【科研速递】高阻燃聚氯乙烯电缆料的研究

摘要：

电缆在给社会提供便利的同时也带来了火灾的风险，PVC 材料因良好的阻燃性和低廉的价格，仍然是高阻燃的电缆料的优选材料。

关键词：

电缆；聚氯乙烯；高阻燃

一、聚氯乙烯（PVC）在电缆中作为被覆材料的应用

        不同领域、不同用途的光、电缆，结构差别很大，特别是成束电缆。但总体上来说，电缆总是包括导体和绝缘材料，以及其他辅助材料。导体作为传输载体，主要是金属和光纤。绝缘材料用于绝缘层、护套层。电缆根据不同的要求，还会有屏蔽或铠装，以及加强的芯、线或网，这些有的是金属材料、有的是其他材料。高分子材料因为自身的优良特性，如良好的机械性能、优秀的绝缘性能、出色的加工性能，合理的性价比等，所以被广泛的应用于电缆中， 特别是用于电缆的绝缘层、护套层。在这些高分子材料中，又以PVC居多，占到整个电缆料的70-80%。

        PVC的特性是耐电压和绝缘电阻较高，并具有阻燃、耐油、耐侯、耐化学品等性能，但介电常数和介质损耗较大，耐寒性较差。主要应用在一般主要用作低压（≤1KV） 和中高压（6～10KV）电缆的绝缘层、局部用通信电缆的绝缘、半导电屏蔽和各种电线电缆的护套，数据缆、信号缆以及光缆行业等。电缆料在PVC配方中属于性能要求较高的品种，特别是电绝缘性、耐低温性和耐老化性等都有一定要求。配方设计时必须考虑这些特殊的要求。PVC电缆料可分为护层级和绝缘级两种。护层级要求耐热性好，而绝缘级则要求绝缘性好。

        PVC电缆料应用广泛，在我国电缆行业占据半壁江山以上，但各企业生产水平差异较大，质量乘次不齐，为此制定了国家标准GB/T8815-2008《电线电缆用软聚氯乙烯塑料》来规范电线电缆用聚氯乙烯的质量。该标准和前一版相比，主要把耐温等级为H105改为H90Ⅱ，但人们日常仍然说该料为105℃料。该标准不利之处就是分裂人们常规对电缆料70/90/105℃料的划分，而且其老化温度和其他标准耐温等级不统一。

二、人们对PVC电缆料的看法

        随着人们对于安全性要求的提高，人们需要更好的阻燃和环保性能。PVC材料因为天然的阻燃性能，在电缆行业的应用得到迅速发展。但在发展中也逐渐暴露了一些问题，其中主要表现在以下三个方面。

01

重金属超标，PVC的稳定剂含铅、砷、钡等有毒有害元素，会对人体和环境造成危害

02

增塑剂问题，PVC 材料需要使用增塑剂，而使用最多的就是邻苯二甲酸酯类，如DOP（DEHP）等，而研究表面该类增塑剂对生物健康有不良的影响

03

燃烧时产生的浓烟以及有毒气体HCl、二噁英等等

        上述原因的存在，使人们对PVC电缆产生了质疑，并开发低烟无卤（LSZH）电缆料，近几年发展迅猛。

        针对PVC电缆料上述存在的问题，科研人员也进行了开发。目前在PVC电缆料中，环保钙锌稳定剂已经得到了广泛的应用，基本解决了重金属超标的问题。而随着非邻苯类增塑剂的开发和应用，安全性也进一步提高。对于PVC燃烧时产生浓烟和有毒气体等，科研人员也和其他材料如木材、聚乙烯、LSZH电缆料、棉花等进行了燃烧比较，发现PVC燃烧时产生的有毒其他并不比其他纯碳氢化合物严重。而且研究发现LSZH电缆料燃烧时产生的一氧化碳要比CMP电缆（UL阻燃等级）高，对几次含PVC材料的火灾研究表明其二噁英散发程度可以或略不计。

        目前对于PVC电缆的态度欧美有较大差异，欧洲对PVC电缆较为排斥，他们鼓励发展LSZH电缆，降低阻燃指标，但更注重降低发烟量，以降低火灾危害。美国不排除PVC材料，增加阻燃性能，并适当情况下添加抑烟剂降低发烟量，并由美国保险商实验室（UL）制定了电缆的阻燃标准来保证。中国在一定程度上学习欧洲，发展LSZH电缆，一些地方政府也出台法规限制PVC电缆的应用，鼓励LSZH电缆。但因为PVC价格较低，综合性能不错，数量巨大，应用非常广泛。 

       2014年12月5日,国家标准化管理委员会批准发布强制性国家标准GB31247-2014《电缆及光缆燃烧性能分级》。该标准为首次发布,将于2015年9月1日起实施。该标准不再局限于有卤、无卤，而是统一规定了阻燃及烟气毒性的要求，有利于规范阻燃光、电缆的选用。

三、高阻燃聚氯乙烯电缆料的开发

        PVC阻燃电缆料应用广泛，如何在保证电缆料的机械力学性能、电性能、环保性能的基础上制备出高阻燃效果且价格低廉的PVC电缆料是研究的重点。高阻燃PVC电缆料的设计思路为利用阻燃填料代替常规的碳酸钙作为填料， 并用阻燃型增塑剂部分代替常规增塑剂，并添加无机阻燃剂和抑烟剂，来提高PVC电缆料阻燃抑烟性。见表一。

表一 实验用原材料

        高阻燃PVC电缆料的基准配方为：S-70树脂粉100 份，DOTP40份，环氧大豆油5份，氢氧化铝20份，氢氧化镁20份，钙锌稳定剂5份，聚乙烯蜡和硬脂酸各0.5份。结合性价比，选择三氧化二锑（Sb2O3）、锡酸锌（ZS）、八钼酸铵（AOM）、纳米粘土（Nanofil）、硼酸锌（ZB）等作为我们考察的阻燃剂品种，并选择四溴苯酐酯作为阻燃增塑剂部分替代常规增塑剂。三氧化二锑阻燃效率高，但发烟量较大。硼酸锌、锡酸锌既有阻燃作用，也有一定抑烟性。八钼酸铵是目前效果做好的抑烟剂，但价格较高。四溴苯酐酯作为阻燃增塑剂，其阻燃效率高，且对力学性能、电性能影响不大，老化性能也很好，可以通过UL1581 的105℃老化试验。

        本研究利用基准配方，首先考察了单一阻燃剂的量对抗张强度和伸长率、硬度氧指数、密度、发烟量、低温冲击性能等指标进行考察。

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注

以上内容节选自《光电通信》杂志，欲了解更多内容，敬请预览该杂志2016.3/4月刊。