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電線電纜阻燃化研究現(xiàn)狀

文檔作者：黃輝，徐耀亮文檔來源：公安部上海消防研究所		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年12月08日
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電線電纜阻燃化研究現(xiàn)狀 《上海塑料》2012年第3期(總第159期)
電線電纜阻燃化研究現(xiàn)狀
黃輝，徐耀亮
(公安部上海消防研究所，上海200032)
摘要 分析了電線電纜火災的成因和危害；簡要介紹了低煙低鹵阻燃聚氯乙烯電線電纜料的發(fā)展現(xiàn)狀
和方向；重點介紹了低煙無鹵阻燃聚烯烴電線電纜料的阻燃機理和研究現(xiàn)狀；提出了阻燃劑的無鹵化、
抑煙和低毒是當前和今后電線電纜阻燃研究領域的前沿課題，但在阻燃電纜的應用上還需進一步深入
研究。
關鍵詞 電線電纜；火災危害；阻燃；無鹵；抑煙；低毒
中圖分類號：TQ 320．66 文獻標志碼：A 文章編號：1009—5993(2012)03—0028—04
Research Status of Flame Retardancy of W i re and Cable
H UANG H ui，X U Yao—liang
(Shanghai Fire Research Institute of Ministry of Public Security，
Shanghai 200032，China)
Abstract：The fire cause and hazard of wire and cable were-analyzed．The current status and development
direction of 1OW—smoke 1OW—halogen flame—retardant PVC wire and cable compounds were introduced
briefly．The action mechanisms and research status of low—smoke non—halogen flame retardant polyole
fine wire and cable compounds were introduced mainly．In addition，the non—halogen smoke suppression
and lOW toxicity flam e retardants were and would be the advanced research thesis in the fram e retardant
field of wires and cables，but in the application area of frame retardant cables，more research need tO be
done further．
Key words：wire and cable；fire hazard；flame retardancy；non—halogen；smoke suppression；low toxicity
0 前言
隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，全國各地商用、民
用建筑迅猛增加，內部電氣化程度越來越高。配電
容量的日益增大是現(xiàn)代建筑的一大特點。隨著建
筑物中電氣設施的增加，配電容量的加大，電線電
纜的用量不斷增加，火災的危險性亦增加。
