体流动速率150℃/21.6kg 4.5 1.6 3.4 2.2 g/10′ Padanaplast 老化前拉伸强度老化前断裂伸长率 13.5200 14150 11.4190 14200 MPa% IEC 60811 135℃168h空气老化后 拉伸强度变化率 断裂伸长变化率 +16-14 +15-5 +17+11 +17-13 %% IEC 60811 0.55MPa127℃40h老化后 拉伸强度变化率 断裂伸长变化率 +15-13 ---- ---- +13-11 %% IEC 60811 100℃下热变形K=1最大值 <50 90℃，<50 <50 % IEC 60811 -15℃下冷弯曲 通过 通过 -25℃通过 通过 IEC 60811 -15℃下冷冲击 通过 通过 -- 通过 IEC 60811 200℃ 0.2N/mm2热延伸 负荷下伸长率 冷却后永久伸长率 500 150 650 ---- %% IEC 60811 250℃ 0.2N/mm2热延伸 负荷下伸长率 冷却后永久伸长率 800 ---- ---- 500 %% IEC 60811 100℃，1小时收缩率 1.5 -- -- 1.5 % IEC 60811 100℃、24小时后吸水率 1.0 4.1 1.5 1.0 mg/cm2 IEC 60811 20℃时体积电阻率 8.1×1014 3.8×1014 4.1×1014 3.8×1014 W×cm IEC 60502 90℃时体积电阻率 2.4×1012 6.0×1012 5.4×1012 3.8×1012 W×cm IEC 60502 20℃时绝缘电阻常数 3000 1400 1500 1400 MW×km IEC 60502 90℃时绝缘电阻常数 9 22 20 14 MW×km IEC 60502 氧指数 30 34 32 31 %O2 ASTM D 2863 温度指数 290 320 305 290 ℃ NES 715 卤化物排放量 <0.1 <0.1 <0.1 <0.1 % IEC 60754-1 表2 试片燃烧特性 燃烧性能 典型值 单位 测试方法放出气体的酸度(pH) 5 - IEC 60754-2 放出气体的酸度(导电值) 5 uS/cm IEC 60754-2 毒性指数 1.5 - CEI 20-37 烟排放测试（3mm样片. 有焰）V0F4D max.Dc max.t 90% D max.t 100% D max. 33483449971200 ---ss ASTM E-662 烟排放测试（3mm样片. 无焰）V0F4D max.Dc max.T 90% D max.t 100% D max. 27436435692958 ---ss ASTM E-662 注：表1 和表2典型值取自硅烷交联的样片或电缆试样测试平均值。表3 交联电缆用催化剂母粒性能 性能 典型值 单位 测试方法 CT/1 CT/2 23℃时比重 0.9 0.92 g/cm3 ASTM D 792 190℃/2.16kg熔体流动速率 5.0 -- g/10′ Padanaplast 250℃ O.I.T. 30 30 min Padanaplast 注：以上典型值根据料样或压片平均测得
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上海电缆研究所高级顾问 张兆焕
从环境保护和火灾时安全性出发，不少场合指定使用无卤低烟阻燃电缆。这类电缆目前其绝缘大都为非阻燃交联聚乙烯；护套则为热塑性无卤低烟聚烯烃。这二种材料搭配的阻燃性并不很好。另外当电缆外径较大、材料品质欠佳和工艺设备不适的情况下，护套会出现开裂。采用硅烷交联无卤低烟阻燃绝缘和护套，可有效改进这些缺点。硅烷交联电缆的生产设备和工艺比较简单，各大小电缆厂均能投产。产品能满足多种场合使用要求，如公共娱乐场所、体育馆、医院以及高等院校实验大楼等。目前尚未有国产硅烷交联无卤低烟阻燃料供应。意大利潘德那公司介绍了四种无卤低烟材料，可以满足一般使用要求，但对于单根和成束阻燃试验要求特别苛刻的场合（如核电站1E级K3类电缆），恐怕还需要对材料或电缆结构作改进。以下对四种牌号的材料作简要介绍（如数据有差错则以该公司样本为准）： GFR/304-2 、GFR0203/01 、GFR/315 、GFR/311-S均为低烟无卤阻燃的硅烷交联聚烯烃材料，其中GFR/304-2可作电缆绝缘及护套，其余均为绝缘料。四种料均由硅烷预接枝阻燃复合物和催化剂母粒组成（两步法）。具有优异的机械性能、电性能和阻燃性能，不释放卤酸，具有自熄特点，可大量减少有毒腐蚀性气体的排放和烟雾的产生。由这些材料制成的电缆特别适合在要求具有高度安全性的公共场所使用。四种料的挤出工艺、交联条件、料的储存等基本相似，但基料和催化剂混合比有差别。这些料能符合相关标准，如Cenelec-HD22.1-S2-EI5，VDE0207-23-HJ1，VDE0250-503-HJ，IEC60092/351-HF85， CEI-20-11-GIO，OVE-K-81-IHN1和OVE-K81-8-IHN1标准。 GFR0203/01以97:3的重量比添加CT/1或CT/2催化剂母粒。为防止预交联，预接枝化合物与催化剂母粒是分开存放的，在临挤出之前方可混合，建议采用适当装置按剂量分别将两组份直接配入料斗中。为了防止预交联影响挤出时的质量，色母粒须在60℃烘箱内需烘8小时（料层厚4～6 cm），或真空干燥4小时，色母料一般加重量的1.5% 。挤出机长径比L/D=20～25 ，建议采用低压缩比（类似挤橡胶或无卤材料）的调温螺杆，也可用挤聚氯乙烯的螺杆低速挤出，不宜用挤聚乙烯的螺杆，料筒温控应精确。