Статус применения безгалогенных огнестойких полиолефиновых материалов для силовых кабелей

Статус применения безгалогенных огнестойких полиолефиновых материалов для силовых кабелей

В связи с быстрым развитием внутренней экономики, электроэнергетика, строительство, связь и другие отрасли имеют все более высокий спрос на провода и кабели, производство полиолефиновых кабелей имело беспрецедентную тенденцию экспоненциального роста. Ожидается, что к 2024 году масштабы спроса Китая на Ожидается, что объем продаж проводов и кабелей превысит 1,9 триллиона юаней, совокупный годовой темп роста составит около 4%, спрос на рынке безгалогенных огнестойких проводов и кабельных материалов составит около 200 тыс. тонн, ожидается, что в течение следующих 3-5 лет Ожидается, что в ближайшие 3-5 лет спрос на этот вид кабеля увеличится примерно на 10%, а к 2025 году спрос на безгалогенные огнестойкие провода и кабельные материалы достигнет около 350 тыс. тонн.Полиолефиновые материалы, обычно используемые в кабелях, обладают относительно высокой воспламеняемостью, склонны к разложению и возгоранию при высоких температурах, а также образуют большое количество расплавленных капель во время горения, воспламеняя другие горючие материалы и расширяя масштабы пожара, что может привести к серьезным жертвам. и огромные экономические потери.Поэтому исследования огнезащитных свойств полиолефиновых кабелей стали предметом особой озабоченности.

Полиолефиновые огнестойкие кабельные материалы представляют собой огнестойкие модифицированные огнезащитными добавками материалы для изоляции и оболочек кабелей.Полиолефиновые базовые материалы для огнестойких кабелей должны отвечать следующим требованиям:

(1) иметь хорошие электрические, механические и технологические свойства;

(2) способствует увеличению количества огнезащитных добавок.

Добавки для огнезащитного кабеля должны отвечать следующим требованиям:

(1) сам по себе обладает огнезащитными свойствами;

(2) Уменьшите количество дыма и токсичности полиолефиновых кабельных материалов;

(3) сохранять электрические, механические и технологические свойства огнестойких кабельных материалов.

Эта статья начинается с выбора безгалогенных огнестойких кабельных полиолефиновых матриц для анализа пиролиза полиолефинов и механизма огнезащиты, а также обсуждаются типы огнезащитных добавок и механизма огнезащиты и, наконец, обсуждается текущее состояние исследований в области огнезащиты. Технология изготовления кабелей из огнестойкого полиолефина, преимущества и недостатки, а также конкретные области применения.

1. Выбор основного материала огнестойкого кабеля

В качестве носителя передачи энергии решающее значение имеют изоляционные характеристики и механическая прочность кабеля, а материал матрицы кабеля напрямую влияет на электрические и механические свойства материала кабеля.В настоящее время широко используемые полиолефиновые кабельные матричные материалы для полиэтилена и сшитого полиэтилена, помимо полипропилена в качестве основы материала силового кабеля, также находятся в центре внимания исследований.

ЧП

ПЭ не имеет полярных групп в своей молекулярной структуре и является неполярным полимерным материалом, в то время как безгалогенные антипирены обычно имеют сильную полярность и плохую совместимость с ПЭ.Поэтому улучшение полярности основного материала полиэтиленового кабеля или использование связующего агента для борьбы с огнезащитными добавками с целью улучшения количества наполнителя и совместимости негалогенированных антипиренов является ключевым шагом для улучшения огнезащитных характеристик полиэтилена.Обычно используемый метод улучшения полярности основного материала полиэтилена заключается в смешивании и модификации полиэтилена более полярными полимерами, включая: EVA, EEA и EPDM.С одной стороны, добавление этих сополимеров вводит полярные группы, что, в свою очередь, улучшает сродство между полимерной матрицей и неорганическим антипиреном, а также позволяет увеличить количество наполнителя антипирена и улучшить огнезащитные свойства композиционного материала. .С другой стороны, эти сополимеры обладают хорошими изгибными свойствами, ударной вязкостью, устойчивостью к растрескиванию под воздействием окружающей среды и адгезионными свойствами, особенно могут быть улучшены механические свойства.

ПП

ПП широко используется в различных отраслях промышленности для изготовления проводов и кабелей электрооборудования благодаря своим превосходным электрическим свойствам, стойкости к химическим реагентам и маслостойкости.Обычные полипропиленовые материалы имеют низкую прочность и ударопрочность, и исследователи модифицировали их посредством сополимеризации, смешивания, прививки, нанодобавления и т. д., при этом механические и электрические свойства были значительно улучшены.По сравнению с кабелями из сшитого полиэтилена, модифицированный термопластичный ПП проще в обработке и обладает характеристиками вторичной переработки, что повышает скорость производства кабеля и значительно снижает производственные затраты.Кроме того, термостойкость кабеля из ПП выше, чем из сшитого полиэтилена, что позволяет значительно улучшить пропускную способность кабеля, что очень ожидаемо в области силовых кабелей.

