CN115331868B - 一种挤出型二氧化硅绝缘耐火电缆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种挤出型二氧化硅绝缘耐火电缆，其从内到外依次包括导体芯、绝缘层、金属屏蔽层和护套层，其中，所述导体芯含有一根或多根导线。所述绝缘层由二氧化硅绝缘组合物制备，所述二氧化硅绝缘组合物以二氧化硅、陶瓷化硅橡胶和硅油为组分，这些组分相互配合，形成的绝缘层具有良好机械‑物理‑电气特性，且还能在高温环境中烧结后，可形成陶瓷化残留物的绝缘材料，从而能更可靠地保持电路完整性，进而能够代替氧化镁矿物绝缘电缆中的氧化镁瓷柱或粉料，使本发明耐火电缆产品既适合于低压供电防火电缆线路、也适合于高频信号传输系统。

Description

一种挤出型二氧化硅绝缘耐火电缆

技术领域

本发明属于线缆技术领域，特别涉及一种挤出型二氧化硅绝缘耐火电缆，且还涉及所述挤出型二氧化硅绝缘耐火电缆的制备方法。

背景技术

耐火电缆是在规定火焰燃烧条件下能够保持一定时间正常运行的电缆，或者是在燃烧条件下在一定时间内能够保持线路完整性的电缆，以满足万一发生火灾时通道的照明、应急广播、防火报警装置、自动消防设施及其他应急设备的正常供电，使人员疏散，避免大量伤亡，因而广泛应用于高层建筑、地铁、发电站、核电站、隧道、工矿企业等与防火安全和消防救生有关的重要部门及公共场所，如消防设备及紧急向导灯等应急设施的供电线路和控制线路。

目前，普遍使用的耐矿物绝缘耐火电缆为氧化镁矿物绝缘电缆，其主要通过瓷柱铜管拉拔法、灌粉-铜带纵包-焊接-拉拔法和灌粉-铜带纵包-焊接-辊轧法。该氧化镁矿物绝缘电缆的结构中完全采用无机材料，具有优异的耐火性能，至今仍然大量应用于重要防火场合，但这种电缆硬度很大、接头制作技术复杂、氧化镁粉很容易受潮、铜材耗费量大、制造工艺复杂以及产品成本高等不可克服的缺陷。

如何改善现有耐火电缆的缺陷以期获得更优异的电缆成了电缆相关行业重点关注的方向。此外，随着社会对安防保障和系统安全要求的不断提高，中国作为世界上最重要的线缆产品研发生产基地之一，迫切需要研发一种新型耐火电缆产品满足性能和安全要求不断提高的行业需求

发明内容

为解决上述问题，本发明对现有耐火电缆产品和工艺进行了大量的研究，提供了一种新型耐火电缆，其以二氧化硅、陶瓷化硅橡胶和硅油组成的绝缘组合物代替氧化镁矿物绝缘电缆中的氧化镁瓷柱或粉料，使电缆产品既适合于低压供电防火电缆线路、也适合于高频信号传输系统。

在本发明的第一方面，本发明提供一种挤出型二氧化硅绝缘耐火电缆，其从内到外依次包括导体芯、绝缘层、金属屏蔽层和护套层，其中，所述导体芯含有一根或多根导线。所述绝缘层由二氧化硅绝缘组合物制备，所述二氧化硅绝缘组合物以其总重量计包含以下重量百分比的组分：

二氧化硅 65-88％；

陶瓷化硅橡胶 10-30％；

硅油 2-5％。

本发明二氧化硅绝缘组合物以二氧化硅、陶瓷化硅橡胶和硅油为组分，这些组分相互配合，形成的绝缘层具有良好机械-物理-电气特性，且还能在高温环境中烧结后，可形成陶瓷化残留物的绝缘材料，从而能更可靠地保持电路完整性，进而能够代替氧化镁矿物绝缘电缆中的氧化镁瓷柱或粉料，使本发明耐火电缆产品既适合于低压供电防火电缆线路、也适合于高频信号传输系统。

在挤出型二氧化硅绝缘耐火电缆中，所述导体芯中的导线为本领域常规使用的导线，如铜线、铝线、或者其他合金导线，所述导线的种类和直径等参数均具体视使用场景和要求而定，在本发明中并不做特定限制。

