CN1026737C - 包含非卤化塑料材料的压力通风系统电缆 - Google Patents

Abstract

可用于建筑物中位于象压力通风系统或升井中隐式区域的电缆包含一线芯(22)，该线芯至少包含一用非卤化塑料材料封装的传输介质，线芯用护套(28)封装，其中护套也是由非卤化塑料材料制成。绝缘的非卤化塑料材料选自聚醚酰亚胺、硅酮—聚酰亚胺共聚物和聚醚酰亚胺与硅酮—聚酰亚胺共聚物的混合物所组成的一组材料，对于护套，塑料材料包含聚醚酰亚胺成分，或硅酮—聚酰亚胺成分，或其混合物。

Description

本发明涉及压力通风系统电缆，它包含非卤化塑料材料。

在许多建筑物的构造中，称作吊顶的最终的天花板在由混凝土构成的建筑楼板下留有一定空间，轻型设备以及其它物品可设置在吊顶下。在天花板和建筑楼板之间的悬吊空间可用作加热和冷却系统元件的回流空气压力通风系统，以及通信电缆安装的合适位置，还包括用于计算机和警报系统的合适位置。后者还包括用于电话、计算机、控制、警报和相关系统的通信、数据和信号电缆。对于那些连续贯穿每层楼板长度和宽度的压力通风系统来说是很平常的，也就是，如果计算机房中的高架地板下的空间与通道或通风室相连，那么就要考虑压力通风系统。

当火出现在楼板和吊顶之间的区域时，它可由墙壁和其它封闭该区域的建筑构件所密封。可是，如果当火到达压力通风系统，并且如果可燃材料占据了压力通风系统，那么火能贯穿建筑物的整个楼层迅速漫燃。如果电缆不适合于压力通风系统的使用，那么火将沿安装在压力通风系统的电缆长度上传播，同时，烟雾能够通过压力通风系统传播到相邻区域和其它楼层。

封装绝缘铜导体线芯并只由一通常塑料护套组成的非压力通风系统适用电缆的护套系统没有能显示出可接受的火焰传播和烟雾放出特性。当该电缆上的温度上升时，护套材料的焦化便开始了。 换句话说，护套内的导体绝缘开始分解和焦烧。如果护套焦烧保持了它的完整性，那么它将起到绝缘线芯的作用;如果不是，它将由于绝缘焦烧的膨胀或由于升温而由绝缘产生的气体压力而破坏，其中升温时，护套和绝缘的原始内部也将升温。护套和绝缘开始热解并放出更多的可燃气体，这些气体燃烧，并由于压力通风系统内的通风，使其在火焰接触区域以外燃烧，该火焰漫延并产生烟雾和可能的有毒气体和腐蚀性气体。

通常，国家电气标准（NEC）要求，压力通风系统中的限压电缆要封装在金属管道中，用于通信电缆金属管道的最初投资是相当昂贵的。还有，管道是相对刚性的，并且很难在压力通风系统中运用。进一步来说，在安装过程中为防止由管道接触任何裸电线或设备所引起的可能的电击，必须加以小心。不过，NEC对该要求允许一定的例外，即该电缆要由独立的试验组织象安德温尔特斯试验室（Underwriters    Laboratories）（VL）试验并证明具有相当低的火焰传播和产烟特性。电缆的火焰传播和烟雾的产生可采用VL910，用于空气操作空间中电气和光纤电缆的火烟特性标准试验方法进行测定。见发表在1986年国际电线电缆专题论文集（International    Wire    and    Cable    Symposium    Proceedings）545页上开始的S.Kaufman（S.考夫曼）的“1987年电缆用国家电气标准要求。”

在US4284842中示出了一种现有技术的压力通风系统电缆，它包括一铜导体线芯，线芯是用热线芯绕包材料、皱纹金属阻挡层和两条螺旋绕包的半透明带所封装的。上述的护套系统特别适合于大尺寸铜的压力通风系统电缆，其中护套系统依靠其反射特性而使热远离线芯。

