影响电缆低烟无卤阻燃性能的因素论文_陈义军

摘要：低烟无卤阻燃电缆不仅难以着火，并且着火后无卤、低烟、无毒且具有阻止蔓延的能力。适用于高层建筑、地铁、隧道、核电站等对安全防烟防火要求极高或者人员密集的地方。本文对影响电缆低烟无卤阻燃性能的因素进行研究，以促进低烟无卤阻燃电缆的进一步研究和推广。

关键字：电缆；低烟无卤；阻燃

1、引言

随着我国的经济发展和科技进步，对阻燃电缆的的研究取得了很多成果，在防止火灾方面功不可没。低烟无卤阻燃电缆不仅难以着火，并且着火后无卤、低烟、无毒且具有阻止蔓延的能力，除了具有阻燃电缆的所有特性，还可以在火灾条件下保持线路的持续供电。因此低烟无卤阻燃电缆在火灾报警、消防通道、排烟设施及照明等需要耐火的场所中应用广泛，适用于高层建筑、地铁、隧道、核电站等对安全防烟防火要求极高或者人员密集的地方。本文对影响电缆低烟无卤阻燃性能的因素进行研究，以促进低烟无卤阻燃电缆的进一步研究和推广。

2、阻燃电缆的阻燃机理

低烟无卤（Low smoke zero halogen），简称有LSZH、LSOH、LS0H、LSFH及OHLS，是在电线电缆产业中电线护套的材料分类。低烟无卤电缆又称AP电缆，是由受热时排烟量低，且本身不含卤素的热塑性或是热固性护套材料组成的电缆，即不含有F、CI、Br、I、At等卤素，不含铅镉汞等，在燃烧时不会产生有毒烟雾。

低烟无卤电缆阻燃机理是在绝缘和护套中加入水合金金属化合物材料，当火灾发生时，金属化合物受热后发生分解反应后生成水，水可以吸收燃烧所产生的大部分热量，因此可以有效抑制聚合物的温度继续升高，起到阻止火势蔓延的效果。同时水受到热气化产生的水蒸气作用还可以降低可燃物气体的浓度，达到阻止燃烧的目的。

燃烧的发生需要聚合物受热后分解产生的可燃物的浓度达到燃烧极限，当燃烧产生的热量不低于燃烧各阶段所需的总热量时，聚合物将不会停止燃烧，下图为聚合物点燃后维持燃烧的热量转换过程：

图2.1 聚合物燃烧热量转换模型

为聚合物裂解温度，为点燃温度，为燃烧极限浓度，为聚合物达到时需要的热量，为聚合物达到需要的热量，为可燃气体浓度达到时的分解热，为燃烧热，为损失热。当时，聚合物燃烧不会停止，燃烧过程与聚合物的比热、导热系数、分解温度、分解热、燃点等因素有关。

3、低烟无卤阻燃电缆技术特性

烟密度。电缆燃烧时释放出浓度较高的烟雾会极大稀释空气中的氧含量，释放出阻碍光线传播的碳分子。

毒性和腐蚀性。无卤电缆采用不含卤素的聚烯烃，在燃烧时不会产生酸性气体、毒性和有腐蚀性的气体。

阻燃性。阻燃填充剂在燃烧环境下可以释放结晶水，吸收大量能量，抑制聚合物温度上升，降低燃烧速度。

耐火性。电缆在火灾情况下还可以继续发挥作用，需要具备一定的耐火性能。

4、影响电缆低烟无卤阻燃性能的因素分析

4.1聚合物阻燃

燃烧是可燃物与氧气之间的一种快速氧化反应，最终形成气态和液聚态产物。作为电缆绝缘和护套使用的聚合物，一般由含有碳和氢的有机高聚物组成，这些高聚物经过受热可以产生挥发性的可燃物，当可燃物聚合到一定浓度时就会发生火灾。聚合物材料的燃烧一般由热源、氧气、可燃物以及自由基反应等几个要素构成，因此通过阻止其中的一个或多个要素就可以阻止聚合物的燃烧，达到阻燃的目的。可见聚合物阻燃的实现需要聚合物可以有以下特征：产生高密度气体隔离层、提高高分子材料的热稳定性、形成非可燃性保护膜、捕捉自由基终止链反应、稀释氧气和可燃性气体、吸收热量等。因此阻燃剂对聚合物的阻燃作用主要是因为阻燃剂可以对聚合物的燃烧产生冷却、稀释、隔离或终止自由基链反应的作用。

冷却作用。阻燃剂可以降低聚合物燃烧时的表面温度和燃烧区域的温度，产生分解、相变或其他吸热反应，减少可燃性气体的发挥量，打破可能使聚合物持续燃烧的条件。如Mg(OH)2、硼酸类无机阻燃剂就可以起到很好的冷却作用。

稀释作用。很多阻燃剂在燃烧状态下可以产生不燃性气体如H2O、CO2等，在气相中这些不燃性气体冲淡了可燃性气体的浓度，将可燃性气体的浓度在很短时间内就可以降到着火点以下，从而达到阻燃目的。无机类阻燃剂自身不挥发，但由于填充量大，也可以在一定程度上降低固相中可燃性物质的浓度，增加阻燃效果。