优选地，在挤出型二氧化硅绝缘耐火电缆中，所述导线为由高纯度电工用无氧软铜线制成铜导线，其结构和性能符合GB/T 3956(IEC 60228)第2类导体的规定，并且表面光亮、无毛刺、裂纹、油污等缺陷。这类无氧软铜线制成的铜导线的电气机械性能极为优良。

优选地，在挤出型二氧化硅绝缘耐火电缆中，所述导线可为一根、两根或更多跟，具体视电气线路需要确定。当导线为多根时，各根导线的形状和尺寸可以相同，也可以不同。

优选地，在挤出型二氧化硅绝缘耐火电缆中，所述二氧化硅为无定型二氧化硅，无定形二氧化硅体积电阻率、相对介电常数、高温结晶性和电缆成品电容等性能相对于氧化镁绝缘材料要优异的多。特别地，二氧化硅的相对介电常数小，很适合作为高频信号传输线的绝缘介质。此外，二氧化硅的密度比氧化镁小，可大幅度减轻电缆重量，这样本发明电缆不但可减少电缆桥架的负荷和提高电缆线路安全性，并且还可减轻电缆安装敷设作业的劳动强度，故而本发明还简化了产品制造工艺和敷设安装作业，综合下来，本发明电缆不但降低了生产和使用成本，同时还能具有安全可靠的机械-物理性能、防火性能和电气绝缘性能。

优选地，在挤出型二氧化硅绝缘耐火电缆中，所述二氧化硅的粒径为10-100nm，在该粒径下，二氧化硅的增强效果较好。

优选地，在挤出型二氧化硅绝缘耐火电缆中，所述陶瓷化硅橡胶拉伸强度大于10MPa，断裂伸长率大于250％。满足该力学性能的陶瓷化硅橡胶更有利于获得更好机械性能的电缆。

优选地，在挤出型二氧化硅绝缘耐火电缆中，所述硅油选自甲基硅油、乙基硅油、苯基硅油、甲基含氢硅油、甲基苯基硅油、甲基乙氧基硅油、甲基乙烯基硅油、甲基羟基硅油、乙基含氢硅油、羟基含氢硅油中的一种或多种，进一步优选甲基硅油、乙基硅油、苯基硅油、甲基苯基硅油。

优选地，在挤出型二氧化硅绝缘耐火电缆中，所述陶瓷化硅橡胶与硅油的重量比为(5-10):1。

在本发明中，硅油作为加工助剂能够将二氧化硅和陶瓷化硅橡胶粘结在一起，便于充分混合，且不必另加成团添加剂(例如沸石)。另外，添加硅油还可起防潮和润滑作用，在二氧化硅绝缘组合物挤出时减轻与螺杆和套筒之间的摩擦。

优选地，在挤出型二氧化硅绝缘耐火电缆中，所述金属屏蔽层为钢带铠装层。进一步优选，所述钢带铠装层由双层镀锌钢带或者不锈钢带制成。所述金属屏蔽层可在电缆受到外力作用时保护电缆。

特别优选地，所述金属屏蔽层为通过纵包-焊接-拉拔利用不锈钢带制成的钢带铠装层。本发明用纵包-焊接-拉拔不锈钢带制成的钢带铠装层代替铜管整体拉拔屏蔽护套，屏蔽效率不减，并且可降低电缆制造和安装成本。

优选地，在挤出型二氧化硅绝缘耐火电缆中，所述护套层为本领域常规护套层，特别优选阻燃低烟无卤聚烯烃材料制成的外护套，该外护套硬度较硬，耐摩擦性能好，适合户外铺设。

本发明挤出型二氧化硅绝缘耐火电缆成本低，既可用于低压供电防火电缆线路，又可用于高频信号传输的二氧化硅绝缘耐火电缆，是节能减碳、无毒环保、安全可靠、极具综合优势、国内外技术领先的新型耐火电缆。

