賞析低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料性能、擠塑裝備及工藝推薦

低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料性能、擠塑設(shè)備及工藝推薦低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料性能、擠塑設(shè)備及工藝推薦無錫杰科塑業(yè)有限公司游泳摘要：本文針對低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料從配方技術(shù)、性能、擠塑設(shè)備及工藝等幾個方面做一分析，希望能為無鹵阻燃聚烯烴電線電纜生產(chǎn)廠家提供參考，以便更好地選擇無鹵電纜料品種、擠塑設(shè)備及制定合理的擠塑工藝。隨著我國冶金、電力、電子、自動化及信息化網(wǎng)絡(luò)等行業(yè)的迅猛發(fā)展，使得與之配套的電線電纜特別是阻燃電線電纜的用量急劇增加，包括電力電纜、控制電纜、信號電纜、儀器儀表電纜、計算機電纜等。傳統(tǒng)的阻燃電纜一般采用聚氯乙烯做為護套，雖然聚氯乙烯材料具有阻燃性好、價廉、擠出工藝好等特點，但由于其含有鹵素，燃燒時會放出大量鹵化氫氣體和濃煙，造成火災的“二次危害”，從而加大了火災的損失。尤其是很多科學研究已證實，鹵化物對人體健康與環(huán)境所造成的損害已愈來愈嚴重，人們越來越重視環(huán)保，歐盟和日本一些大公司例Sony、Toshiba等都提出了對聚氯乙烯限制使用的條例；在國內(nèi)，北京市供電局1998年3月發(fā)文規(guī)定禁止PVC類電線電纜在該局系統(tǒng)內(nèi)使用，2002年華東建筑設(shè)計研究院推出的《民用建筑電線電纜防火設(shè)計規(guī)程》明確提出了使用低煙無鹵電線電纜的要求。以上這些，使得不含鹵素的低煙無鹵阻燃電纜料得到廣泛的使用并呈現(xiàn)出很大的發(fā)展?jié)摿?，特別是在地鐵、船艦、高層建筑和石油平臺用電纜、家用電器用電線、汽車低壓電線等場合大有完全取代聚氯乙烯之勢。目前使用的低煙無鹵阻燃電纜料通常有聚烯烴和乙丙橡膠兩大類，其中以低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料為主流，本文將對低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料的配方技術(shù)、性能、擠塑設(shè)備及工藝做一分析。一、配方技術(shù)低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料通常由聚烯烴共混樹脂加阻燃填充劑氫氧化鋁、氫氧化鎂和一些為了提高耐熱壽命而添加的適量抗氧劑組合而成。有時為了降低其燃燒時的發(fā)煙量，還加入了一些發(fā)煙抑制劑，如釩、鎳、鉬、鐵、硅、氮系化合物。其阻燃機理為：燃燒時，阻燃填充劑氫氧化鋁、氫氧化鎂會釋放出結(jié)晶水，吸收大量熱量；與此同時，脫水反應(yīng)會產(chǎn)生大量水蒸汽，它可以稀釋可燃性氣體，從而阻止燃燒，另外會在材料表面形成一層不熔不燃的氧化物硬殼，阻斷了高聚物與外界熱氧反應(yīng)的通道，最終材料阻燃、自熄。低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料要具有較好的阻燃性，配方中氫氧化鋁、氫氧化鎂必須有較大的填充量，通常要達到150份以上，而大量的無機阻燃劑填充必將導致材料在物理機械性能、電氣性能和擠塑工藝性能方面大大劣化。為了解決其阻燃性和物理機械等性能方面的平衡，使材料能充分滿足最終使用的技術(shù)要求，常用的方法有：一方面對聚烯烴材料進行改性、接枝，以提高聚烯烴材料極性；另一方面是對無機阻燃劑的表面進行化學改性，通常用偶聯(lián)劑處理。