CN102509577A - 一种硅烷无卤阻燃交联聚烯烃电缆及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种硅烷无卤阻燃交联聚烯烃电缆，所述的电缆依次由导体、绝缘层、填充层、阻燃隔氧层和外护层组成；其特征在于绝缘层采用低烟无卤阻燃硅烷交联聚烯烃材料，缆芯外绕包无卤高阻燃包带形成隔氧层，外护层采用热塑性低烟无卤阻燃聚烯烃材料。所述的低烟无卤阻燃交联聚烯烃采用二步法，即用已接枝的硅烷共聚物以95∶5的质量比添加催化母料在普通Φ90/25挤塑机挤出，由以下任一方法实现交联：a.浸入80-90℃热水中，交联2-4小时；b.暴露在0.15bar低压蒸汽湿度中，交联3-5小时。绝缘性能大大提高，满足了绿色环保电缆的要求。

Description

一种硅烷无卤阻燃交联聚烯烃电缆及方法

技术领域

本发明涉及一种硅烷无卤阻燃交联聚烯烃电缆及方法，属于电缆领域。

背景技术

目前电线电缆绝缘材料由聚氯乙烯向聚烯烃发展，这是因为聚烯烃绝缘材料具有优异的电气绝缘性能、机械物理性能等特点，而聚烯烃绝缘也有向交联化发展的趋势。目前，电缆交联技术主要有三种方式，即过氧化物化学交联(DCP交联)法、硅烷交联法和辐照交联法，通过交联使电缆材料的高分子聚合物由线性结构变为空间立体网状结构，从而达到材料改性的目的。过氧化物DCP交联生产线采用悬链或立塔设备，设备及厂房投资大造价高，生产线较长仅适合于大长度电缆的生产，而且对环境要求高，需要专门的生产车间，主要适用于中高压交联电缆的生产；辐照交联生产线设备投资较高，仅用于生产小规格薄壁绝缘电缆，有厚度限制的缺点，且对电缆的长度要求较高，很难提高工作效率，主要用于薄壁绝缘特种电缆的生产。硅烷交联根据材料的不同分为温水交联和蒸汽交联，硅烷交联生产线仅需普通挤塑机和交联设备，投资少，加工方便，易交联，生产灵活可以根据客户的需求制造不同长度的电缆，主要用于低压交联电缆的生产。三种交联方法中，硅烷交联具有明显的成本优势和工艺优势。

阻燃电缆主要是含卤阻燃的聚氯乙烯电缆，或是金属氢氧化物〔氢氧化镁Mg(OH)₂、氢氧化铝Al(OH)₃〕阻燃的低烟无卤阻燃聚烯烃电缆，它们虽然在一定程度上满足人们对电缆的阻燃要求，但含卤阻燃的电缆着火燃烧时会产生二次危害。低烟无卤阻燃聚烯烃电缆虽然可以克服含卤阻燃电缆遇火燃烧时产生浓烟，释放有毒腐蚀性气体等缺点，但这类电缆却存在电性能、机械性能不够理想等问题，如极易吸收空气中的水分，导致材料体积电阻率降低，而且若具备高阻燃性能需添加足量的阻燃填充剂，高填充量导致高聚物的强度和伸长率降低，因而对材料的机械性能、电性能影响很大。

针对交联工艺及阻燃性能现状和存在的问题，本发明的拟在阻燃要求，环保要求及性能要求方面加以改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅烷无卤阻燃交联聚烯烃电缆及方法，所涉及的电缆集阻燃、环保性能于一体，具有优异的电性能和机械性能。对电缆的阻燃结构进行创新改进，克服传统挤包隔氧层电缆的不足，通过对绝缘层、隔氧层、外护层材料的合理选用，实现电缆结构各元件的全阻燃性能，同时电缆燃烧情况下PH值、电导率、透光率、烟密度等符合绿色环保指标。对电缆交联工艺进行改进，加工方便，易交联，电性能、机械性能等综合性能优异而且稳定，从而拓宽了产品的应用范围，提高了产品的使用领域。