在本发明的第二方面，本发明还提供一种挤出型二氧化硅绝缘耐火电缆的制备方法，其依次包括以下步骤：

(S1)导体芯制备：将导体材料经拉丝后得到导线，制备导体芯；

(S2)挤包绝缘层：采用挤压式模具将二氧化硅绝缘组合物包覆在导体芯表面，得到绝缘层；

(S3)包覆金属屏蔽层：在绝缘层表面包覆金属屏蔽层；

(S4)包覆护套层：在金属屏蔽层外面包覆护套层。

本发明制备方法工艺简单，不需要对现有设备进行更改，可以在现有设备的基础上进行大规模制备，减少企业成本。

特别需要说明地，在导体制备步骤中，具体包括步骤：选料和拉丝步骤。若导体芯有多根导线制备则还包括绞合步骤。选料：根据制备不同电缆的要求选择使用的导体材料，如选用高纯度电工用无氧软铜线制成铜导线，其结构和性能符合GB/T 3956(IEC 60228)第2类导体的规定。拉丝：将导体材料进行拉丝、退火处理，得到符合要求直径的软铜线，且铜丝可以为镀锡或镀银铜丝。绞合：将拉丝得到的软铜线绞合得到束绞股线，再将束绞股线进行复绞，在复绞时保证相邻层绞向相反，得到导体芯。

优选地，在上述制备方法中，所述步骤(S2)挤包绝缘层采用耐磨损硬质挤压式模具进行，进一步优选螺杆挤出机将二氧化硅绝缘组合物挤包在导体制备步骤得到的导体芯的表面，以得到绝缘层。

进一步优选地，在上述制备方法中，所述螺杆挤出机定型段长度为2-5mm，并使用10-12目的金属过滤网，喂料口温度为30℃-50℃，机头温度为30℃-50℃，机身温度为30℃-50℃，螺杆转速为5-10转/分钟；牵引速度10-15m/min，烘道温度分段设置：第一段160～180℃，第二段165～185℃，第三段170～175℃，第四段175～180℃，第五段200～230℃。

所述螺杆挤出机的螺杆、机头、机身的温度需要严格控制，若温度太高，硅橡胶会发生自硫化，并阻塞挤出机头。

优选地，在上述制备方法中，所述步骤(S3)中在绝缘层表面包覆的金属屏蔽层为钢带铠装层。进一步优选，所述钢带铠装层由双层镀锌钢带或者不锈钢带制成。所述金属屏蔽层可在电缆受到外力作用时保护电缆。

特别优选地，所述步骤(S3)为通过纵包-焊接-拉拔工艺利用不锈钢带制成的钢带铠装层。本发明用纵包-焊接-拉拔不锈钢带制成的钢带铠装层代替铜管整体拉拔屏蔽护套，屏蔽效率不减，并且可降低电缆制造和安装成本。

优选地，在上述制备方法中，所述步骤(S3)包覆护套层是通过本领域常规挤出工艺在金属屏蔽层包覆护套层，具体工艺参数限定视护套层材料和电缆要求进行限定，在此不做过多限制。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明挤出型二氧化硅绝缘耐火电缆绝缘层采用相对介电常数小的无定形二氧化硅、陶瓷化硅橡胶和硅油构成的组合物进行制备，所制备耐火电缆既适用于额定电压1kV及以下的防火供电线路，也适用于高频信号防火传输系统，是一种国内外技术领先的新型耐火电缆产品。特别需要说明的是，本发明电缆制造工艺简单，成本低，节能减碳、无毒环保、安全可靠、极具综合优势，具有较好的市场应用前景。

附图说明

图1是本发明提供的单芯电缆的结构示意图；

附图标记：

1、导体芯；2、绝缘层；3金属屏蔽层；4、护套层。

具体实施方式

下面将参照附图和实施例更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图和实施例中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“该”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

首先，将结合附图1描述本发明的电缆，其中所述耐火电缆从内到外依次包括导体芯1、绝缘层2、金属屏蔽层3和护套层4。

在图1中，所述导体芯1含有一根导线制成，但可根据情况由多根导线绞合而成。

所述绝缘层2由二氧化硅绝缘组合物制备，所述二氧化硅绝缘组合物以其总重量计包含以下重量百分比的组分：

二氧化硅 65-88％；

陶瓷化硅橡胶 10-30％；

硅油 2-5％。

特别优选地，所述二氧化硅为无定型二氧化硅，无定形二氧化硅体积电阻率、相对介电常数、高温结晶性和电缆成品电容等性能相对于氧化镁绝缘材料要优异的多。特别地，二氧化硅的相对介电常数小，很适合作为高频信号传输线的绝缘介质。此外，二氧化硅的密度比氧化镁小，可大幅度减轻电缆重量，其中下表1详细表明了无定形二氧化硅和氧化镁的性能对比。

