CN115785554B - 一种低烟无卤耐火屏蔽电缆及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及电缆制造技术领域，具体公开了一种低烟无卤耐火屏蔽电缆及其制备工艺。一种低烟无卤耐火屏蔽电缆，其包括导体、编织屏蔽层和护套，所述编织屏蔽层和护套由内至外依次包裹在导体表面，所述护套包括如下原料：低密度聚乙烯、耐火添加剂、抗氧剂1076、紫外吸收剂和单硬脂酸甘油酯；以耐火添加剂的总重计，所述耐火添加剂包括如下原料：乙烯‑乙酸乙烯共聚物、低熔点玻璃粉、氢氧化镁、硝酸钾和有机蒙脱土。本申请得到的低烟无卤耐火屏蔽电缆极限氧指数最高可达到55%，无焰和有焰的烟密度最低分别为99kg•m‑3和39kg•m‑3，UL94垂直燃烧等级达到了V‑0，提高了屏蔽电缆的耐火性。

Description

一种低烟无卤耐火屏蔽电缆及其制备工艺
技术领域
本申请涉及电缆制造技术领域，更具体地说，它涉及一种低烟无卤耐火屏蔽电缆及其制备工艺。
背景技术
屏蔽电缆是使用金属网状编织层把信号线包裹起来的传输线，是进行电力传输最常用的载体，金属网状编织层可保证电缆在有电磁干扰的环境下电力的传输性能。为使屏蔽电缆具有低烟无卤的效果，其外护套通常采用不含卤素的热塑性或热固性塑料制成，因不含卤素，在燃烧过程中不会产生有毒气体，且烟雾量少。目前，低烟无卤电缆被广泛应用于地铁、高楼、商场和剧院等领域。
为了使屏蔽电缆具备耐火性，通常采用云母带作为耐火层包覆于金属网状编织层外表面。但云母带不能承受过高的电压，燃烧后变硬、发脆，较易脱落，且耐火性较低。此外，云母带作为屏蔽电缆耐火层还存在易吸潮而导致屏蔽电缆绝缘性下降的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本申请提供了一种低烟无卤耐火屏蔽电缆及其制备工艺。
第一方面，本申请提供一种低烟无卤耐火屏蔽电缆，其采用如下技术方案：
一种低烟无卤耐火屏蔽电缆，其包括导体、编织屏蔽层和护套，所述编织屏蔽层和护套由内至外依次包裹在导体表面；以护套的总重计，所述护套包括如下重量份的原料：低密度聚乙烯60-80份、耐火添加剂30-50份、抗氧剂1076 1-3份、紫外吸收剂0.5-1份和单硬脂酸甘油酯2-5份；
以耐火添加剂的总重计，所述耐火添加剂包括如下重量份的原料：乙烯-乙酸乙烯共聚物30-50份、低熔点玻璃粉50-70份、氢氧化镁10-30份、硝酸钾10-15份和有机蒙脱土1-3份。
本申请护套原料可选用低密度聚乙烯60-80份、耐火添加剂30-50份、抗氧剂10761-3份、紫外吸收剂0.5-1份和单硬脂酸甘油酯2-5份，各原料掺量可以选自各自范围内的任一值，所得到的屏蔽电缆的耐火性均能得到提高，且当低密度聚乙烯70份、耐火添加剂40份、抗氧剂1076 2份、紫外吸收剂0.8份和单硬脂酸甘油酯3.5份，效果最佳。
本申请耐火添加剂选用乙烯-乙酸乙烯共聚物30-50份、低熔点玻璃粉50-70份、氢氧化镁10-30份、硝酸钾10-15份和有机蒙脱土1-3份，各原料掺量可以选自各自范围内的任一值，均能提高屏蔽电缆的耐火性，且当乙烯-乙酸乙烯共聚物40份、低熔点玻璃粉60份、氢氧化镁20.8份、硝酸钾13份和有机蒙脱土2份，效果最佳。
其中，本申请中的编织屏蔽层由具有网孔的铜箔绕包在导体外表面形成。为了提高电缆的屏蔽性能也可采用其他类型的编织屏蔽层。
本申请通过在屏蔽电缆护套中加入耐火添加剂，并控制耐火添加剂各原料的种类和掺量，使低烟无卤耐火屏蔽电缆的极限氧指数为42-43%，无焰和有焰的烟密度分别为113-116kg•m-3和54-56kg•m-3，提高了屏蔽电缆的耐火性。
