CN101292304B - 具有耐火涂层的数据和/或电力传输缆线及使该涂层耐火的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过在涂层中引入至少一种阻燃剂而使数据和/或电力传输缆线的涂层耐火的方法。本发明特征在于所述引入在制备所述涂层后进行，并且采用超临界流体进行。

Description

具有耐火涂层的数据和/或电力传输缆线及使该涂层耐火的方法
本发明涉及一种具有耐火涂层的数据和/或电力传输缆线，和使数据和/或电力传输缆线的涂层耐火的方法。
在已知的方式中，如果着火，用于传输电力和/或传输信息的电缆和/或光缆的让受方期望避免火焰沿着缆线蔓延，即使当其是垂直放置时，并防止覆盖缆芯的绝缘材料和/或护套滴下。
为改善缆线的耐火极限性能，第一种常规的方法是在安装缆线后将耐火(膨胀)涂料涂覆在该缆线上。在该方法中，处理仍然是表面的，渗透深度小，并且不能使涂层耐火至其芯。
另外，填充组分呈现出高粘度，它们通常难以加工，并且使用的有机溶剂价格贵且有污染。
第二种传统的方法是在制备缆线的过程中在绝缘材料中引入卤代或非卤代阻燃剂，通常在用于得到绝缘材料的聚合物组合物仍然是液体时。
这种引入技术不能控制这种阻燃剂分布的方式，使得在一定的填料浓度下缆线的耐火性能和机械性能都不令人满意。为了耐火程度令人满意，因此必须以约60％的浓度引入填料，这降低机械性能。
另外，由于制备缆线的工作温度通常高于160℃，因此不能使用呈现出差的耐高温能力的防火剂。例如，氢氧化铝从200℃开始分解，从而限制了可用于制造的温度范围。氢氧化镁可以在较高的温度下使用，但是由于混合物粘度的增加，制造速度受到限制。
本发明寻求提供一种在缆线涂层中引入至少一种阻燃剂的方法，该方法导致更好的控制阻燃剂在涂层中的分布，且优选是廉价的，在效率方面得到优化而不影响环境。
为此，本发明提出一种在数据和/或电力传输涂层中引入至少一种阻燃剂的方法，该方法特征在于所述引入在所述涂层制备后进行，并通过超临界流体进行。
超临界流体技术能够在缆线涂层制造后、在护套和/或绝缘材料中且在缆线安装前对任何缆线涂层赋予或改善耐火极限。
所述引入是在闭路例如在高压釜中进行的，因此逃到大气中的量非常少。
有利地，超临界流体可为二氧化碳(CO2)。
在优选的实践中，阻燃剂可选自以下非卤代化合物的至少一种：金属氢氧化物；金属碱式碳酸盐；硅石；层状硅酸盐(phylosilicates)；碱式锡酸(hydroxystannate)锌和锡酸锌；磷的衍生物；和硼化合物。
在金属氢氧化物中，可提及氢氧化镁、三水合铝、水菱镁矿、氢氧化钙和柠檬酸镁。金属氢氧化物是天然或合成的，经过或未经过表面处理，及具有不同的粒度。
在金属碱式碳酸盐中，可提及碳酸钙和碳酸镁。
这些试剂可以单独使用或者组合使用，随材料分解温度和期望获得的耐火极限而变。
磷的衍生物通过形成保护炭化层来改善材料耐火的能力。
类似的，硼化合物例如金属硼酸盐(如硼酸锌、硼酸钙)是有效的阻燃剂。
如果硼化合物和金属氢氧化物组合使用，则硼化合物可具有协同效应。无机化合物如金属氢氧化物吸热性地分解，释放水分子，因此具有降低材料温度的结果并从而减缓其分解速率。
在另一优选实践中，所述阻燃剂可选自以下一种卤代化合物的至少一种：基于氯的卤代化合物和基于溴的卤代化合物。
在该优选实践中，选择小于160℃的引入温度。
在这种配置中，加热处理浴所需的能量消耗特别低。