现有技术已议及电缆的护套问题，即通过含氟聚合物的使用促使火焰传播和烟雾放出。这些同其它材料层一起已被用来控制焦烧的发展、护套的完整性和空气渗透性，从而缩小了在线芯内的绝缘材料选择上的限制。工业上适用的含氟聚合物材料可允许作为无金属管道的压力通风系统电缆的最初导体绝缘层和护套材料。在US4605818中所公开的现有技术的小尺寸压力通风系统电缆中，护套系统包括一层纺织材料，它是浸有碳氟树脂的，并包绕线芯。纺织层具有足够低的空气渗透性，以减小气流通过纺织层，并且延迟了热传递到线芯上。可挤出的含氟聚合物材料处护套封装了纺织材料层。在最后描述的电缆设计中，要采用相当大的量的氟，其中氟是卤素。含氟聚合物材料对于加工有一些困难。再有，一些那样的含氟材料具有相对高的介电常数，使它们用于通信导线的绝缘无吸引力。

可接受的压力通风系统电缆设计的问题由于从环路到建筑物分配系统的光纤传输介质应用的趋于扩展，而使其有些复杂。光纤不仅要防止传输的衰变，而且它还有与铜导体很大不同的特性，因此要求特殊处理。光传输光纤机械上是脆的，在拉伸负荷下显现出低的应变特性，并且在以相对低的弯曲半径弯曲时使光传输降级。众所周知，由弯曲所导致的传输降低是由于微弯损耗，该损耗由于护套和线芯之间的耦合而出现。该耦合由于护套冷却过程中的收缩和护套材料热特性与所封装光纤有很大不同时的不同热收缩而出现。

用于光纤压力通风系统电缆护套的含氟聚合物要求对材料特性作特殊考虑，如结晶度，并且有害的护套和光纤线芯之间的耦合对光纤有影响。如果将护套耦合到光纤线芯上，半结晶性的含氟聚合物塑料材料的收缩，将使光纤随之受到挤压的压缩，从而导致光纤 的微弯损耗。进一步来说，塑料材料的热膨胀系数相对于玻璃是大的，因此在变化的热运行条件下将有损于光特性的稳定性。还有，含氟聚合物的使用大大增加了当今价格下的电缆成本，并且对于加工要有特殊的考虑。

再有，含氟聚合物是一种卤化材料，虽然存在包含卤素材料并通过了VL910试验要求的电缆，还需要克服仍然存在的关于卤化材料如含氟聚合物和聚氟乙烯（PVC）使用的一些问题。这些材料表现出不期望的腐蚀水准。如果使用含氟聚合物，在热的影响下会形成氟化氢，从而引起腐蚀，对于使用PVC，会形成氯化氢。

通常，有许多通过工业试验的卤化材料，可是，如果卤化材料表现出一些低于美国工业标准所要求的所需特性，那么逻辑上就要询问为什么非卤化材料没有被用于电缆材料。现有技术把非卤化材料看作为不可接受的，通常是由于它们不具备阻燃，或是因为如果它们阻燃但太硬。对用于通信电缆的材料必须使最终的电缆通过工业标准试验。例如，对于压力通风系统电缆，该试验就是VL910试验。VL910试验在被称作Steiner    Tunnel的设备上进行。许多非卤化塑料材料没有通过该试验。

非卤化材料已用于美国以外的国家。已提供作为绝缘导体材料的非卤化材料的一个例子是聚苯撑氧塑料材料，由于该材料没有成功地通过在美国对于压力通风系统使用的工业标准试验，正在进行的努力还在进行中，以便提供具有广范围的可接收特性以及适当价格的非卤化材料，并使其通过对于压力通风系统电缆的VL910试验，该电缆应对广大范围的顾客有吸引力。