具体的，耐火添加剂中的乙烯-乙酸乙烯共聚物具备一定耐火性能，其在高温或灼烧时会受热分解，产生的气体可形成隔热层，阻止外部高温向内部的传递，延缓内部材料的进一步分解，起到隔热的作用。低熔点玻璃粉、氢氧化镁和有机蒙脱土能够熔融粘结在一起形成致密、坚硬的壳体，有效抵御火焰向内部结构烧蚀，同时阻止屏蔽电缆护套材料分解产生的可燃气体向外部扩散，起到隔火的作用。
低熔点玻璃粉，一方面作为助熔剂加入，可降低耐火添加剂的瓷化起始温度、促进烧结，使耐火添加剂在烧结过程中在较低温度下有液相物质组成；另一方面还可作为填料加入，提高耐火添加剂的耐火作用。
氢氧化镁作为阻燃剂加入，其受热分解释放的水蒸气能稀释可燃的乙酸气体，并促进炭层的形成，从而提高屏蔽电缆的耐火性；硝酸钾与氢氧化镁配合，受热后在屏蔽电缆表面形成致密的陶瓷层，从而对电缆内部的导体和编织屏蔽层起到隔绝氧气和阻挡火焰的作用。有机蒙脱土作为抗熔滴剂加入，具有较高的抗熔滴作用。
作为优选：一种低烟无卤耐火屏蔽电缆，所述护套包括如下重量份的原料：低密度聚乙烯65-75份，耐火添加剂35-45份、抗氧剂1076 1.5-2.5份、紫外吸收剂0.7-0.9份和单硬脂酸甘油酯3-4份。
本申请护套原料可选用密度聚乙烯65-75份，耐火添加剂35-45份、抗氧剂10761.5-2.5份、紫外吸收剂0.7-0.9份和单硬脂酸甘油酯3-4份，护套的各原料掺量可以选自各自范围内的任一值，且能进一步提高屏蔽电缆的耐火效果。
作为优选：所述硝酸钾与氢氧化镁的重量份比为1：（1.3-1.9）。
通过采用上述技术方案，调节硝酸钾与氢氧化镁的重量份比，可使屏蔽电缆表面形成致密的陶瓷层的效果更好，提高屏蔽电缆的耐火性。
作为优选：所述耐火添加剂通过如下操作步骤制得：将耐火添加剂各原料于140-145℃混炼，挤出，造粒，得到耐火添加剂。
作为优选：所述护套中还包括10-20重量份的碳化硼。
通过采用上述技术方案，碳化硼具有密度低、强度大、高温稳定性和化学稳定性好的特点，其加入可改善耐火添加剂的热稳定性，保证耐火添加剂在护套中较好的发挥提高屏蔽电缆耐火性的作用。
作为优选：所述碳化硼与耐火添加剂的重量份比为1：（2-4）。
通过采用上述技术方案，调节碳化硼与耐火添加剂的重量份比，进一步提高耐火添加剂的热稳定性。
作为优选：所述护套还包括如下重量份原料：纳米珍珠岩10-15份和可膨胀石墨5-10份。
通过采用上述技术方案，纳米珍珠岩迅速膨胀后可在屏蔽电缆表面结成硬壳保护层阻止火焰侵蚀，提高了屏蔽电缆的耐火性。可膨胀石墨可使护套在高温下迅速膨胀，起到隔热的作用。且可膨胀石墨具有丰富的空隙结构，在膨胀过程中大量吸热，降低屏蔽电缆的温度，进一步提高了屏蔽电缆的耐火性。纳米珍珠岩和可膨胀石墨配合加入，一方面可提高护套表面的炭层厚度，且受热形成的蠕虫状膨胀石墨在炭层内部呈网络状交联，提高炭层的强度、致密性和残炭率，阻隔热量与基材之间的热传递，降低炭层的导热系数；另一方面膨胀石墨可防止纳米珍珠岩在高温情况下碎裂，提高纳米珍珠岩的耐火效果。
作为优选：所述可膨胀石墨与纳米珍珠岩的重量份比1：（1.5-2.5）。
通过采用上述技术方案，调节可膨胀石墨与纳米珍珠岩的重量份比，可进一步提高纳米珍珠岩的耐火效果，从而进一步提高屏蔽电缆的耐火性。
第二方面，本申请提供一种上述任一项低烟无卤耐火屏蔽电缆的制备方法。
一种低烟无卤耐火屏蔽电缆的制备方法，其包括如下操作步骤：