本发明提供的硅烷无卤阻燃交联聚烯烃电缆的改进，包括以下几方面：

一、阻燃材料的改进

所述的电缆依次由导体、绝缘层、填充层、阻燃隔氧层和外护层组成。在结构设计上，充分考虑电缆的电性能及机械性能，并摒弃传统阻燃电缆结构，通过对绝缘层及外护层等材料的合理选用，开发了一种硅烷无卤阻燃交联聚烯烃电缆。这种硅烷无卤阻燃交联聚烯烃电缆绝缘层采用低烟无卤阻燃硅烷交联聚烯烃材料，缆芯外绕包无卤高阻燃包带形成隔氧层，外护层采用热塑性低烟无卤阻燃聚烯烃材料。本发明提供的硅烷无卤阻燃交联聚烯烃电缆采用低烟无卤阻燃硅烷交联聚烯烃材料作为绝缘，保证了电缆具有良好的阻燃性能、环保性能、电气绝缘性能和机械性能。硅烷无卤阻燃交联聚烯烃电缆与传统PVC绝缘电缆相比，绝缘工作温度高，可在90℃工作条件下保持优异的电气绝缘性能和机械物理性能，而且电缆的载流量和过载保护能力随温度的升高而提高，且工作寿命更长，同时也是绿色环保首选产品；与XLPE绝缘电缆相比，不但绝缘且可阻燃，可实现电缆结构各元件的全阻燃，进而提高了电缆的阻燃等级，绝缘性能的提高使电能传输损耗减少，因而电缆具有较高的防护安全性；与热塑性无卤低烟阻燃聚烯烃绝缘电缆相比，后者易吸收水分，导致绝缘体积电阻率下降，从而大大降低电缆的电气绝缘性能，而硅烷无卤阻燃交联聚烯烃电缆不但具有优异的机械性能，而且在潮湿环境下电气绝缘性能稳定可靠。成缆绕包采用涂敷金属水合物的无卤高阻燃包带包覆在缆芯外，绕包材料为环保材料，可形成新型阻燃隔氧层，避免了传统隔氧层电缆设计上存在的缺陷，传统阻燃型电缆采用挤包金属水合物，在缆芯与外护之间挤包填充无机金属水合物，其在结构、材料、加工工艺等方面都存在不足。新型隔氧层遇火分解成金属氧化物和结晶水，金属氧化物分解后能吸附烟粒，结晶水也能降烟、吸热，在燃烧过程中形成的碳化结构，可形成阻碍氧气的供给和可燃气体的流动的隔氧层，抵制了电缆的燃烧，从而实现电缆高阻燃性能和绿色环保性能。填充采用高阻燃无机纸绳，保证产品的圆整性和高阻燃性；外护层采用热塑性低烟无卤阻燃聚烯烃材料，护套材料不但具有无卤、低烟、低毒、低腐蚀等特点，性能指标符合环保电缆的要求，而且护套材料具有显著的阻燃性能。电缆结构各元件的全阻燃，几者组合实现了电缆整体的阻燃特性，进而提高了整个电缆的阻燃等级，形成新型阻燃结构。

总之，本发明提供的电缆各工序采用绿色环保材料，合理控制了电缆中影响绿色环保的材料和结构因素。低烟无卤阻燃硅烷交联聚烯烃绝缘层、无卤高阻燃绕包新型隔氧层、高阻燃无机纸绳填充、热塑性低烟无卤阻燃聚烯烃外护层，均选用环保材料，电缆燃烧情况下PH值、电导率、透光率、烟密度、毒性气体释放量均符合绿色环保电缆的性能要求。

电缆绝缘层采用新材料低烟无卤阻燃硅烷交联聚烯烃材料后，绝缘材料主要性能要求：20℃体积电阻率≥1.1×10¹⁴Ω·cm；90℃体积电阻率≥1.0×10¹²Ω·cm；4小时蒸汽交联后拉伸强度≥12.5Mpa，断裂伸长率≥200％；密度1.40g/cm³；氧指数31％。