二、性能大量無機阻燃劑的使用賦予了低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料阻燃、低煙、無鹵、低毒等特性，同時也使其在物理機械性能、電氣性能和擠出工藝性能等方面與其他非阻燃及含鹵阻燃材料存在差異。由于低煙無鹵電線電纜使用場合及其配套產(chǎn)品生產(chǎn)工藝不同，性能要求也不盡相同，如在抗張強度、斷裂伸長率、老化溫度和指標、體積電阻系數(shù)、耐油性能、耐刮磨性能、柔軟性、阻燃要求等方面，不同的電纜往往有所偏重。在無鹵材料技術(shù)中，以上有的指標是相互制約的，不可能有一種全能的產(chǎn)品能滿足以上所有各類電線電纜的要求，比較突出的是：斷裂伸長率與阻燃性之間的矛盾、柔軟度與熱變形及老化性能之間的矛盾。材料廠家能做到的只能是在滿足基本性能要求的基礎(chǔ)上，在某些性能之間進行優(yōu)劣平衡，以不同牌號的產(chǎn)品適應(yīng)不同要求的電線電纜。以下對常規(guī)低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料性能做一介紹。1、阻燃特性低煙無鹵阻燃電纜料除具有阻燃性外，與含鹵阻燃電纜料相比，還具有低煙、無鹵、低腐蝕、低毒等特性。（1）氧指數(shù)目前在國內(nèi)主要以GB/T2406方法來測試常溫下阻燃電纜料的氧指數(shù)，以考核材料的阻燃性，高溫下的氧指數(shù)對阻燃電線電纜來說盡管也比較重要，但因為測試條件等因素，一般很少進行測試。另外一個與材料阻燃性密切相關(guān)的參數(shù)——溫度指數(shù)也很少測試。其測試方法在NES715中有規(guī)定，表示了在環(huán)境溫度到底升到多高時，材料能在空氣中點燃。低煙無鹵電纜料常溫下氧指數(shù)達到33-35即可滿足一般電纜阻燃要求，其溫度指數(shù)為300左右。氧指數(shù)作為世界范圍內(nèi)最常用的燃燒試驗，并不能作為判斷材料阻燃性的唯一指標，材料自熄性的考核似乎更能貼切地衡量材料的阻燃性能。例如聚氯乙烯或含鹵阻燃聚烯烴氧指數(shù)只要達到30左右，用其做為絕緣截面為0.5mm2的電線即可通過UL標準中的VW-1燃燒試驗，而低煙無鹵阻燃聚烯烴材料氧指數(shù)即使達到34以上，也未必能滿足VW-1燃燒要求。另外，同樣是低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料，氧指數(shù)高的產(chǎn)品自熄性也未必就好。例如：用碳酸鈣和聚硅氧烷作阻燃劑的無鹵料經(jīng)過適當?shù)幕呐浜希踔笖?shù)可做得較高，甚至達到36-38，但很可能自熄性不如氧指數(shù)為32-34的聚烯烴/礦物氫氧化物體系。國外有的用戶已開始采用UL94中的V-0等級來考核無鹵材料的自熄性，作為對氧指數(shù)考核指標的補充?，F(xiàn)在在阻燃指標方面，有一種更為接近實際燃燒性能的錐體量熱計法越來越受到人們的關(guān)注，該方法可對材料燃燒時的著火時間、發(fā)熱速度、總發(fā)熱量等燃燒參數(shù)進行定量評價。經(jīng)實驗表明，發(fā)熱速度越大的無鹵材料，向周圍傳播熱量越容易，越有可能擴大燃燒范圍，即易于延燃、自熄性差，而氧指數(shù)高的無鹵材料發(fā)熱速度不一定就比氧指數(shù)低的發(fā)熱速度小。盡管單純用氧指數(shù)來考核材料的阻燃性，存在一定的局限性，但由于其測試方法簡便易行，且對于同一類材料在絕大多數(shù)情況下來說還是可以相對表明其阻燃性的差異，所以通常把氧指數(shù)作為材料阻燃性的一項考核指標，也未嘗不可。（2）煙密度成品電纜一般采用GB/T17651的成束燃燒方法測試電纜燃燒后的透光率來考核電纜低煙性能，低煙無鹵電纜透光率達到60%以上符合要求。對材料來說，一般采用GB/T8323的方法來測試其有焰及無焰燃燒時的最大煙密度Dm，以此來考核材料的發(fā)煙性能。低煙無鹵電纜料燃燒時的發(fā)煙性遠低于含鹵阻燃電纜料，其指標一般為有焰Dm≦100,無焰Dm≦200,而含鹵阻燃電纜料有焰及無焰Dm均為300以上。（3）鹵素含量目前有IEC754-1和MIL-C-24643A兩種方法用來測定鹵素及氫鹵酸氣體含量。