隔离作用。有些含磷阻燃剂在燃烧环境下产生的热降解物质可以使聚合物表面迅速脱水碳化，形成碳化层，由于单质碳不能促进火焰的蒸发燃烧和分解燃烧，从而起到阻燃效果。还有的阻燃剂在燃烧时产生不挥发性的玻璃或陶瓷状物质，将聚合物表面裹覆住，形成一层保护层，也起到了隔离作用。如膨胀性阻燃剂就可以在燃烧时形成比普通隔离膜厚的多的隔离层膨胀，阻燃效果明显。

终止自由基链反应。这时利用阻燃剂的化学反应进行阻燃的方法，卤系阻燃剂在燃烧环境下自身分解出卤化氢，卤化氢可以捕获HO·自由基，并把这种自由基转化为低能量的X·自由基和H2O，X·自由基再经过与烃的化学反应生成HX，这种循环作用可以很好的起到终止链反应的作用。

阻燃经可能同时具有多种阻燃能力，不同种类的阻燃剂复配构成了不同的阻燃体系，阻燃效果也会超过单一成分的阻燃剂。不管使用哪种阻燃剂，在阻燃机理上一般都是通过冷却、稀释、隔离或终止自由基链反应的作用实现阻燃效果的。

4.2阻燃剂

阻燃剂是制备阻燃聚合物的核心材料，它是一种用于改善可燃易燃材料燃烧性能的特殊的化工助剂。随着人们对阻燃需求的不断提高，对阻燃剂的要求也越来越高。阻燃剂的阻燃效果与其元素组成有关，也因此将阻燃剂分成有机类和无机类，有机类有卤系、有机磷系、硅系、氮系等，无机类有无机磷系、铝镁系、锡系等。

卤系阻燃剂。含有卤素的材料在受热时可以分解出卤化氢，卤化氢可以捕捉到活性自由基HO，抑制气态燃烧反应，实现阻燃。

含硅阻燃剂是在材料中添加适量的含硅化合物，燃烧环境下在固相中促进燃烧成碳，在气体状态捕获活性自由基。分为无机硅阻燃剂和有机硅阻燃剂，前者包括了硅酸盐和聚合物纳米层状硅酸盐复合材料，提高了材料的热性能和气体阻隔性能。

磷系阻燃剂。含磷添加剂主要在凝聚相中作用，在燃烧环境下形成磷酸配作为脱水剂，促进成炭，炭的生成降低了从火焰到凝聚相的热传导；此外磷酸可吸热，因为它阻止了CO氧化为CO2，降低了加热过程；对凝聚相形成一层薄薄的玻璃状的或液态的保护层，降低了氧气扩散和气相与固相之间的热量和质量传递，抑制了炭氧化过程。磷系阻燃剂有红磷、聚磷酸胺、磷胺、磷酸三甲苯酯等大部分含磷化合物，可以使点燃温度升高。

氮系阻燃剂。具有挥发性小、与聚合物相容性好的优点，在燃烧环境下发生反应释放出H2O、CO2等气体，降低了空气中可燃性气体的浓度，并且可以带走一部分热量降低聚合物表面温度，释放出的N2可以捕获自由基，抑制高聚物的连锁反应，阻止燃烧。

阻燃剂的使用一般应具备以下几个条件：不降低高分子材料的物性，如耐热性、机械强度、电气性能；分解温度不应太高，但在加工温度下又不能分解；具有很好的耐久性和耐候性。

4.3阻燃剂发展趋势

阻燃剂在国内市场的发展潜力巨大，随着中国以及其他新兴市场防火阻燃方面法律法规的进一步健全和落实，阻燃剂的应用区域及需求规模将进一步扩大。卤系阻燃剂的应用得到了大家公认，而含有氯、溴的阻燃剂在燃烧环境下会释放出具有腐蚀性的卤化氢气体，从环保和安全角度出发，阻燃剂是朝着低烟、无卤、无毒的趋势发展。

阻燃剂的环保无溴化趋势将日益明显。人们在全球很多地方的土壤、水体、大气、食物链甚至人类的母乳中发现溴系阻燃剂的痕迹，虽然其浓度未达到致命水平，但是已经引起环保组织和各国政府和人民的高度重视和警惕。在这种背景下，各国都在积极研发各类新型环保型阻燃剂。

通过复配增效提高阻燃性能将成为趋势。阻燃剂复配技术是在磷系、卤系、氮系和无机系阻燃剂之间，或者某类阻燃剂内部进行复合化。由于阻燃剂在实际应用中，单一的阻燃剂往往存在某种缺陷，难以满足人们越来越高的要求，因此通过阻燃剂复配技术，可以综合两种或两种以上阻燃剂的长处，并取长补短，最大限度的发挥阻燃剂的协同效果，以达到减少用量，增强阻燃效果等作用。

5、总结

本文分析了低烟无卤阻燃电缆的阻燃机理和技术特征，对聚合物阻燃和阻燃剂分类特征及技术特点进行了研究。从环保和安全角度出发，阻燃剂将朝着低烟、无卤、无毒的趋势发展。

参考文献:

[1]尹镝，刘华，低烟无卤阻燃电缆及其性能研究[J]，东北电力技术，2008（09）

[2]彭颖，王鹏，基于数据分析的现代低烟无卤阻燃电缆及其性能[J]，科学与信息化，2017,2

作者信息：

姓名：陈义军；性别：男；出生年月：1980年11月；籍贯：江苏仪征；学历：本科；

职称：中级工程师；研究方向：电线电缆设计研发。

论文作者:陈义军

论文发表刊物:《电力设备》2019年第24期

论文发表时间:2020/5/6