Теплота сгорания ПП очень высокая, низкий уровень углерода, и ограничение ПП как огнестойкого кабельного материала является основным недостатком его молекулярной цепи - короче, более высокая кристалличность, что приводит к тому, что его совместимость с антипиренами относительно плохая, небольшая количество антипирена, что приведет к значительному ухудшению технологических и механических свойств ПП.Особенно когда кабель необходимо согнуть, его сопротивление изгибу также плохое, в процессе транспортировки и прокладки может возникнуть механическое повреждение.Поэтому, исходя из предпосылки отсутствия влияния на механические свойства ПП, улучшение его огнезащитных свойств стало горячей точкой исследований по модификации огнезащитных свойств ПП.

Методы модификации огнестойкого основного материала ПП разнообразны, но использование в области смешивания изоляции кабеля и модификации сополимеризации является наиболее эффективным способом.Модификация смешения – это ПП и другие эластомеры: ПЭ, EVA, смесь ПОЭ, сополимеризационная модификация – молекулярная цепь ПП, соединенная с молекулярной цепью этилена или пропилена.Эти два метода с низкой стоимостью, простотой процесса и технической гибкостью как внутри страны, так и за рубежом имеют хорошие перспективы для развития.

2. Типы огнестойких полиолефиновых кабелей

Характеристики горения полиолефинов

ПЭ, ПП и другие полиолефиновые составные элементы с содержанием C, H чрезвычайно высоки, поэтому очень легко горят, предел кислородного индекса составляет всего 17%, а в процессе горения склонны к плавлению капель и замедленному возгоранию. .Процесс сгорания полиолефина состоит из трех стадий размягчения, разложения и сгорания, на которых в процессе разложения образуется большое количество горючих веществ, а тепло, выделяющееся в процессе сгорания, способствует разложению полиолефина.Таким образом, огнезащитный механизм огнестойких полиолефиновых кабельных материалов в основном проявляется в использовании антипиренов для замедления термического разложения материала, ограничения теплопередачи во избежание пожара.По составу антипиренов безгалогенные антипирены можно разделить на фосфорные, азотные, кремниевые, борные, неорганические гидроксиды металлов и расширяющиеся.

Безгалогенные антипирены

В настоящее время широко используемые безгалогенные антипирены для силовых кабелей включают антипирены на основе азота, фосфора, бора и кремния.

I. Антипирены на основе азота

В основном меламин и его соль, температура его разложения высокая, в процессе сгорания в основном образуются: NH3, N2, NO, водяной пар и другие нетоксичные, неагрессивные продукты.Антипирены на основе азота поглощают большое количество тепла и выделяют негорючие газы посредством улетучивания и термического разложения, что может значительно снизить температуру поверхности полимеров и разбавить концентрацию горючих газов и кислорода в окружающей среде и в конечном итоге обеспечить хорошее пламя. замедляющие эффекты.Антипирены на основе азота и другие антипирены, применяемые одновременно, имеют хороший синергетический эффект, например, азотно-фосфорный антипирен, который может способствовать карбонизации фосфора, образованию расширенного углеродного слоя, играет хорошую роль в теплоизоляции. и огнестойкий.Некоторые азотные антипирены, такие как цианурат меламина, часто используются в качестве смазок и добавок, улучшающих совместимость, для улучшения смешивания других антипиренов с полиолефинами.

II.Фосфорные антипирены

Основное использование фосфорных групп в процессе термического разложения может привести к дегидратации поверхности полимера, карбонизации, играть роль в огнезащитной изоляции.Среди них полифосфат аммония (APP) обычно используется в огнестойкой системе силовых кабелей.Недостатками фосфорсодержащих антипиренов являются то, что фосфорный элемент обладает нейротоксичностью, низкой стабильностью, плохой водостойкостью, плохой совместимостью с полимерами, относительно большим влиянием на механические свойства, поэтому применение ограничено.

III.Соединения бора

Огнезащитный механизм соединений бора заключается в образовании стекловидного изолирующего слоя в процессе горения, блокировании воздействия кислорода и летучих горючих газов, предотвращении дальнейшего окисления древесного слоя и содействии образованию древесного угля.По сравнению с фосфорным антипиреном, борный антипирен обладает хорошей термической стабильностью, низкой токсичностью и небольшим дымом, поэтому он больше подходит для популяризации и применения.Борат цинка обычно используется в качестве огнезащитного коэффициента, но его эффект сам по себе не является хорошим, и в основном он используется в качестве огнезащитного коэффициента.

IV.Кремний огнезащитный

Кремниевый антипирен — это новый тип экологически чистого антипирена с высокой огнезащитной эффективностью, низкой токсичностью, защитой от плавления капель и отсутствием дыма.В огнезащитных материалах силовых кабелей обычно используются неорганические антипирены на основе диоксида кремния, включая силикатные минералы, такие как тальк, слоистый силикат, пористый силикат и т. д. Они не только способствуют образованию углерода в процессе горения, но и повышают роль поглощение дыма.