前者不適于鹵酸氣體含量低于5mg/g的場合，即不適于無鹵材料含鹵量的測定，后者為采用χ射線原理測量體系鹵元素的含量，測試精度為0.2%，嚴格意義上來說憑此方法也不能完全判定被測材料是否絲毫不含鹵素。因此很多無鹵材料標準中不將鹵素含量做為一項考核指標，更多地是通過PH值及電導率來表征其無鹵性。只有BS、IEC等標準中將無鹵體系中鹵化氫釋放量的指標定在≦5mg/g，作為分界點考核。——————————黑夜給了我黑色的眼睛讓我去尋找光明guodong角色：注冊會員等級：技術(shù)員威望：7性別：積分：75發(fā)帖：575經(jīng)驗：1378注冊時間：2007-11-2411:03:06最后登陸：2011-7-2516:26:11[發(fā)短信息][加為好友][搜索發(fā)帖][查看資料]引用回復[離線]POST2010-2-415:02:23No.2[編輯][刪除]（4）腐蝕性IEC1991年公布IEC754-2，通過測定PH值和電導率來測試電纜材料燃燒時釋放氣體的酸度，并規(guī)定測得PH≧4.3及電導率≦10μs/mm為無鹵、低腐蝕標準。IL-C-24643A規(guī)范中規(guī)定電纜材料燃燒時釋放出的氣體，鹵素含量≦0.2%作為無鹵、低腐蝕性標準。低煙無鹵電纜料PH值一般為4.5-6.0,電導率為0.7-5μs/mm。（5）毒性指數(shù)毒性指數(shù)目前主要采用NES713，即氣體分析法來檢測，英國海軍在海軍工程標準NES518-1983“降低火災危險的電纜護套規(guī)范”中規(guī)定了無鹵材料毒性指數(shù)不大于5，國內(nèi)通常也采用這一指標，但國外對一些無鹵絕緣產(chǎn)品也有不大于3的要求。2、物理機械及電氣性能由于大量的無機阻燃劑填充，使低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料的物理機械性能及電氣性能比非阻燃及含鹵阻燃聚烯烴電纜料均有所降低，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）抗張強度及斷裂伸長率降低。無鹵電纜料抗張強度在10-14Mpa左右，斷裂伸長率在150-250%左右；（2）抗老化性能有所降低。大量無機阻燃劑的加入，使無鹵電纜料抗老化性能受到較大影響。熱塑型無鹵阻燃電纜料一般以經(jīng)100℃×168hr老化后，抗張強度及斷裂伸長率變化率不大于±30%做為考核指標；（3）熱變形變大。由于無鹵阻燃電纜料中高VA含量EVA比例較大，致使其耐熱變形性能較差，一般以80℃×4hr變形率不大于50%做為考核指標；（4）柔軟度較差。一般無鹵阻燃聚烯烴電纜料邵氏A硬度均超過HA90，邵氏D硬度超過HD40。（5）耐外傷性能較差，經(jīng)外力擦劃后易有傷痕。該性能的降低程度與配方有密切關(guān)系，不同品種的無鹵電纜料差異很大。（6）耐潮濕性能較差。由于無機阻燃劑氫氧化鎂、氫氧化鋁的加入，使無鹵阻燃電纜料極易吸濕，若無真空鋁箔包裝，常態(tài)下其貯存期最好不要超過1個月，否則將吸潮影響使用。經(jīng)對比實驗發(fā)現(xiàn)，無鹵阻燃電纜料浸水一天后，體積電阻率將下降60~80%。（7）體積電阻率及電氣擊穿強度有所下降。與含鹵阻燃聚烯烴電纜料相比下降并不很明顯，但與非阻燃聚烯烴電纜料相比下降卻比較明顯。（8）介電常數(shù)ε及介質(zhì)損耗角正切tgδ急劇下降。這與大量填充劑的加入密切相關(guān)。表1為低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料與聚氯乙烯、含鹵阻燃聚烯烴及非阻燃聚烯烴電纜料一些性能比較。