電線電纜是線狀物，作為引火源也是線性的，
火焰隨著電線電纜的走勢而蔓延，水平電纜火勢燃
收稿日期：2012一O7一O5
作者簡介：黃輝(1983 )，男，助理研究員，從事消防裝備和阻
燃制品的研究。
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燒速率為3．5 m／min，而豎架(井)電線電纜垂直燃
燒速率達到8～9 m／rain。因此，電線電纜火災燃
燒迅速且難以控制。據(jù)統(tǒng)計，1997～ 2004年我國
發(fā)生電氣火災22萬余起，傷亡9 000余人，財產(chǎn)損
失達35億余元，分別占全國火災總數(shù)的年平均值
的24．4 、17．3 、36．8 。電氣火災發(fā)生率及所
造成的財產(chǎn)損失均位居各類火災原因之首，且重特
大電氣火災也時有發(fā)生。這些由電氣引起的火災
中，有6O 以上是由電氣線路(電線電纜)引起的。
1 電線電纜火災產(chǎn)生的原因及其危害
1．1 電線電纜火災產(chǎn)生的原因
電線電纜火災產(chǎn)生的原因很多，但主要可以分
電線電纜阻燃化研究現(xiàn)狀 《上海塑料》2012年第3期(總第159期)
為以下幾類口]：(1)電線電纜擔負著傳遞能量的作
用，它帶著一定的溫度在工作。如果這溫度超過其
所能承受的范圍，就將導致燃燒。同時電線電纜的
敷設往往是成束敷設的，建筑越稠密、人員越集中
的地方，電線電纜的敷設越密集，由此產(chǎn)生的火災
潛在威脅越大。高層及超高層建筑、大型娛樂中
心、電影院及地下建筑，往往有密集敷設的電線電
纜。這些地方一旦發(fā)生火災，火將沿著電線電纜燃
燒而迅速蔓延，從一個區(qū)域擴散到另一個區(qū)域，從
一個樓層蔓延到另一個樓層，從而造成重大經(jīng)濟損
失，并嚴重威脅人們的生命安全。(2)電線電纜在
長期帶載運行的情況下，絕緣層和護套層產(chǎn)生局部
老化。老化將導致?lián)舸坏舸┚蜁鹣嚅g短
路。較大容量的相間短路在很短的時間內會引起
幾千℃ 的高溫，足以使周圍的可燃物燃燒。(3)由
于電線電纜在帶載運行的情況下具有一定的溫度，
一般的物體在燃燒前都有一個預熱的過程，而溫度
高的物體則不需要這一過程，并且普通電線電纜都
不具有阻燃性，所以一旦有外部火源，帶載的電線
電纜是比較容易引燃的。(4)由于敷設在電氣井
道或線槽內的電線電纜往往是成束敷設的，一旦發(fā)
生火災，燃燒時的熱輻射將互相傳導產(chǎn)生集聚效
應，造成火災蔓延不止，泛濫成災。(5)電線電纜
引燃后會產(chǎn)生滾滾濃煙和大量的有毒氣體。在以
往發(fā)生的火災中，煙霧的彌漫使逃生的人員分辨不
清方向而驚慌失措，延長了在火災現(xiàn)場中滯留的時
間。更重要的是，釋放出的有毒氣體會導致人員吸
人而窒息死亡。
1．2 電線電纜火災的危害性
大部分電線電纜的絕緣及護套材料由各種高
分子材料組成，如聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、
乙烯一醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚丙烯(PP)、氯丁
二烯共聚物等。這些高分子材料在火災中往往暴
露出以下不足之處。(1)產(chǎn)煙量大。PVC材料在
燃燒過程中會產(chǎn)生大量的煙霧。英國倫敦地鐵有
限公司所做的燃燒試驗表明：一根1 m 長的約含
0．85 kg的PVC電纜，從燃燒著火起所產(chǎn)生的煙氣
可在不到5 min的時間內完全籠罩容積為1 000
m。房間。如此大的煙濃度會造成呼吸困難，嚴重
阻礙人員疏散和滅火救援。(2)產(chǎn)生有害氣體，造