所寻求的电缆不仅使通常含有卤化材料的所用电缆表现出适当 低的火焰传播和低烟雾产生的特性，而且要使其满足广大范围的所需特性，如腐蚀性和毒性的可接受水平。该电缆并未出现在现有技术中，简言之，任务是提供满足美国用于压力通风系统电缆标准的无卤素电缆。进一步寻求的是这样的电缆，其特征在于具有相对低的腐蚀特性，和可接受的毒性以及产生低的烟雾含量，并且该电缆在合适投资下是便于加工的。

本发明的目的是提供一种包含非卤化塑料材料的压力通风系统电缆。本发明电缆是由包含至少一种传输介质的线芯组成的，为了通信的应用，传输介质可以包含光纤或金属导体。每种传输介质均用非卤化塑料材料封装，其中塑料材料选自聚醚酰亚胺、硅酮-聚酰亚胺共聚物或这两种材料的混合物组成的一组材料。护套封装了线芯，并且它是由非卤化塑料材料组成的，该材料包括聚醚酰亚胺和硅酮-聚酰亚胺共聚物。

在一实施例中，电缆还包括一层压金属屏蔽，该层可以由金属材料和非卤化材料组成，其非卤化材料可以是聚醚酰亚胺、硅酮-聚酰亚胺共聚物或这两种塑料材料的混合物。

有利的是，本发明电缆可用于建筑物压力通风系统和/或升降机中，它们能满足用于火焰传播和烟雾产生的VL910试验要求。进一步说，它们还显现出相当低的毒性含量和相对低的腐蚀性。

本发明的其它特征将从下面具体实施例的详细描述，并结合相应的附图来阅读更便于理解。

图1是本发明电缆的透视图;

图2是经过放大的导体对中留有空隙的图1电缆的端部截面图;

图3是包含压力通风系统的建筑物一部分的轮廓图，它描述了本发明电缆的使用;

图4和图5是本发明光纤电缆的透视图和端部图;

图6和图7是经过放大的导体对中留有空隙的本发明电缆的另一实施例的透视图和端部截面图;

图8是图6和图7电缆部分的详细视图。

现参照图1和图2，所示出的电缆通常是用数字20表示的，并且它可用于压力通风系统的建筑物中。典型的建筑物压力通风系统21被描述在图3中，在压力通风系统中放置有本发明的电缆20，正如所看到的，电缆20包括至少由一种传输介质组成的线芯22，传输介质可以包括金属绝缘导线或光纤，线芯22可以通过线芯包带（未示出）来包绕，线芯22可以适合用于数据、计算机、警报的信号系统，以及有声通信中的一种。

为了下面描述的目的，传输介质是由绝缘金属导体26-26的绞合对24-24组成的，虽然用于压力通风系统的一些电缆包含25或更多的导线对，但更多的电缆包含六、四、二或仅为一个导线对。

为了提供具有阻燃、低毒、低腐蚀和低产烟特性的电缆，金属导体可以用绝缘27来提供，它是由提供那些特性的塑料材料组成的。每个金属导线均可提供由聚醚酰亚胺组成的绝缘覆层，聚醚酰亚胺是一种商业上可得到的非晶形热塑性树脂，例如，可由通用电气公司（General    Electric    Company）以VLTEM为标志的树脂得到。该树脂的特征在于在264psi200℃下具有高偏转温度、在升温时具有相对高的拉伸强度和弯曲模量，以及很好的机械保持特征。它本身是阻燃的，无需采用其它成分，并且还具有47的限氧指数。

聚醚酰亚胺是一种具有结合到聚酰亚胺分子链的其它链的聚酰亚胺，从而提供足够的柔软性，以允许适当的熔化加工性。它保持了优异的机械和热性能的芳香族亚胺特性。聚醚酰亚胺描述在R.O.琼森（Johnson）和H.S.伯尔河（Burlhis）所著标题为“聚醚酰亚胺：一种新型高性能热塑树脂”的文章中，它发表在聚合物科学杂志1983年的129页上。