将铜箔绕包在导体外表面，形成编织屏蔽层；将护套各原料混炼，搅拌，除泡，挤出并包覆在编织屏蔽层外表面形成护套，得到低烟无卤耐火屏蔽电缆。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
（1）本申请通过在屏蔽电缆护套中加入耐火添加剂，并控制耐火添加剂各原料的种类和掺量，使低烟无卤耐火屏蔽电缆的极限氧指数为42-43%，无焰和有焰的烟密度分别为113-116kg•m-3和54-56kg•m-3，提高了屏蔽电缆的耐火性。
（2）本申请通过在屏蔽电缆护套原料中加入碳化硼，并调节碳化硼与耐火添加剂的重量份比，使低烟无卤耐火屏蔽电缆的极限氧指数为46-48%，无焰和有焰的烟密度分别为108-110kg•m-3和47-50kg•m-3，进一步提高了屏蔽电缆的耐火性。
（3）本申请通过在屏蔽电缆护套原料中加入碳化硼的基础上添加可膨胀石墨与纳米珍珠岩，并调节可膨胀石墨与纳米珍珠岩的重量份比，使低烟无卤耐火屏蔽电缆的极限氧指数为52-55%，无焰和有焰的烟密度分别为99-102kg•m-3和39-42kg•m-3，进一步提高了屏蔽电缆的耐火性。
（4）本申请得到的屏蔽电缆经过60min、90min和120min单独拱火试验后，均能满足要求，且最佳的屏蔽电缆在120 min单独拱火试验后，仍无明显破口，提高了屏蔽电缆的耐火性能。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本申请作进一步详细说明。
本申请中的如下各原料均为市售产品，均为使本申请的各原料得以公开充分，不应当理解为对原料的来源产生限制作用。具体为：低密度聚乙烯，品牌为桥微，货号DJ210；抗氧剂1076，有效物质含量为98%；紫外吸收剂，型号为UVP；单硬脂酸甘油酯，有效物质含量为99%；乙烯-乙酸乙烯共聚物，品牌塞拉尼斯，牌号3325AC；低熔点玻璃粉，粒径为1250目，熔点为400℃；有机蒙脱土，粒径为325目；碳化硼，粒径为200目；纳米珍珠岩，粒径为80纳米；可膨胀石墨，粒径为200目，膨胀倍率为200ml/g。
以下为耐火添加剂的制备例
制备例1
制备例1的耐火添加剂，通过如下操作步骤制得：
将乙烯-乙酸乙烯共聚物、低熔点玻璃粉、氢氧化镁、硝酸钾和有机蒙脱土于145℃混炼，挤出，造粒，得到耐火添加剂，具体掺量详见表1所示。
制备例2-5
制备例2-5的耐火添加剂与制备例1的制备方法相同，区别在于，各原料掺量不同，具体掺量详见表1所示。
表1 制备例1-5耐火添加剂的各原料掺量（kg）
制备例1 制备例2 制备例3 制备例4 制备例5
乙烯-乙酸乙烯共聚物 40 40 40 40 40
低熔点玻璃粉 60 60 60 60 60
氢氧化镁 10 14.3 20.8 26.6 30
硝酸钾 10 11 13 14 15
有机蒙脱土 2 2 2 2 2
实施例1
实施例1的低烟无卤耐火屏蔽电缆，通过如下制备方法制得：
将铜箔绕包在导体外表面，形成编织屏蔽层；按照表2的掺量，将低密度聚乙烯、制备例1制备的耐火添加剂、抗氧剂1076、紫外吸收剂和单硬脂酸甘油酯混炼，搅拌，除泡，挤出并包覆在编织屏蔽层外表面形成护套，得到低烟无卤耐火屏蔽电缆。
实施例2-3
实施例2-3的低烟无卤耐火屏蔽电缆的制备方法与实施例1相同，区别在于原料掺量不同，具体详见表2所示。
表2实施例1-3低烟无卤耐火屏蔽电缆的各原料掺量（kg）
实施例1 实施例2 实施例3
低密度聚乙烯 70 70 70
耐火添加剂 30 40 50
抗氧剂1076 2 2 2
紫外吸收剂 0.8 0.8 0.8