成“二次危害”。電線電纜材料除易于老化外，而且
易于燃燒。其中PVC等含氯聚合物在高溫條件下
能分解出氯化氫、一氧化碳等有毒有害氣體，對人
的生命安全構成直接威脅。有統(tǒng)計表明：在火災人
員中有三分之二是因為吸入電線電纜燃燒時釋放
出的有毒氣體而窒息死亡。此外，這些氯化氫氣體
還會溶解在水蒸氣中形成稀鹽酸，稀鹽酸還會滲透
吸附在建筑物鋼結構材料上，對材料形成腐蝕而降
低建筑物的使用壽命，以上這些現(xiàn)象被稱為“二次
危害”。(3)不能保證電氣線路的正常供電。普通
PVC電線遇火后，在很快的時間內(約1～2 min
內)就喪失供電能力，導致消防水泵、電梯、應急照
明以及報警閥等自動控制電路無法正常工作，給消
防滅火救援、人員財產(chǎn)撤離帶來了很大的困難。
(4)加劇燃燒，擴大火災。雖然高分子材料，如硬
質PVC等屬于難燃材料，但在眾多的火災中表明：
集中敷設電線電纜，一旦遇大火后，熱輻射產(chǎn)生集
聚效應，燃燒迅速，難于撲滅，導致火災事故擴大和
惡化。
2 電線電纜的阻燃化研究現(xiàn)狀
近年來隨著人們對安全性、可靠性和環(huán)保性認
識的提高，我國對低煙無鹵阻燃電線電纜的需求越
來越大，國內眾多廠家和科研機構都加大力度對低
煙無鹵阻燃電線電纜料研制和開發(fā)。2005年，國
家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局發(fā)布了推薦性標準《阻燃
和耐火電線電纜通則》_2]。標準對含鹵和無鹵阻燃
電線電纜的分類及性能要求有了明確的規(guī)定，使阻
燃電纜實現(xiàn)了標準化、規(guī)范化和系列化，給生產(chǎn)阻
燃電纜提供了依據(jù)和遵循的規(guī)則。2002年，公安
部發(fā)布了強制性標準《阻燃及耐火電纜：塑料絕緣
阻燃及耐火電纜分級和要求第1部分：阻燃電
纜》_3]。這份標準在2007年進行修訂，公安部對外
發(fā)布強制性標準GA 306．1-2007[4]，代替GA 306．
1—2001。2006年，國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局和公
安部又聯(lián)合發(fā)布了強制性標準《公共場所阻燃制品
及組件燃燒性能要求和標識》[5]。這兩份強制性標
準都對阻燃電纜進行了分級，并對阻燃電纜的阻燃
特性、發(fā)煙量及煙氣毒性作了具體的規(guī)定，進一步
完善了我國阻燃電線電纜的標準體系，對推廣和應
用阻燃、高效、無公害的阻燃電線電纜起到一個強
有力的推進作用。另外，2008年北京奧運村、2010
年上海世博會和廣州亞運會場館建設都宣布了全
部使用環(huán)保型阻燃電線電纜產(chǎn)品的相關政策規(guī)定。
因此，研究和開發(fā)低煙無鹵阻燃電線電纜料是今后
阻燃電線電纜領域的熱點和難點。
29 —
電線電纜阻燃化研究現(xiàn)狀 《上海塑料》2012年第3期(總第159期)
GA 306．1-2007和GB 20286-2006兩份強制
性標準的規(guī)定中，雖然沒有明確指出阻燃電線電纜
的環(huán)保要求，但是它們所限定的阻燃電線電纜的燃
燒性能指標(煙密度和煙氣毒性)卻包含了環(huán)保阻
燃的內容。GA 306．1-2007規(guī)定阻燃電纜分為4
個阻燃級別，Ⅳ級以上級別電纜阻燃特性都應達到
炭化高度≤2．5 ITI；煙氣毒性要求是：I級和Ⅱ級電
纜應達到準安全2級，Ⅲ級電纜應達到準安全3
級、Ⅳ級電纜無煙氣毒性要求；煙密度要求是：I級
電纜最小透光率應達到≥80％ ，Ⅱ級電纜最小透
光率應達到≥6O ，Ⅲ級電纜最小透光率應達到