——————————黑夜給了我黑色的眼睛讓我去尋找光明guodong角色：注冊會員等級：技術(shù)員威望：7性別：積分：75發(fā)帖：575經(jīng)驗：1378注冊時間：2007-11-2411:03:06最后登陸：2011-7-2516:26:11[發(fā)短信息][加為好友][搜索發(fā)帖][查看資料]引用回復[離線]POST2010-2-415:06:45No.3[編輯][刪除]PH值4.5~6.01~21~2－－電導率μs/㎝7~50－－470~600－－鹵素氣體發(fā)生量mg/g0190~30012~1000毒性指數(shù)（NES713）0.7~3.015.2>51.77二惡英發(fā)生可能無有有無耐SAE20#機油（70℃×4hr）抗張強度變化率斷裂伸長率變化率%%-10~-30+10~-20+10~+20+10~+40-10~-30-10~-30-10~-30-10~-30吸水性（23℃×24hr）mg/cm21.0~2.50.5~1.00.5~1.00.5~0.6耐外傷稍差好較好好經(jīng)濟性稍差優(yōu)較好好——————————黑夜給了我黑色的眼睛讓我去尋找光明guodong角色：注冊會員等級：技術(shù)員威望：7性別：積分：75發(fā)帖：575經(jīng)驗：1378注冊時間：2007-11-2411:03:06最后登陸：2011-7-2516:26:11[發(fā)短信息][加為好友][搜索發(fā)帖][查看資料]引用回復[離線]POST2010-2-415:07:11No.4[編輯][刪除]三、擠塑設(shè)備及工藝低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料中不熔化的氫氧化鎂、氫氧化鋁含量達到60%以上，使其在塑化溫度下具有比聚氯乙烯、非阻燃及含鹵阻燃聚烯烴電纜料更高的粘度。這一特點導致了低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料在擠塑設(shè)備及工藝上與其他電纜料有所不同。（1）擠塑設(shè)備電線電纜擠塑成型設(shè)備最基本和最通用的是單螺桿擠出機。螺桿是擠出機的最主要部件，關(guān)系到擠出機的應(yīng)用范圍和生產(chǎn)效率。為適應(yīng)不同塑料的加工，螺桿種類很多，結(jié)構(gòu)上也有些差異。表示螺桿結(jié)構(gòu)特征的基本參數(shù)有直徑、長徑比、壓縮比、螺距、螺槽深度、螺旋角、螺桿與料筒間隙等。螺桿結(jié)構(gòu)特征的基本參數(shù)對塑料混煉、成型效果影響都較大。螺桿直徑越大，加工能力越大。長徑比越大，能改進物料溫度分布，有利于塑料的混合和塑化，但長徑比過大時，會使塑料受熱時間增長易引起降解，并增大擠出機的功率消耗；長徑比過短，易引起混煉不好、塑化不良。經(jīng)過實踐表明，低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料使用L/D為20―25的螺桿均可以得到較為理想的表面，但相比而言L/D為20的螺桿擠出表面更加光潔。這是因為低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料中高填充量的氫氧化鎂或氫氧化鋁，在L/D為25的螺桿中受熱時間較長后易有分解的危險而影響擠出表面質(zhì)量。就螺桿壓縮比、螺槽深度、螺旋角、螺桿與料筒間隙等方面而言，壓縮比越大、螺槽深度越淺、螺旋角越小、螺桿與料筒間隙越小對塑料產(chǎn)生的剪切作用和摩擦力增大，物料在螺桿中的剪切生熱也越大，容易引起物料熱機械分解，這些都對低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料的擠出不利，易造成不良擠出表面。所以，相比之下PVC螺桿（壓縮比較小、螺槽深度較深、螺旋角較大、螺桿與料筒間隙較大）比聚乙烯螺桿更適于低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料的擠塑成型。一般擠出低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料時，螺桿壓縮比在1.1：1至3：1之間比較適宜。目前，很多電纜廠為進一步提高生產(chǎn)效率和擠出電纜表面質(zhì)量而采用的所謂“低煙無鹵專用螺桿”壓縮比一般在1.1―1.5左右。