建议各段温度如下：料筒130℃～160℃，口模 160℃～190℃，机头140℃～160℃，螺杆50℃～60℃。高速挤出时建议在口模部分安装压力监视器。既可采用挤压式模具，也可采用挤管式挤出。交联方法：a.浸入60～70℃水中b.置于低压蒸汽中（0.15bar）c.在20～25℃，相对湿度50～70%的空气中存放数日。交联时间需根据绝缘厚度而定的，前两种方法，当绝缘厚度为1～1.2mm时，需4～6小时。在空气中自行交联时间要根据具体的环境而定。储存期：环境温度不超过30℃，不直接暴露在阳光下或在风雨中的条件下，存贮期为 6个月。材料开包后尽量在3～4小时内用完。另三种料的加工条件基本与上述相似，以下仅对不同之处进行补充： GFR/304-2以95:5的重量比加CT/1催化剂母粒。挤出机长径比为L/D=18～25，各段温度如下：料筒120℃～140℃，口模150℃，机头150℃，螺杆50℃～60℃。熔融温度不能超过170℃。筛网眼网 <100孔/cm2。 GFR/311-S以95:5的重量比加CT/1催化剂母粒。可用长径比L/D=18～25的挤出机。采用双螺纹螺杆时，要精确控温。各段温度如下：料筒130℃～150℃，机头150℃，口模150℃，螺杆60℃～80℃。GFR/315以97:3的重量比加CT/1催化剂母粒。挤出机长径比L/D=20～25，各段温度如下：料筒130℃～160℃，口模160℃～190℃，机头 140℃～160℃，螺杆50℃～60℃。从以上各牌号的无卤低烟阻燃材料看出，挤出工艺和设备都与常规聚氯乙烯挤出有差异，这是必须注意的控制条件。 交联电缆用催化剂母粒CT/1和CT/2是以聚烯烃为基料的催化剂，已包含防老剂和金属钝化剂，绝缘可直接与裸铜接触。使用前无须干燥，挤出时宜安装过滤板及100-400目滤网。CT/2可减小材料挤出时的剪切力使表面光洁。环境温度不超过30℃，不直接暴露在阳光下或在风雨中的条件下，包装无损的料储存期为6个月。每袋包装为25 kg。 表1 机械、物理、电气和阻燃性能 试验项目 典型值 单位 试验方法 GFR0203 GFR304-2 GFR311-S GFR315 23℃比重 1.41 1.36 1.31 1.46 g/cm3 ASTM D 792 邵氏硬度A/D 97/47 92 88/40 91/44 - ISO R 868 熔体流动速率150℃/21.6kg 4.5 1.6 3.4 2.2 g/10′ Padanaplast 老化前拉伸强度老化前断裂伸长率 13.5200 14150 11.4190 14200 MPa% IEC 60811 135℃168h空气老化后 拉伸强度变化率 断裂伸长变化率 +16-14 +15-5 +17+11 +17-13 %% IEC 60811 0.55MPa127℃40h老化后 拉伸强度变化率 断裂伸长变化率 +15-13 ---- ---- +13-11 %% IEC 60811 100℃下热变形K=1最大值 <50 90℃，<50 <50 % IEC 60811 -15℃下冷弯曲 通过 通过 -25℃通过 通过 IEC 60811 -15℃下冷冲击 通过 通过 -- 通过 IEC 60811 200℃ 0.2N/mm2热延伸 负荷下伸长率 冷却后永久伸长率 500 150 650 ---- %% IEC 60811 250℃ 0.2N/mm2热延伸 负荷下伸长率 冷却后永久伸长率 800 ---- ---- 500 %% IEC 60811 100℃，1小时收缩率 1.5 -- -- 1.5 % IEC 60811 100℃、24小时后吸水率 1.0 4.1 1.5 1.0 mg/cm2 IEC 60811 20℃时体积电阻率 8.1×1014 3.8×1014 4.1×1014 3.8×1014 W×cm IEC 60502 90℃时体积电阻率 2.4×1012 6.0×1012 5.4×1012 3.8×1012 W×cm IEC 60502 20℃时绝缘电阻常数 3000 1400 1500 1400 MW×km IEC 60502 90℃时绝缘电阻常数 9 22 20 14 MW×km IEC 60502 氧指数 30 34 32 31 %O2 ASTM D 2863 温度指数 290 320 305 290 ℃ NES 715 卤化物排放量 <0.1 <0.1 <0.1 <0.1 % IEC 60754-1 表2 试片燃烧特性 燃烧性能 典型值 单位 测试方法放出气体的酸度(pH) 5 - IEC 60754-2 放出气体的酸度(导电值) 5 uS/cm IEC 60754-2 毒性指数 1.5 - CEI 20-37 烟排放测试（3mm样片. 有焰）V0F4D max.Dc max.t 90% D max.t 100% D max. 33483449971200 ---ss ASTM E-662 烟排放测试（3mm样片. 无焰）V0F4D max.Dc max.T 90% D max.t 100% D max. 27436435692958 ---ss ASTM E-662 注：表1 和表2典型值取自硅烷交联的样片或电缆试样测试平均值。表3 交联电缆用催化剂母粒性能 性能 典型值 单位 测试方法 CT/1 CT/2 23℃时比重 0.9 0.92 g/cm3 ASTM D 792 190℃/2.16kg熔体流动速率 5.0 -- g/10′ Padanaplast 250℃ O.I.T. 30 30 min Padanaplast 注：以上典型值根据料样或压片平均测得
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