二、交联工艺创新改进：改变辐照交联低烟无卤阻燃聚烯烃绝缘材料的物理交联工艺，辐照交联需要专门的辐照装置，设备成本高、工艺复杂，引线仅只能长约500米，本发明采用目前最新的硅烷无卤阻燃交联工艺，该工艺可在普通Φ90/25聚氯乙烯塑料挤塑机上加工，此工艺特点是易加工，易交联，电气性能和机械物理性能稳定，具有加工工艺简单特点，保证电缆耐温等级达90℃，是目前最理想的辐照交联替代材料。

新工艺与辐照交联工艺比较。辐照交联工艺是利用电子加速器产生的高能量电子束流轰击绝缘高分子材料中的核子，使其脱离主链，并使主链形成较高能级的自由基，结合形成键能较高接技新体，从而形成空间网状结构，即辐照交联无卤低烟阻燃聚烯烃绝缘经专用挤出机挤制后，必须通过辐照装置，在高能射线作用下，使高聚物发生交联反应，成为热固性绝缘材料。辐照交联工艺的加工设备除了配置专用挤出机及配套设备外，还必须配置辐照交联装置(电子加速器系统及束下装置等)才能应用于生产加工，由于设备的原因，对于短电缆或经常更换不同规格的电缆造成的浪费较大。硅烷无卤阻燃交联新工艺的出现，解决了辐照交联加工的瓶颈。第一、不需要专门的生产设备，只要在普通的Φ90/25聚氯乙烯挤塑机上就可以生产低压电缆；第二、无需投入建设专门的生产车间和辐照交联设备，只要利用XLPE绝缘生产线已有场地、交联设备(温水池或蒸汽房)即可进行生产；第三、由于工艺简单，加工方便快捷，对电缆的加工长度不受限制，更换规格不会造成大的浪费；第四、根据目前的市场材料价格来看，与普通的无卤低烟阻燃聚烯烃价格相当，没有明显的价格差距。第五、突破了并非低烟无卤阻燃电缆只能采用辐照交联的方式，同样也可通过硅烷交联工艺实现，电缆的电性能和机械性能等综合性能优异而且稳定。

本发明提供的低烟无卤阻燃硅烷交联聚烯烃绝缘材料涉及的硅烷交联法是以硅烷为接枝剂在大分子间进行交联，硅烷交联聚烯烃包括接枝和交联两个过程，接枝过程中，聚合物在引发剂热解生成的自由基作用下失去氢原子而在主链上产生自由基，该自由基与烯烃基硅烷中的烯烃基反应，同时发生链转移，产品成型后再进行交联，已接枝的共聚物在水和交联催化剂作用下发生交联。无卤阻燃特性方面，通过对基础树脂改性改善聚烯烃的力学性能，通过无卤阻燃剂的表面处理，提高阻燃剂与树脂间的亲合性，以实现硅烷交联聚乙烯的阻燃化，同时无卤阻燃剂之间有着阻燃协同效应，从而最终使得低烟无卤阻燃硅烷交联聚乙烯绝缘材料的性能符合各项要求。

本发明所述的低烟无卤阻燃交联聚烯烃采用二步法，用接枝好的硅烷共聚物(简称接枝料，也叫A料)以95∶5的重量比添加催化母料(也叫B料)同时在普通Φ90/25挤塑机挤出，可由以下任一方法实现交联：a、浸入80℃～90℃热水中，交联2-4小时；b、暴露在低压蒸汽湿度中(大约0.15bar)，交联3-5小时。当无卤阻燃硅烷交联绝缘材料用于挤制不同颜色线芯时，可添加＜1％颜色的色母粒，使之具有着色功能。为防止预交联，催化母料和接枝料必须在挤制前才能混合，另外，接枝料在开袋后应在3～5小时内用完。具体加工工艺参数：a、在普通Φ90/25挤塑机上加工；b、接枝料与催化母料重量比为95∶5；c、色母粒为PE料，重量比为0.5～1％，要求干燥。此加工工艺快捷方便，适用于较大长度及短段电缆的生产。