单硬脂酸甘油酯 3.5 3.5 3.5
实施例4-7
实施例4-7的低烟无卤耐火屏蔽电缆的制备方法与实施例2相同，区别在于耐火添加剂分别选用制备例2-5制备得到的耐火添加剂，其余原料种类和掺量与实施例2相同。
实施例8-12
实施例8-12的低烟无卤耐火屏蔽电缆的制备方法与实施例5相同，区别在于电缆保护套原料中还包括碳化硼，具体掺量详见表3所示。
表3实施例8-12低烟无卤耐火屏蔽电缆的各原料掺量（kg）
实施例8 实施例9 实施例10 实施例11 实施例12
低密度聚乙烯 70 70 70 70 70
耐火添加剂 30 30 45 40 50
抗氧剂1076 2 2 2 2 2
紫外吸收剂 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8
单硬脂酸甘油酯 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5
碳化硼 20 15 15 10 10
实施例13-17
实施例13-17的低烟无卤耐火屏蔽电缆的制备方法与实施例10相同，区别在于电缆保护套原料中还包括可膨胀石墨与纳米珍珠岩，具体掺量详见表4所示。
表4实施例13-17低烟无卤耐火屏蔽电缆的各原料掺量（kg）
实施例13 实施例14 实施例15 实施例16 实施例17
低密度聚乙烯 70 70 70 70 70
耐火添加剂 45 45 45 45 45
抗氧剂1076 2 2 2 2 2
紫外吸收剂 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8
单硬脂酸甘油酯 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5
碳化硼 15 15 15 15 15
纳米珍珠岩 10 12 15 12.5 15
可膨胀石墨 10 8 7.5 5 5
对比例1
对比例1的低烟无卤耐火屏蔽电缆的制备方法与实施例1相同，区别在于将耐火添加剂中的氢氧化镁等量替换为硝酸钾，其余原料种类和掺量与实施例1相同。
对比例2
对比例2的低烟无卤耐火屏蔽电缆的制备方法与实施例1相同，区别在于将耐火添加剂中的硝酸钾等量替换为氢氧化镁，其余原料种类和掺量与实施例1相同。
对比例3
对比例3的低烟无卤耐火屏蔽电缆的制备方法与实施例1相同，区别在于耐火添加剂中未添加低熔点玻璃粉，其余原料种类和掺量与实施例1相同。
对比例4
对比例4的低烟无卤耐火屏蔽电缆的制备方法与实施例1相同，区别在于耐火添加剂中未添加有机蒙脱土，其余原料种类和掺量与实施例1相同。
对比例5
对比例5的耐火屏蔽电缆，通过如下制备方法制得：
将铜箔绕包在导体外表面，形成编织屏蔽层；将云母带套装于编织屏蔽层外表面形成耐火层；
将45kg的三型PVC树脂粉、10kg的增塑剂、0.1kg的聚乙烯蜡、0.1kg的硬酯酸、15kg的稳定剂、5kg的抗冲改性剂、15kg的纳米碳酸钙、2kg的偶联剂、2kg的二氧化铪和4kg的二氧化锆混合，加热120℃，搅拌15min，于150℃条件下挤出并包覆在耐火层表面，得到耐火屏蔽电缆。
性能检测（一）
采用如下检测标准或方法分别对实施例1-17和对比例1-5得到的屏蔽电缆进行性能检测，检测结果详见表5所示。
拉伸强度：根据GB/T 1043-2008检测屏蔽电缆的拉伸强度；
断裂伸长率：根据GB/T 1043-2008检测屏蔽电缆的断裂伸长率；
极限氧指数：根据GB/T 2406.2-2018，采用氧指数测试仪检测屏蔽电缆的极限氧指数；