表1.氧化镁与二氧化硅性能对比

项目	电工级氧化镁	无定形二氧化硅
			分子式	MgO	SiO2
分子结构	离子晶体	原子晶体
			密度(g/cm3)	3.58	2.32
形态	白色粉末	白色粉末
			吸湿性	吸潮	不吸潮
比表面积m2/g	200	300
			纯度(％)	≥94	≥99
熔点(℃)	2852	1723
			沸点(℃)	3600	2230
转变为晶体温度(℃)	≥1,000	≥800
			磁性物(ppm)	≤50	≤30
常态绝缘电阻(MΩ·k m)	≥1,000	≥10,000
			体积电阻率(500℃，Ω·cm)	3×109	1016Ω·cm
相对介电常数(εr)	4.58	2.28
			电缆电容(pF/m)	200-230	100-120

下面将结合具体的实施例对本发明电缆及涉及的二氧化硅绝缘聚合物进行性能测试。

测试实施例

测试实施例1-3本发明二氧化硅绝缘组合物的性能测试

将粒径为50nm的无定形二氧化硅和陶瓷化硅橡胶(其拉伸强度为11MPa，断裂伸长率为375％)在50℃的密炼机中混炼15min，然后加入甲基硅油并继续混炼15min，形成固态胶料，然后将其置于双辊混炼机中继续混炼15min，把混料好的胶料进行切片，分别记作A1、A2和A3，最后与市售硅橡胶分别进行测定测试。其中，各组分的量如下表1所示，性能测试结果如下表2表示。

拉伸强度和断裂伸长率：根据GB/T 1040-2006中规定的方法进行测定；

UL-94：按照UL安全试验所制定的UL标准方法进行测试；

氧指数：按照GBT 2406-2008中规定的方法进行测定。

表1测试实施例1-3中各组分的用量

单位:kg	A1	A2	A3
				无定形二氧化硅	65	70	88
陶瓷化硅橡胶	30	26	10
				甲基硅油	5	4	2

表2性能测试结果

通过表2的可知，本发明二氧化硅绝缘组合物相比于市售硅橡胶阻燃性能更优异，且其组合物的强度和伸长率效果更好。

制备实施例本发明挤出型二氧化硅绝缘耐火电缆制备

制备实施例1-3

为便于与氧化镁矿物绝缘电缆相比较，参考标准GB/T 13033.1，用A1-A3中的二氧化硅绝缘组合物和市售硅橡胶制备了四个750V(600/1000V)、1×10mm²绝缘电缆试样，记作P1、P2、P3、P4。

额定电压：750V

导体规格：1×10mm²，GB/T 3956(IEC 60228)规定的第2类不镀锡软铜线

绝缘层：材料为A1-A3中的二氧化硅绝缘组合物配方，厚度均为1.30mm

金属屏蔽层：材料为不锈钢带，厚度为0.5mm，外径为7.3mm

护套层：B1级低烟无卤聚烯烃配方，厚度为1.30mm

电缆外径：9.9mm

制备实施例1-3中的挤出型二氧化硅绝缘耐火电缆制备工艺过程如下：

(S1)导体芯制备

将导体材料经用连续退火拉丝机将铜杆经过多道模具拉制成的软铜单线，然后进行退火、冷却、清洗、吹干，获得导体芯，其中导体原材料为符合GB3952－2008《电工用铜线坯》标准的无氧电工圆铜杆，所述导体芯的结构及性能符合GB/T 3956-2008《电缆的导体》(IEC 60228)标准的第1类(实心)规定。

(S2)挤出绝缘

采用螺杆挤出机将A1-A3中的二氧化硅绝缘组合物和市售硅橡胶挤包在导体芯制备步骤(S1)得到的导体芯的表面，以得到绝缘层。其中所述螺杆挤出机定型段长度为3mm，并使用10目的金属过滤网，喂料口温度为40℃，机头温度为40℃，机身温度为40℃，螺杆转速为80转/分钟；牵引速度12m/min，烘道温度分段设置：第一段160℃，第二段170℃，第三段175℃，第四段180℃，第五段220℃.