应当注意，绝缘27还可由聚醚酰亚胺以外的材料组成，例如，绝缘可以是由硅酮-聚酰亚胺共聚物所组成的混合物，或是由聚醚酰亚胺和硅酮-聚酰亚胺共聚物混合所组成的混合物。硅酮-聚酰亚胺共聚物是阻燃的不含卤素的热塑性材料，合适的硅酮材料是硅酮-聚醚酰亚胺共聚物，它是硅氧烷和醚酰亚胺的共聚物，该种材料可以在商业上从通用电气公司（General Electric Company）得到，并且标为SILTEM^TM共聚物。混合成的聚醚酰亚胺按混合物重量，其范围从大约0%到大约100%，因此硅酮-聚酰亚胺共聚物按照混合物重量，其范围从大约0%到大约100%。

对于线芯可设置一护套28，护套28是由塑料材料组成，它包含聚醚酰亚胺或硅酮-聚酰亚胺共聚物，其中聚醚酰亚胺还可用作金属导线的绝缘覆层。护套28还可以包含由硅酮-聚酰亚胺共聚物和聚醚酰亚胺的混合物，其中聚醚酰亚胺按重量为约0%到约100%，并且硅酮-聚酰亚胺共聚物按混合物重量为约0%到约100%。

另外，对于护套，可以将按重量在约0-20%范围的阻燃抑烟系统加入到任何单一材料或混合物中，在那些增强阻燃和抑烟系统中是些无机混合物，例如象金属氧化物和二氧化钛，和金属盐，例如象硼酸锌。

过去，美国的电缆工业避开了用于压力通风系统电缆的非卤化材料，这些表面看来具有所需特性的非卤化材料在用于产品上时太硬，因此那些具有所需刚性大小的非卤化材料不满足适用于压力通风系统电缆的较高美国标准。意想不到的是本发明电缆的传输介质覆层和护套包含有非卤化材料，并且电缆还满足VL910试验要求。

对于提供光纤以缓冲层的光纤电缆，最好选用硅酮-聚酰亚胺共聚物作为缓冲层材料，硅酮-聚酰亚胺共聚物具有比聚醚酰亚胺更低的系数，它减小了将微弯损耗引入光纤的可能性。典型的光纤压力通风系统电缆30示于图4和图5，电缆30包含多根分别覆有缓冲层34的光纤32-32，正如所看到的，多根光纤设置在中央有机构件周围，并封装在加强材料层38中，其中加强材料如KEVLAR纱，加强元件层被封装在护套39中，其中护套39是一非卤化材料，它包含聚醚酰亚胺成分，护套可以由聚醚酰亚胺或聚醚酰亚胺与硅酮-聚酰亚胺共聚物的混合物组成。

意想不到的是，包含非卤化绝缘和护套材料的本发明电缆不仅满足对于火焰传播和产烟特性的验收工业标准，而且它还具有相对低的腐蚀性和相当低的毒性含量，结果是令人吃惊的和不可预料的，因为总认为具有可接受的火焰传播和产烟的水平的非卤化材料是非常硬的，并且那些具有相当柔性的材料也不能提供适当的火焰传播和产烟特性以满足工业标准。要求保护的电缆的导体绝缘和护套材料要相互配合，以提供一延迟将热传递到传输元件的系统，因为延迟了可分解导体绝缘的导热传递，使烟的放出和进一步的火焰传播得到控制。

电缆的火焰传播和烟雾放出特性可以根据ASTM    E-84采用众所 周知的Steiner    Tunnel试验作为对通信电缆的改进和现称作VL910试验来说明。VL910试验被描述在由S.Kaufman（S.考夫曼）以前所著的文章中，它决定安装在管道、通风系统以及用于环境空气中的其它空间的电缆的相对火焰漫延和产烟特性的试验方法。试验已经示出了，热是主要通过热辐射、其次通过传导和最终通过交换传递到电缆线芯22的。