烟密度：根据GB/T 8627-2007检测屏蔽电缆无焰和有焰的烟密度；
UL94垂直燃烧等级：根据GB/T 2408-2008检测屏蔽电缆的UL94垂直燃烧等级。
表5不同低烟无卤耐火屏蔽电缆性能检测结果
由表5的检测结果表明，本申请得到的低烟无卤耐火屏蔽电缆的拉伸强度和断裂伸长率最高分别为14.9MPa和194%，具有较高的力学性能；且屏蔽电缆的极限氧指数最高可达到55%，无焰和有焰的烟密度最低分别为99kg•m-3和39kg•m-3，UL94垂直燃烧等级达到了V-0，提高了屏蔽电缆的耐火性。
实施例1-3中，实施例2得到的低烟无卤耐火屏蔽电缆的极限氧指数为41%，高于实施例1和实施例3，且无焰和有焰的烟密度分别为118kg•m-3和57kg•m-3，均低于实施例1和实施例3，表明实施例2屏蔽电缆中耐火添加剂的掺量较为合适，可能是与乙烯-乙酸乙烯共聚物在高温或灼烧时会受热分解，加入的低熔点玻璃粉、氢氧化镁和有机蒙脱土熔融粘结在一起，形成致密、坚硬的壳体，有效抵御火焰向内部结构烧蚀，同时阻止屏蔽电缆内部材料分解产生的可燃气体向外部扩散，起到隔火的作用有关。
实施例4-7中，实施例4-6得到的低烟无卤耐火屏蔽电缆的极限氧指数为42-43%，高于实施例7，且无焰和有焰的烟密度分别为113-116kg•m-3和54-56kg•m-3，均低于实施例7，表明硝酸钾与氢氧化镁的重量份比为1：（1.3-1.9）较为合适，可能与硝酸钾在受热后释放氧气，可为氢氧化镁提供氧气，使耐火添加剂在接触火焰时迅速升温，在屏蔽电缆表面形成致密的陶瓷层，从而对电缆内部的导体和编织屏蔽层起到隔绝氧气和阻挡火焰的作用有关。
实施例8-12中，实施例9-11得到的低烟无卤耐火屏蔽电缆的极限氧指数为46-48%，高于实施例8和实施例12，且无焰和有焰的烟密度分别为108-110kg•m-3和47-50kg•m-3，均低于实施例8和实施例12，表明碳化硼与耐火添加剂的重量份比为1：（2-4）较为合适，可能与碳化硼具有密度低、强度大、高温稳定性和化学稳定性好的特点，其加入可改善耐火添加剂的热稳定性，保证耐火添加剂在护套中的提高屏蔽电缆耐火性的作用有关。
实施例13-17中，实施例14-16得到的低烟无卤耐火屏蔽电缆的极限氧指数为52-55%，高于实施例8和实施例12，且无焰和有焰的烟密度分别为99-102kg•m-3和39-42kg•m-3，均低于实施例13和实施例17，表明可膨胀石墨与纳米珍珠岩的重量份比1：（1.5-2.5）较为合适，可能与纳米珍珠岩和可膨胀石墨同时加入，一方面可提高护套表面的炭层厚度，且受热形成的蠕虫状膨胀石墨在炭层内部呈网络状交联，提高炭层的强度、致密性和残炭率，阻隔热量与基材之间的热传递，降低炭层的导热系数；另一方面膨胀石墨可防止纳米珍珠岩在高温情况下碎裂，提高纳米珍珠岩的耐火效果有关。
另外，结合应用对比例1-4和实施例1的屏蔽电缆的各项指标数据发现，本申请在护套原料中加入耐火添加剂，并在耐火添加剂的同时添加硝酸钾、氢氧化镁、低熔点玻璃粉和有机蒙脱土，均可不同程度提高屏蔽电缆的耐火性。且与实施例1相比，对比例5的屏蔽电缆的极限氧指数33%，无焰和有焰的烟密度分别为127kg•m-3和67kg•m-3，所得到的耐火电缆的耐火性能低于实施例1，表明在屏蔽电缆护套原料中添加耐火添加剂相比于采用云母带作为耐火层，提高了屏蔽电缆的耐火性。
性能检测（二）
根据GB/T 12666.6-2003 《在火焰条件下电缆或光缆的线路完整性试验第21部分： 试验步骤和要求额定电压0.6/1.0 kV 及以下电缆》对实施例1、实施例15以及对比例1-5进行单独供火试验。