(S3)包覆金属屏蔽层

在挤出绝缘层固化冷却以后，在其表面包覆金属屏蔽层，其工艺流程为：钢带放带纵包、氩弧焊接和拉拔。其中所述的金属屏蔽层为符合YB/T 024-2008《铠装电缆用钢带》规定的不锈钢带。所用钢带厚度范围为0.5mm。

(S4)包覆护套层

将市售B₁级低烟无卤聚烯烃护套料通过挤出、水槽冷却、吹干以在金属屏蔽层外面包覆护套层，其中所用的B₁级低烟无卤聚烯烃护套料的燃烧性能包括火焰蔓延、热释放、产烟速率、烟密度以及毒性等指标均达到GB31247-2014《电缆及光缆燃烧性能分级》标准中的B₁级水平。

性能测试实施例

将制备实施例1-3制备的电缆P1、P2、P3按照以下标准进行以下性能测试，测试结果置于下表3中。

表3.本发明电缆性能测试结果

通过表3发现，本发明制备的电缆其性能更好，可以满足GB/T 13033.1、GB/T31248等以上标准的要求，特别是能满足BS 6387，可以达到现有矿物绝缘电缆标准的要求。电缆P1、P2、P3和市售矿物绝缘电缆(灌粉法制备)对比，性能更加优异，因此本发明采用的新工艺可以代替灌粉法等工艺制备的矿物绝缘电缆。且本发明电缆制造工艺简单，不良率低，制备效果高，设备投入少，成本低，节能减碳、无毒环保、安全可靠、极具综合优势，具有较好的市场应用前景。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (9)

1.一种挤出型二氧化硅绝缘耐火电缆，其特征在于，其从内到外依次包括导体芯、绝缘层、金属屏蔽层和护套层，其中，所述导体芯含有一根或多根导线，所述绝缘层由二氧化硅绝缘组合物制备，所述二氧化硅绝缘组合物以其总重量计包含以下重量百分比的组分：

二氧化硅 65-88%；

陶瓷化硅橡胶 10-30%；

硅油 2-5%，

所述陶瓷化硅橡胶的拉伸强度大于10MPa，断裂伸长率大于250%，且所述陶瓷化硅橡胶与硅油的重量比为（5-10）：1，

所述挤出型二氧化硅绝缘耐火电缆用于低压供电防火电缆线路。

2.根据权利要求1所述的挤出型二氧化硅绝缘耐火电缆，其特征在于，所述导线为由高纯度电工用无氧软铜线制成铜导线，其结构和性能符合GB/T 3956（IEC 60228）第2类导体的规定。

3.根据权利要求1所述的挤出型二氧化硅绝缘耐火电缆，其特征在于，所述二氧化硅为无定型二氧化硅。

4.根据权利要求3所述的挤出型二氧化硅绝缘耐火电缆，其特征在于，所述二氧化硅的粒径为10-100nm。

5.根据权利要求1所述的挤出型二氧化硅绝缘耐火电缆，其特征在于，所述硅油选自甲基硅油、乙基硅油、苯基硅油、甲基含氢硅油、甲基苯基硅油、甲基氯苯基硅油、甲基乙氧基硅油、甲基三氟丙基硅油、甲基乙烯基硅油、甲基羟基硅油、乙基含氢硅油、羟基含氢硅油中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的挤出型二氧化硅绝缘耐火电缆，其特征在于，所述金属屏蔽层为钢带铠装层。

7.根据权利要求6所述的挤出型二氧化硅绝缘耐火电缆，其特征在于，所述金属屏蔽层为通过纵包-焊接-拉拔利用不锈钢带制成的钢带铠装层。

8.一种权利要求1至7中任一项所述的挤出型二氧化硅绝缘耐火电缆的制备方法，其特征在于，其依次包括以下步骤：

（S1）导体芯制备：将导体材料经拉丝后得到导线，制备导体芯；

（S2）挤包绝缘层：采用挤压式模具将二氧化硅绝缘组合物包覆在导体芯表面，得到绝缘层；

（S3）包覆金属屏蔽层：在绝缘层表面包覆金属屏蔽层；

（S4）包覆护套层：在金属屏蔽层外面包覆护套层。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（S2）挤包绝缘层采用耐磨损硬质挤压式模具进行。

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