在Steiner    Tunnel试验过程中，观察预定时间的火焰传播，并通过一排气管中的光电池来测量烟雾。对于列入压力通风系统中的电缆，例如，CMP型，按照国家电气标准（National    Electric    Code），火焰传播必须不超过5英尺，烟雾排放的测量被称为光的密度（optical    density），它是在一段时间内的模糊测量，正如光检测器所看到的。光密度愈低，就愈是所需的烟雾特性。标明为CMP的电缆必须具有的最大烟雾密度是0.5或更小，并且平均烟雾是0.15或更小。

电缆的毒性产生特性可以由Pittsburgh大学研究的毒性试验来说明，在该试验中，要测量被称为LC₅₀的参数，该参数是由材料燃烧产生的气体使动物具有50%的死亡率，即四只老鼠死亡二只，的致命浓度。LC₅₀是材料燃烧产生烟雾造成的材料毒性的指标。LC₅₀的值愈高，毒性愈低，LC₅₀的值愈高，就要使更多的材料燃烧以杀死相同数量的试验动物。认识到测量LC₅₀对于用于无金属导体的电缆的塑料材料来说是重要的。对于本发明电缆的LC₅₀值要高于包含卤化材料的可比电缆。

电缆的低腐蚀特性可以通过测量电缆燃烧所产生的酸气来说明，所产生酸气的百分比愈高，封装传输介质的塑料材料就愈腐蚀。该 方法通常用于美国政府军关于船用电缆的说明书中。按照该说明书，根据单位电缆产生氯化氢的测量，2%的酸气是所允许最大的。本发明压力通风系统电缆显示出0%的酸气产生量。

本发明举例电缆以及具有用于绝缘和护套的卤化材料的类似压力通风系统电缆的试验结果表示在下面的表Ⅰ中，对于压力通风系统适用的表Ⅰ的电缆通过了对于火焰传播和产烟的VL910试验。

根据前述的VL910试验，所举例子的电缆可承受Steiner Tunnel试验，并且可暴露在904℃的温度下，或63kw/m²高的热通量情况下。

表Ⅰ

卤化    非卤化

压力通风系统电缆例    1    2    3    4

性能

A、产烟

最大光密度    0.276    0.300    0.482    0.125

平均光密度    0.112    0.057    0.054    0.014

B、腐蚀性

酸气产生%    42.20    30.79    0    0

C、LC₅₀（克） 25±7 12±2 40±5 78±17

D、外径（cm）    0.35    0.36    0.39    0.35

E、护套厚度（cm）    0.03    0.03    0.04    0.033

表Ⅰ中的每根电缆包含四对24根标准铜导体，每根导体具有0.015cm厚的绝缘覆层，例号1和2的绝缘和护套由含氟聚合物组成。 例3和4的电缆绝缘和护套是由非卤化塑料材料组成。对于例号3，其绝缘和护套均是由50%重量的VLTEM树脂和50%SILTEM^TM共聚物组成的混合物构成。对于例号4的电缆，其绝缘和护套均是由VLTEM树脂构成。

还有，已发现具有由100%重量的SILTEM^TM共聚物护套的电缆通过了对于火焰传播和产烟的VL910试验。一个用于电缆护套并通过了VL910试验的例子的混合物包含约15%重量的二氧化钛，和约85%重量的SILTEM^TM共聚物。在另一例子中，混合物包含约14%重量的VLTEM

树脂，约7%重量的二氧化钛和约79%重量的SILTEM^TM共聚物。

在另一实施例中，电缆40（见例6和7）包含由传输介质组成的线芯42，如金属导线43-43的绞合对或光纤，和护套45。设置在线芯42和护套之间的是具或没有线芯包层（未示出）的层状金属屏蔽46。每对导线43-43均是用绝缘覆层47提供的，该绝缘是由聚醚酰亚胺、硅酮-聚酰亚胺共聚物或它们的混合物组成的，其中混合物中的每种成分的范围按重量从约0%到100%。护套45也是由聚醚酰亚胺、硅酮-聚酰亚胺共聚物或聚醚酰亚胺与硅酮-聚酰亚胺共聚物的混合物。