≥2O ，Ⅳ級電纜達到無煙密度要求。
GB 20286—2006對用于公共場所的電纜作了
強制的阻燃規(guī)定。阻燃電纜分為阻燃1級和阻燃
2級。阻燃1級電纜要求：炭化高度≤2．5 rn，煙密
度應達到最小透光率≥6O ，煙氣毒性應達到準
安全2級；阻燃2級電纜要求：炭化高度≤2．5 m，
煙密度應達到最小透光率≥2O ，煙氣毒性應達
到準安全3級。
2．1 低煙低鹵阻燃PVC電線電纜的研究
PVC樹脂價格低廉、阻燃效果好，具有耐油、
耐腐蝕等特殊功能。在我國PVC電線電纜發(fā)展較
早，品種和型號較多。
目前PVC電線電纜占我國線纜用量的比重最
大，是我國主要的電線電纜材料。PVC分子結構
中含有氯原子，使PVC具有較好的阻燃性能。普
通阻燃PVC電線電纜具有良好的阻燃性能，制造
簡單，成本低廉。但PVC電線電纜燃燒時釋放出
大量的煙霧和有毒的氯化氫氣體。隨著國內對阻
燃要求的提高，我國PVC電線電纜的發(fā)展呈下降
趨勢。目前我國PVC電線電纜用量大，完全取消
是不可能的。因為全國量大面廣的建筑用電線電
纜市場并非一定都嚴格要求使用低煙無鹵阻燃電
線電纜?？偠灾?，PVC電線電纜從普通阻燃向
低煙低鹵阻燃方向發(fā)展，開發(fā)低煙低鹵阻燃PVC
電線電纜料是今后PVC電線電纜發(fā)展的趨勢。
由于PVC燃燒時會釋放出大量的煙霧，因此，
在PVC配方中必須加入消煙阻燃劑來抑制煙霧的
產(chǎn)生。我國對低煙型電線電纜要求達到國家標準
《電纜或光纜在特定條件下燃燒的煙密度測定》中
的規(guī)定，推薦電線電纜最小透光率大于60 l6]。
目前國內在低煙低鹵阻燃PVC電線電纜方面
的研究取得了一定的進展。李秀峰等口 在阻燃
n
PVC電纜護套料中加入一種金屬氧化物固熔體與
氫氧化鋁(ATH)的共混物。試驗結果表明：該共
混物對PVC具有高效的阻燃、消煙、降鹵等作用。
近年來國內廠家開始生產(chǎn)低煙低鹵環(huán)保型PVC電
線電纜料，主要應用在電器電線、電動玩具線和電
子器件連接線等，產(chǎn)品以出口外銷為主。
2．2 低煙無鹵阻燃聚烯烴電線電纜的研究
低煙無鹵阻燃電線電纜料的基體樹脂一般選
用不含鹵素的聚烯烴。它燃燒時分解出水和二氧
化碳，不產(chǎn)生明顯的煙霧和有毒氣體。聚烯烴主要
包括PE、PP、EVA、乙丙橡膠等。
低煙無鹵阻燃聚烯烴電線電纜料一般添加無
機阻燃劑，如水合金屬化合物ATH、氫氧化鎂
(MA)等。其阻燃機理是 ]：電纜在火災中水合金
屬化合物受熱分解，釋放出結晶水，并吸收大量的
熱量，從而抑制聚烯烴溫度上升，延緩其熱分解，并
降低燃燒速率；產(chǎn)生的水蒸氣能稀釋可燃氣體，起
到阻燃的作用；同時分解生成的三氧化二鋁、氧化
鎂能形成一層覆蓋層，切斷氧氣供給，限制電線電
纜燃燒，阻止可燃氣體的流動。這類阻燃劑具有填
充、消煙和阻燃三重功能。同時一般會在阻燃體系
中添加抑煙效果明顯的消煙阻燃劑，如鉬酸銨、硼
酸鋅等。
無機阻燃劑與樹脂的相容性差，添加量又比較
大，往往造成電線電纜料的機械性能下降。為改善
無機阻燃劑與樹脂的相容性，目前對此類阻燃劑的
處理主要有以下三種方式：(1)超細化。阻燃劑粉
體經(jīng)過超細化(特別是納米化)，比表面積增大，表
面能增大，從而粒子表面的反應活性增強。這不僅
有利于粒子在高分子基體材料中的分散，而且能提
高阻燃劑與樹脂材料間的界面結合力。因此，不僅
使阻燃劑充分發(fā)揮其阻燃作用，而且還改善基體材
料的加工成型性能和制品的力學性能。(2)表面
改性處理。表面改性技術是提高粉體應用性能的
關鍵技術之一。通過各種表面改性劑與粉體顆粒
表面化學反應和表面包覆處理改變顆粒的表面狀
態(tài)，提高表面活性，使表面產(chǎn)生新的物理、化學功