本发明的优点是显而易见的：

1、电缆导体。采用绞合圆形铜导体或绞合紧压圆形铜导体。其结构和性能符合GB/T3956的相关规定。可以是单芯电缆、二芯电缆、三芯电缆、四芯电缆或五芯电缆。

2、低烟无卤阻燃硅烷交联聚烯烃绝缘层是采用性能较优的低烟无卤阻燃硅烷交联聚烯烃绝缘材料经挤塑后交联而成，保证较好的绝缘电阻、体积电阻率，电气绝缘性能优异，同时具有耐温等级高，耐热老化性好等特点。

3、填充层：缆芯绞合成缆时，采用高阻燃无机纸绳作为填充料作为填充层，保证缆芯的圆整性和阻燃性能。

4、阻燃隔氧层。缆芯绞合成缆后，采用涂敷无机金属水合物的无卤高阻燃材料绕包形成新型隔氧层，阻燃隔氧层表面应平整紧密、节距均匀。

5、热塑性低烟无卤阻燃聚烯烃外护层。外护层紧密挤包在隔氧层上，采用热塑性低烟无卤阻燃聚烯烃护套材料挤塑而成，外护层表面应光洁圆整，外径均匀。

附图说明

图1以四芯电缆为例的电缆结构示意图；a)圆形绞合导体电缆结构图；b)扇形绞合导体电缆结构图。

图中，1-导体；2-低烟无卤阻燃硅烷交联聚烯烃绝缘层；3-填充层；4-阻燃隔氧层；5-热塑性低烟无卤阻燃聚烯烃外护层。

具体实施方式

以图1为例，所述电缆的加工工艺流程是：

单线拉制-退火-导体绞合-低烟无卤阻燃交联聚烯烃绝缘-火花试验-成缆-阻燃隔氧层-热塑性低烟无卤阻燃聚烯烃外护层-喷印-检验包装

(1)单线拉制

Φ8.00mm铜杆经过多道拉伸，拉制成圆铜单线，拉丝工艺与一般电缆生产相同。

(2)退火工艺

圆铜单线拉制后，经过退火再结晶，退火温度控制范围精密。

(3)导体绞合

导体采取正规绞合，保证导体的结构稳定。合理设计各绞合层的节距比，保证导体的弯曲性能和紧密性，导体表面应光洁，无毛刺，无划痕。

(4)低烟无卤阻燃硅烷交联聚烯烃绝缘层

低烟无卤阻燃硅烷交联聚烯烃绝缘材料挤出后，合理控制交联温度、交联时间，保证绝缘充分交联。绝缘线芯采用颜色标识，每个回路的主线芯颜色为红色、黄色、绿色、中性线为蓝色，接地线为黄/绿双色。

(5)火花试验

绝缘线芯应按GB/T3048.9规定的交流50Hz火花试验作为中间检验。

(6)成缆

成缆方向为右向，缆芯按红、黄、绿、蓝及黄/绿双色顺序顺时针排列，缆芯圆整紧密。

(7)阻燃隔氧层

无卤高阻燃包带标称厚度不小于0.20mm，绕包四层，重叠率不小于30％，合理控制绕包的重叠率。

(8)热塑性低烟无卤阻燃聚烯烃外护层

外护层采用热塑性低烟无卤阻燃聚烯烃材料，控制挤制的温度和速度，保证电缆表面平整、色泽均匀，塑化良好。

(9)喷印

在外护层表面喷印厂名、型号、额定电压、规格、长度等连续标识。每相邻两个完整标志首尾间距不大于500mm。

(10)检验包装

挤出的成品挂好标签、注明产品型号、规格、长度及操作者、生产日期等，经检验人员确认合格并签字或盖章后放置到规定场地整齐摆放。

Claims (8)