V. Неорганические антипирены на основе гидроксидов металлов.

В настоящее время широко используемыми неорганическими гидроксидами металлов являются гидроксид алюминия (ATH) и гидроксид магния (MDH), которые обладают характеристиками низкого дымообразования, нетоксичности, экологичности и защиты окружающей среды и получили широкое внимание как новое экологически чистое пламя. замедлители.ATH и MDH начинают разлагаться и поглощать большое количество тепла, чтобы снизить локальную температуру зоны горения, когда температура превышает 200 ℃, а разложение водяного пара, образующегося при разложении горючих газов, снижает концентрацию кислород, а негорючий газ образуется в результате разложения горючих газов и кислорода.Водяной пар, образующийся при их разложении, разбавляет концентрацию горючих газов и кислорода, в то же время образующиеся негорючие оксиды образуют изолирующую пленку, оказывающую огнезащитное действие.

Неорганические гидроксиды металлов полагаются на собственное разложение, чтобы уменьшить теплоту сгорания, одновременно разбавляя кислород, поэтому его огнезащитная эффективность ниже, их содержание часто превышает 50%.В то же время полярность неорганического гидроксида металла велика, а совместимость полиолефинового основного материала кабеля плохая, в результате чего его трудно диспергировать во время обработки, легко образовывать точки механического напряжения, что значительно повышает механические свойства материала кабеля. уменьшенный.В настоящее время исследования ATH и MDH как антипиренов по-прежнему сосредоточены на решении проблемы совместимости, а широко используемые методы включают: утончение частиц, модификацию поверхности и повышение совместимости.

VI.Вспучивающиеся антипирены

Состав вспучивающегося антипирена в основном основан на фосфоре и азоте, что сочетает в себе преимущества двух видов антипиренов и характеризуется нетоксичностью и меньшим дымовыделением.Фосфор после нагревания образует изолирующую пленку, а азот после нагревания разлагается на воду и газ, при этом разлагаемый азотом газ способствует образованию пенистого угольного слоя фосфора.Слой пенистого угля может играть роль кислородного барьера и теплоизоляции, и в то же время предотвращать появление расплавленных капель.По сравнению с другими безгалогенными огнезащитными системами в области огнезащитных ПЭ и ПП превосходный огнезащитный эффект может быть достигнут при содержании IFR 20–30%.

Теоретическое содержание фосфора в APP составляет до 31% и более, что является наиболее распространенным источником кислоты в IFR, а также служит источником газа.Однако APP, применяемый в PE и PP, имеет множество дефектов в работе, например, недостаточно высокая термическая стабильность, раздражающий запах и явление коррозионной плесени во время обработки;плохая совместимость с ПЭ и ПП, которые не могут соответствовать требованиям по механическим свойствам;плохая водостойкость, большое поглощение влаги и так далее.Поэтому модификация поверхности АПФ является одним из эффективных способов решения вышеуказанных проблем.

Модификацию поверхности АПП можно разделить на два вида: метод физического покрытия и метод химической модификации поверхности.Ключом к физическому покрытию является то, что материал покрытия должен иметь хорошую совместимость с АПП, чтобы обеспечить прочность покрытия;материал покрытия также должен обладать хорошей термической стабильностью, межфазной совместимостью и хорошей водостойкостью.По сравнению с физическим покрытием химическая модификация имеет более сильную силу сцепления, но химическая модификация приведет к более высокой стоимости АПП и повышению порога его применения.

Технология огнезащитного материала кабеля

В соответствии с положениями GB/T32129-2015 «Безгалогенный малодымный огнестойкий кабельный материал для проводов и кабелей», модифицированные материалы силовых кабелей из полиэтилена и полипропилена должны соответствовать характеристикам, указанным в Таблице 1.

VII.Модифицированные антипирены на основе гидроксидов металлов

Гидроксид металла является широко используемым зеленым антипиреном, и ввиду его недостатков, таких как плохие механические свойства и плохая совместимость с модифицированными огнестойкими кабельными материалами, исследователи попытались модифицировать его, чтобы улучшить совместимость и повысить эффективность огнезащиты.Если взять в качестве примера МДГ, то его поверхность модифицируется с использованием связующего агента одновременно с гидрофильными и липофильными группами, а связующий агент соединяет оксиды металлов и полиолефины вместе, что может очень хорошо улучшить совместимость.

Заключение

Полиолефиновые огнестойкие кабельные материалы обладают хорошими изоляционными свойствами и в больших количествах используются во всем мире для изоляции силовых кабелей, внося важный вклад в передачу энергии.Однако, учитывая акцент на экологические проблемы, использование безгалогенных антипиренов вместо традиционных галогенных антипиренов является важной тенденцией в развитии кабельной изоляции.