對低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料來說，還存在擠出機選型的問題。L/D為20―25的普通單螺紋螺桿擠出機最適合于這類電纜料，而剪切作用較大的雙螺紋螺桿、屏障式螺桿、帶密煉塊螺桿擠出機等則較難適應(yīng)。使用這些擠出機擠塑低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料時，一方面易出現(xiàn)上文提到的溫度難控、擠出表面不太理想等情況，另外還會出現(xiàn)螺桿轉(zhuǎn)距、主機電流較大的現(xiàn)象。電纜生產(chǎn)廠家在使用低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料時必須注意到這一點。擠塑設(shè)備中另一影響低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料擠塑性能的因素是擠出機的溫控裝置。因低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料在擠出過程中粘度較大，摩擦生熱大，這就要求擠出機要有較好的冷卻裝置才能保證穩(wěn)定地控制工藝溫度，這是擠塑工藝中不容忽視的一個問題。經(jīng)多次實踐表明，低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料要求擠出機最起碼要做到各溫控區(qū)都有風冷，才能保證控溫良好，擠出表面穩(wěn)定。很多使用過這類材料的電纜生產(chǎn)廠家都有這種經(jīng)驗。這是由該類材料的本性所決定的。（2）擠塑模具低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料與聚氯乙烯、非阻燃及含鹵阻燃聚烯烴電纜料相比，在熔融狀態(tài)下熔體強度、拉伸比、熔體粘度存在較大差異，從而要求擠塑成型時模具的選配也有所不同。一般來說，擠壓式、半擠管式及擠管式模具均適用于低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料，但從制成電纜表面質(zhì)量比較而言，擠壓式最好，半擠管式次之，擠管式稍遜。使用擠壓模時，因低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料熔體粘度大使得機頭壓力增加、擠出制品壓得較密實，導致離模時會有所膨脹，可選用模套內(nèi)徑尺寸比成線標稱外徑小5%左右；使用半擠管式或擠管式模具時，必須考慮到低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料的拉伸比。筆者經(jīng)過對多種阻燃聚烯烴電纜料進行工藝試驗發(fā)現(xiàn)，聚氯乙烯、非阻燃及含鹵阻燃聚烯烴電纜料拉伸比可達6~7左右，低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料拉伸比可達2.5~3.2左右當然，模具選配拉伸比越小，擠出表面會愈光潔，但這在實際生產(chǎn)中是不大可能的，也不可取，一般情況下，選擇拉伸比為1.7~2.0的較多。針對低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料通常擠塑于繞包層外作為阻燃護套的特點，經(jīng)過摸索，認為擠塑低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料時模芯、模套采用如下配比較為合理：模芯內(nèi)徑=繞包層外徑+1~1.5mm，模套內(nèi)徑=電纜標稱外徑+2~7mm。（3）擠塑工藝擠塑工藝主要包括工藝溫度及螺桿轉(zhuǎn)速的設(shè)置。隨配方體系不同各種低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料的擠塑工藝溫度也有所不同。另外，同一種料在不同的擠塑設(shè)備