选择非常低的引入温度以适应水合物的差的高温性能，例如柠檬酸盐，其在160℃的温度下分解。
该耐火方法可包括以下操作步骤：
.保持流体在超临界状态的流体预定的持续时间以得到在涂层中的引入；
.除去超临界流体；和
.回收具有耐火涂层的缆线。
本发明的另一目的是开发具有涂层的缆线，该涂层是耐火的并具有良好的机械性能，该缆线优选廉价，并可容易且迅速地制造。
为此，本发明提供一种包含耐火涂层的数据和/或电力传输缆线，该耐火涂层由引入有至少一种阻燃剂的材料制成，该缆线特征在于所述涂层呈现出浓度梯度，使得所述至少一种阻燃剂在涂层外表面的浓度高于所述至少一种阻燃剂在涂层内表面的浓度。
术语“外表面”定义为离所述缆线的轴较远的涂层表面。
相反，术语“内表面”对应于离所述缆线的轴较近的涂层表面。
这样，本发明的涂层因其表面具有高浓度的阻燃剂而呈现出耐火性能，且由于通过其体积的浓度降低而呈现出增强的机械性能。
在第一实施方式中，所述阻燃剂可选自以下非卤代化合物的至少一种：金属氢氧化物；金属碱式碳酸盐；硅石；层状硅酸盐；碱式锡酸锌和锡酸锌；磷的衍生物；和硼化合物。
在另一实施方式中，其可选自基于氯或基于溴的卤代化合物，例如多溴联苯和多溴联苯醚。
本发明的特征和优点在参考附图阅读以下说明性描述和非限制性实施例时清楚地显现，其中：
图1是在本发明优选实施方式中本发明的电力传输缆线的图解横截面图。
图2和3是显示用于实施本发明的方法的设备的示意图，本发明的方法通过在涂层中引入至少一种阻燃剂使能量或数据传输缆线的涂层耐火。
图1是电力传输缆线1的横截面，该缆线包括例如覆盖在护套3中的传输部件2如电导体，该电导体例如由铜制成，护套3本身覆盖在引入阻燃剂5的绝缘材料例如聚乙烯型聚合物的涂层4中，该阻燃剂优选硼化合物和金属柠檬酸盐的混合物。
所述涂层4包括和护套3接触的内表面42以及外表面41，所述外表面41比所述内表面42更远离电导体2的轴。
根据本发明的目的，阻燃剂5在涂层4外围或外表面41的浓度高于其在涂层4内表面42的浓度。
例如，在所述涂层外表面的所述浓度可为相对于所述涂层的全部组成的40重量％填料，即在外围每立方厘米(cm3)涂层0.80克(g)阻燃剂，所述浓度逐渐降低以在所述涂层的中心达到相对于所述涂层的全部组成的10重量％填料，即在中心每cm3涂层0.20g阻燃剂，然后在所述涂层内表面达到相对于所述涂层全部组成的0重量％填料的浓度。
一般地说，本发明同样良好地应用于电力传输缆线和通讯缆线、数据缆线、电缆或光缆。
本发明的方法涉及通过超临界流体在涂层中引入至少一种阻燃剂使电力或数据缆线的涂层耐火的方法。涂层材料是绝缘材料和/或护套材料。超临界流体优选CO2用作在涂层中引入阻燃剂的媒介溶剂。超临界流体有利地代替在常规浸渍处理中在缆线已安装后使用的非水性有机溶剂，该非水有机溶剂经常需要昂贵的再处理。
超临界状态组合了液体的分子密度和气体的分子迁移率这两个在界面反应机理中必要的参数。另外，因为超临界流体的表面张力是可忽略的，它可更容易渗入聚合物材料中。
超临界流体技术能够通过阻燃剂的浓度梯度实现本发明所教导的耐火性能的优化。处于超临界状态的流体的温度和压力条件取决于流体的临界点以及涂层材料的性质和所选择引入的阻燃剂。
超临界流体的溶解能力主要取决于以其压力、其温度和其密度描述的其物理状态和其化学性质，特别是其极性。当超临界流体的密度增加时，平均分子间距减小，从而促进溶剂和阻燃剂之间特定的相互作用。
处理的持续时间取决于处于超临界状态的流体的温度和压力条件，涂层材料的性质，和所选择引入的阻燃剂，以及还取决于在深度处所需的量和浓度梯度。