能，從而改善阻燃劑與基體聚合物之間的親和力，
有利于阻燃劑在樹脂中的分散，提高材料的加工性
能和力學性能。(3)復配處理。阻燃劑的復配技
術主要是指利用阻燃劑之間的協(xié)同阻燃效應。將
兩種或兩種以上的阻燃劑進行復合、混配制成復合
阻燃劑，使它們相互增效，取長補短，從而達到降低
電線電纜阻燃化研究現(xiàn)狀 《上海塑料》2012年第3期(總第159期)
阻燃劑的用量，提高材料阻燃性能、加工性能和力
學性!能等目的。
何振海 以低密度PE和EVA 為基體樹脂，
加入MA等無鹵阻燃劑，研制的無鹵阻燃電纜料
達到設定的無鹵阻燃電纜料的技術指標，如表1所
示。與國外同類產(chǎn)品的各項性能非常接近。
表1 無鹵阻燃聚烯烴電纜料性能
項目
斷裂強度／MPa ≥10．0 15．0 13．9 13．1
斷裂伸長率／( ) ≥ 150 170 180 175
極限氧指數(shù)／( ) ≥30 38 36 40
維卡軟化點／~c ≥60 73．6 67．5 73．7
熔融指數(shù)／[g·(10 min) ] ≥ 1．0 1．39 1．38 1．43
邵華 叩考察了多種粒徑的MA 對低密度PE
電線電纜料力學性能及阻燃性能的影響。結果表
明：隨著粒徑的減小，拉伸強度逐漸增加。這是因
為粒徑小的無機物與樹脂界面黏附性好。其中粒
徑為10 m的MA在添加量為40份時可使體系
拉伸強度增加到12．07 MPa。添加納米級MA 的
阻燃體系的性能明顯優(yōu)于微米級MA體系的，前
者添加量為60份時與微米級MA添加80份所達
到的氧指數(shù)相差不大。
徐志偉等[1 以PE、EVA 為基體樹脂，添加
MA、ATH、協(xié)效阻燃劑紅磷等無鹵阻燃劑，研制的
低煙無鹵阻燃電纜料可以達到德國DIN VDE
0207無鹵阻燃電纜料標準。
2004年9月，美國陶氏(Dow)塑料公司新推
出2個無鹵阻燃PE電線電纜配混料牌號：DFDA一
1643NT和DFDA-1643BK，適用于通訊和其他一
般工業(yè)。DFDA-1643NT 和DFDA一1643BK 具有
平衡的物理機械性能和加工性。采用金屬氫氧化
物為阻燃劑，不含鉛、硫和銻，可以與現(xiàn)有標準阻燃
PE電線電纜護套料和絕緣料競爭。新牌號電線電
纜料除阻燃性能高、燃燒發(fā)煙量小、高耐磨，而且容
易加工，不需采用特殊螺桿，具有良好的電性能，低
溫性能極佳，機械性能超過了現(xiàn)有阻燃PE電線電
纜護套料和絕緣料。
3 結束語
隨著我國經(jīng)濟建設不斷發(fā)展，電線電纜的使用
越來越廣泛。普通電線電纜所帶來的火災危險性
和安全隱患正日益凸顯，電線電纜的阻燃化研究開
發(fā)將成為新的熱點。在加強阻燃機理研究的基礎
上，科研人員要積極研制開發(fā)各種新型高效阻燃
劑，確保加入少量的阻燃劑而達到較高的阻燃和抑
煙效果；同時兼顧電纜料具有優(yōu)異的物理、力學和
電氣性能。
阻燃劑的無鹵化、抑煙和低毒是當前和今后電
線電纜阻燃研究領域的前沿課題。但還有一些關
鍵問題需要解決：(1)因無鹵阻燃電纜價格昂貴，
其成本為普通PVC電纜的2倍以上，低煙無鹵阻
燃電纜至今仍被限制在特殊場合使用。在保證產(chǎn)
品性能的前提下，努力降低制造成本，使無鹵阻燃
電纜得到普遍使用。(2)無鹵低煙特性和阻燃本
身就是互相制約的因素；而無鹵低煙阻燃特性與機
械物理和電氣性能相互限制。解決這一難題是研
制低煙無鹵阻燃電纜料的關鍵技術。(3)提高阻
燃性能和減小無鹵阻燃劑的用量，進一步對阻燃劑
的合成改性及復配研究，尋求合理配方，從而達到
最佳阻燃效果。
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