1.一种硅烷无卤阻燃交联聚烯烃电缆，所述的电缆依次由导体、绝缘层、填充层、阻燃隔氧层和外护层组成；其特征在于绝缘层采用低烟无卤阻燃硅烷交联聚烯烃材料，缆芯外绕包无卤高阻燃包带形成隔氧层，外护层采用热塑性低烟无卤阻燃聚烯烃材料。

2.按权利要求1所述的电缆，其特征在于所述的电缆导体采用绞合圆形铜导体或绞合紧压圆形铜导体。

3.按权利要求1所述的电缆，其特征在于所述的电缆为单芯电缆、二芯电缆、三芯电缆、四芯电缆或五芯电缆。

4.按权利要求1所述的电缆，其特征在于低烟无卤阻燃交联聚烯烃材料绝缘温度高达90℃。

5.按权利要求1所述的电缆，其特征在于：

①所述的填充层为高阻燃无机纸绳；

②阻燃隔氧层的包带标称厚度不小于0.20mm，绕包四层，重叠率不小于30％；

③外护层紧密挤包在阻燃隔氧层上。

6.按权利要求1或4所述的电缆，其特征在于所述的低烟无卤阻燃交联聚烯烃采用二步法，即用已接枝的硅烷共聚物以95∶5的质量比添加催化母料在普通Φ90/25挤塑机挤出，由以下任一方法实现交联：

a.浸入80-90℃热水中，交联2-4小时；

b.暴露在0.15bar低压蒸汽湿度中，交联3-5小时。

7.按权利要求5所述的电缆，其特征在于接枝好的硅烷共聚物与催化母料必须在挤塑机挤制前混合，以防止预交联，且已接枝的硅烷共聚物开袋后3-5小时内用完。

8.制作如权利要求1所述的电缆的方法，单线拉制-退火-导体绞合-低烟无卤阻燃交联聚烯烃绝缘层-火花试验-成缆-阻燃隔氧层-热塑性低烟无卤阻燃聚烯烃外护层-喷印-检验包装，具体制作过程为：

(1)单线拉制

Φ8.00mm铜杆经过多道拉伸，拉制成圆铜单线，拉丝工艺与一般电缆生产相同；

(2)退火工艺

圆铜单线拉制后，经过退火再结晶，退火温度控制范围精密；

(3)导体绞合

导体采取正规绞合，保证导体的结构稳定。合理设计各绞合层的节距比，保证导体的弯曲性能和紧密性，导体表面应光洁，无毛刺，无划痕；

(4)低烟无卤阻燃硅烷交联聚乙烯绝缘

低烟无卤阻燃硅烷交联聚烯烃绝缘材料挤出后，合理控制交联温度、交联时间，保证绝缘充分交联。绝缘线芯采用颜色标识，每个回路的主线芯颜色为红色、黄色、绿色、中性线为蓝色，接地线为黄/绿双色；

(5)火花试验

绝缘线芯应按GB/T3048.9规定的交流50Hz火花试验作为中间检验；

(6)成缆

成缆方向为右向，缆芯按红、黄、绿、蓝及黄/绿双色顺序顺时针排列，缆芯圆整紧密；

(7)阻燃隔氧层

无卤高阻燃包带标称厚度不小于0.20mm，绕包四层，重叠率不小于30％，合理控制绕包的重叠率；

(8)热塑性低烟无卤阻燃聚烯烃外护层

外护层采用热塑性低烟无卤阻燃聚烯烃材料，控制挤制的温度和速度，保证电缆表面平整、色泽均匀，塑化良好；

(9)喷印

在外护层表面喷印厂名、型号、额定电压、规格、长度等连续标识。每相邻两个完整标志首尾间距不大于500mm；

(10)检验包装

挤出的成品挂好标签、注明产品型号、规格、长度及操作者、生产日期等，经检验人员确认合格并签字或盖章后放置到规定场地整齐摆放。

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