在恒定温度下，超临界流体的密度随着压力增加。对于给定压力，温度的提高将引起阻燃剂蒸气压的升高，从而提高其挥发性。同时，这将引起溶剂密度的降低，从而降低其溶解能力。因此对于溶解度，有两种竞争效果。在低压下，溶解度随着温度的升高而降低，但在高压下效果相反。
在高压和相对低的温度下工作是有利的。
由于可进行所述方法直到引入反应器中的量用完，这也使得能够更有效地利用阻燃剂的量，从而避免损失和浪费。效率处于最大，且任何情况下可容易地回收还未引入的剩余阻燃剂。
图2和3是用于实施本发明方法的设备的示意图，本发明的方法通过超临界流体在涂层中引入至少一种阻燃剂使电力或数据缆线涂层耐火。
该设备包括连接到泵11的CO2源10，该泵11本身连接到具有可调节的温度和压力的管状反应器6例如高压釜。
阀12使得源10能与泵11和反应器6隔离。
反应器6包括管状主体61、底62和配有用于引入CO2的工具(未标明)及连接到泵11的盖63。
如在图3中可见的，布置盖63以通过温度探针7，压力探针8和驱动系统90，该驱动系统90用于驱动配置在底62附近的搅拌器91。
在管状主体61内部，放置有具有待被耐火的外涂层4的能量或数据缆线，和用于在涂层中引入的至少一种阻燃剂5放置在底62上。
阻燃剂5优选选自以下非卤代化合物：金属氢氧化物；金属碱式碳酸盐；硅石；层状硅酸盐族；碱式锡酸锌和锡酸锌；磷的衍生物；和硼化合物。
在一个变式中，反应器中含有两种阻燃剂，第一种是硼化合物和第二种是以下无机化合物中的一种：金属水合物；金属氢氧化物；和优选金属柠檬酸盐。
在操作中，CO2从源10引入反应器中。
CO2因其临界参数(临界温度等于31℃和临界压力等73巴)而成为特别有利的超临界流体。
可调节超临界CO2溶解化学物质的性质。超临界CO2是可商购的最廉价的有机溶剂，它无毒，对环境没有影响，并且相对于聚合物型材料是惰性的。
CO2还可仅通过反应器减压来纯化。
使CO2达到并维持在所选的超临界条件，优选温度低于165℃，如等于约100℃，对于所选压力例如等于7.38兆帕(MPa)，和其密度为0.132克每立方厘米(g/cm3)。
CO2的粘度为约10-7帕秒(Pa.s)。其低粘度促进传质。
为了引入的目的，CO2通过如下从反应器和涂层4中除去：使压力和温度达到环境压力和温度并容许CO2在这种条件下从涂层中逸出。由此得到具有耐火涂层的缆线，例如图1所示的缆线。
比较的例子
制备三个缆线样品用于比较它们的耐火性能。所述样品均适用于用作电力和/或通讯缆线。
三个样品各自包括覆盖在厚度500微米的聚乙烯绝缘护套中的直径1毫米的铜导体和厚度为1毫米的涂层。
构成绝缘护套聚合物对于全部三个样品是共同的。具体来说，其由聚乙烯制成。
三个样品的涂层具有不同的组成：
样品1的涂层是由100重量％的乙烯和醋酸乙烯酯(EVA)共聚物的化合物，且不含有任何阻燃剂。
样品2的涂层是由50重量％(相对于全部组成)的乙烯和醋酸乙烯酯(EVA)共聚物和50重量％(相对于全部组成)的氢氧化镁组成的均匀混合物。涂层材料通过以下材料混合制备：500g含有28重量％醋酸乙烯酯的乙烯和醋酸乙烯酯(EVA)共聚物(由供应商Arkema以商标Evatane 28-03销售的产品)和500g由供应商Albemarle以名称Magnifin H10销售的氢氧化镁。混合在圆筒混合机中在160℃下30转每分钟的转速下进行20分钟的持续时间；和