具体参数为电缆外径大于20mm，样品长度不小于1500mm，喷灯类型为带型喷灯，火焰温度为830-870℃，无垂直板，喷灯与试样水平距离为112±12，垂直距离为50±12，空气流速为160±10L/min，丙烷为10±0.4L/min，冲击时间间隔为50min±10s，电压为额定电压，熔断器为2A，检测屏蔽电缆在60min、90min和120min单独拱火后屏蔽电缆的外观。其中，1级表示无明显破口，仍保持较好的完整性；2级表示仍保持较好的完整性，但有明显破口；3级为不能通过试验，为能满足要求；具体检测步骤详见表6所示。
表6不同低烟无卤耐火屏蔽电缆性能检测结果
60min单独拱火 90min单独拱火 120min单独拱火
实施例1 1级 1级 2级
实施例15 1级 1级 1级
对比例1 1级 1级 3级
对比例2 1级 1级 3级
对比例3 1级 2级 3级
对比例4 1级 2级 3级
对比例5 1级 1级 3级
由表6的检测结果表明，本申请得到的屏蔽电缆经过60min、90min和120min单独拱火试验后，均能满足要求，且实施例15得到的屏蔽电缆在120 min单独拱火试验后，仍无明显破口，提高了屏蔽电缆的耐火性能。
另外，结合应用对比例1-5和实施例1的屏蔽电缆的各项指标数据发现，对比例1-5经过120min单独拱火试验后均不能满足要求，且对比例3-4经过90min单独拱火试验后均存在明显破口，表明在护套原料的耐火添加剂中加入硝酸钾、氢氧化镁、低熔点玻璃粉、有机蒙脱土以及在护套原料中添加耐火添加剂，均可不同程度提高屏蔽电缆的耐火性能。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (4)

1.一种低烟无卤耐火屏蔽电缆，其特征在于，其包括导体、编织屏蔽层和护套，所述编织屏蔽层和护套由内至外依次包裹在导体表面；以护套的总重计，所述护套包括如下重量份的原料：低密度聚乙烯60-80份、耐火添加剂30-50份、抗氧剂1076 1-3份、紫外吸收剂0.5-1份和单硬脂酸甘油酯2-5份；
以耐火添加剂的总重计，所述耐火添加剂包括如下重量份的原料：乙烯-乙酸乙烯共聚物30-50份、低熔点玻璃粉50-70份、氢氧化镁10-30份、硝酸钾10-15份和有机蒙脱土1-3份；
所述硝酸钾与氢氧化镁的重量份比为1：（1.3-1.9）；
所述护套中还包括10-20重量份的碳化硼；
所述碳化硼与耐火添加剂的重量份比为1：（2-4）；
所述护套还包括如下重量份原料：纳米珍珠岩10-15份和可膨胀石墨5-10份；
所述可膨胀石墨与纳米珍珠岩的重量份比1：（1.5-2.5）。
2.根据权利要求1所述的低烟无卤耐火屏蔽电缆，其特征在于，所述护套包括如下重量份的原料：低密度聚乙烯65-75份，耐火添加剂35-45份、抗氧剂1076 1.5-2.5份、紫外吸收剂0.7-0.9份和单硬脂酸甘油酯3-4份。
3.根据权利要求1所述的低烟无卤耐火屏蔽电缆，其特征在于，所述耐火添加剂通过如下操作步骤制得：将耐火添加剂各原料于140-145℃混炼，挤出，造粒，得到耐火添加剂。
4.一种权利要求1-3任一所述的低烟无卤耐火屏蔽电缆的制备工艺，其特征在于，其包括如下操作步骤：
将铜箔绕包在导体外表面，形成编织屏蔽层；将护套各原料混炼，搅拌，除泡，挤出并包覆在编织屏蔽层外表面形成护套，得到低烟无卤耐火屏蔽电缆。
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