屏蔽46最好是层状的，它包含金属层48（见图8）和附着在金属层上的薄膜49。薄膜由塑料材料构成，如聚醚酰亚胺、硅酮-聚酰亚胺共聚物或聚醚酰亚胺与硅酮-聚酰亚胺共聚物的混合物。在混合物中，聚醚酰亚胺可以占混合物成分重量的约0%到100%范围内。在最佳实施例中，每个新的层材厚度是0.003cm。

保留绕包在线芯上的屏蔽是重要的，这可以在屏蔽绕包在线芯 上以后，借助绕包在屏蔽上的粘合带50来完成。

本发明的电缆包括传输介质覆层和具有一定厚度范围的护套。在各种情况下，电缆都要通过当今VL910试验所要求的阻燃和烟雾特性试验，以及提供相对低的腐蚀性和可接受的低毒性。

本发明的护套系统30，（a）延迟了将传导热传递到线芯22上，这产生了很小的绝缘损坏，并由此产生很少烟雾和很少的火焰漫延;（b）通过VL910试验阶段有效地反映了辐射能的存在;（c）消除了在搭接缝上的过早引燃;和（d）允许绝缘的完全焦烧，由此阻止了热解气体沿电缆长度上的对流。进一步来说，它还提供了相对低的腐蚀性和可接受的毒性含量。

可以理解，上述方案是本发明的简单描述，在技术领域的普通专业人员可以设计出体现本发明原则并在其主题和范围之内的其它方案。

Claims (8)

1、一种通信电缆，它包括至少由一种通信传输介质组成的线芯，和封装所说线芯的护套，所述电缆其特征在于：

所述通信传输介质是用塑料材料封装的，其中塑料材料选自聚醚酰亚胺，硅酮-聚酰亚胺共聚物，或包含聚醚酰亚胺与硅酮-聚酰亚胺共聚物的混合物组成的一组材料；并且

封装所述线芯的所述护套是由塑料材料组成的，它选自聚醚酰亚胺，硅酮-聚酰亚胺共聚物或聚醚酰亚胺与硅酮-聚酰亚胺共聚物的混合物组成的一组材料。

2、如权利要求1的电缆，其中所述护套的混合物包含100%重量的聚醚酰亚胺。

3、如权利要求1的电缆，其中所述护套的混合物包含100%重量的硅酮-聚酰亚胺共聚物。

4、如权利要求1的电缆，其中还包括一金属屏蔽，所述金属屏蔽设置在所述线芯和所述护套之间，并且其中所述屏蔽是由金属材料和薄膜材料组成的层材构成，其薄膜材料选自聚醚酰亚胺、硅酮-聚酰亚胺共聚物或聚醚酰亚胺与硅酮-聚酰亚胺共聚物的混合物所组成的一组材料。

5、如权利要求1的电缆，其中所述电缆包括一设置在所述线芯和所述护套之间的热阻挡层，其中所述热阻挡层是包含塑料材料的层材，而塑料材料选自聚醚酰亚胺、硅酮-聚酰亚胺共聚物或聚醚酰亚胺与硅酮-聚酰亚胺共聚物的混合物所组成的一组材料。

6、如权利要求1的电缆，其中所述线芯至少由一根光纤组成，并且封装所述光纤的塑料材料是由硅酮-聚酰亚胺共聚物组成的缓冲层。

7、如权利要求6的电缆，其中所述护套是由一混合物组成，它选自聚醚酰亚胺、硅酮-聚酰亚胺共聚物或聚醚酰亚胺与硅酮-聚酰亚胺共聚物的混合物所组成的一组材料。

8、如权利要求6的电缆，其中封装所述传输介质的塑料材料是硅酮-聚醚酰亚胺共聚物。

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