样品3初始由100％乙烯和醋酸乙烯酯(EVA)共聚物组成。然后将样品3在存在500g由供应商Albemarle以名称Magnifin H10销售的氢氧化镁的情况下置于高压釜中，以进行超临界CO2处理。该操作应用上述方法来进行。在高压釜中，使CO2达到温度100℃和压力7.38MPa的超临界条件，该条件保持约2小时。在处理的结尾，通过使压力和温度达到环境压力和温度并容许CO2在该条件下逸出而将CO2从反应器中除去。在处理后，样品3的涂层由包括乙烯和醋酸乙烯酯(EVA)共聚物和氢氧化镁的非均匀混合物组成，其中阻燃剂(氢氧化镁)在涂层的外表面的浓度较高。评估在所述涂层中氢氧化镁的浓度，在涂层外表面为65重量％(相对于全部组成)，和在其内表面为0％。
根据IEC 60332-1标准评估所有三个样品的火行为。表1总结三个样品各自得到的耐火性能。每次测试最大的持续时间是10分钟，并且用于评估传播时间，其应该尽可能长。
         表1
  样品   传播时间(秒)
  1   205
  2   410
  3   560
首先，应当观察到样品2相对于参比样品1具有较好的性能。传播时间延长了205秒。该结果并不令人惊讶，因为样品2的涂层含有阻燃剂，而样品1的涂层不含任何阻燃剂。
样品3可与样品2比较，因为它们两者具有含有相同的耐火填料的涂层。可以发现样品3的传播时间相对于样品2延长了150秒。使用通过超临界CO2的处理因此导致在涂层外表面的较高的阻燃剂浓度，并使得能够实现传播时间的更大改善。

Claims (8)

1.一种通过在涂层中引入至少一种阻燃剂使数据和/或电力传输缆线涂层耐火的方法，该方法特征在于所述引入在制备所述涂层后进行，并且通过超临界流体进行，
其中该超临界流体是二氧化碳，并且其中所述超临界流体用作在涂层中引入阻燃剂的媒介溶剂，使得在涂层中形成阻燃剂的浓度梯度。
2.根据权利要求1的使缆线涂层耐火的方法，该方法特征在于所述至少一种阻燃剂选自以下非卤代化合物的至少一种：金属氢氧化物；金属碱式碳酸盐；硅石；层状硅酸盐(philosilicates)；碱式锡酸锌和锡酸锌；磷的衍生物；和硼化合物。
3.根据权利要求1的使缆线涂层耐火的方法，该方法特征在于所述至少一种阻燃剂选自以下卤代化合物的至少一种：基于氯的卤代化合物和基于溴的卤代化合物。
4.根据权利要求1的使缆线涂层耐火的方法，该方法特征在于引入温度低于160℃。
5.根据权利要求1的使缆线涂层耐火的方法，该方法特征在于它包括以下操作：
·保持流体在超临界状态预定的持续时间以获得在涂层中的引入；
·除去超临界流体；和
·回收具有耐火涂层的缆线。
6.数据和/或电力传输缆线，包括由引入至少一种阻燃剂(5)的材料制成的单层型耐火涂层(4)，所述耐火涂层由根据权利要求1的方法获得，该缆线特征在于所述涂层(4)呈现出浓度梯度，使得所述至少一种阻燃剂在所述涂层的外表面(41)的浓度高于所述至少一种阻燃剂在所述涂层的内表面(42)的浓度。
7.根据权利要求6的数据和/或电力传输缆线，其特征在于所述至少一种阻燃剂选自以下非卤代化合物的至少一种：金属氢氧化物；金属碱式碳酸盐；硅石；层状硅酸盐(philosilicate)；碱式锡酸锌和锡酸锌；磷的衍生物；和硼化合物。
8.根据权利要求6的数据和/或电力传输缆线，其特征在于所述至少一种阻燃剂选自基于氯或基于溴的卤代化合物。
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