電纜用半導(dǎo)電阻燃帶的研究

楊宏艷

(沈陽天榮電纜材料有限公司，遼寧 沈陽110027)

0 引言

在中、高壓電力電纜生產(chǎn)過程中，受制造工藝的限制，在導(dǎo)體的外表面不可避免地存在尖端或突起。這些尖端或突起的電場非常高，高的電場必然導(dǎo)致尖端或突起向絕緣中注入空間電荷。注入的空間電荷將引起絕緣的電樹枝化或水樹枝化［1-4］。為了緩和電纜內(nèi)部的電場集中，改善絕緣層內(nèi)、外表面電場應(yīng)力分布，提高電纜的電氣強度，要求在導(dǎo)電線芯與絕緣層、絕緣層與金屬層之間分別加有一層半導(dǎo)電屏蔽層，稱為導(dǎo)體屏蔽層和絕緣屏蔽層。

在外護(hù)套內(nèi)，絕緣線芯的絕緣層吸收了由護(hù)套外傳來的熱量，使絕緣層溫度升高，促使聚合物降解(分解)成低分子揮發(fā)物。當(dāng)溫度繼續(xù)升高達(dá)到分解物的著火溫度，再有空氣存在的情況下引發(fā)燃燒，繼而產(chǎn)生熱量使該燃燒部位溫度進(jìn)一步升高，直到電纜全部燒光。為可靠起見，一般在成纜后的纜芯外包扎2～3層阻燃帶作為阻燃層［5］。

目前在電纜結(jié)構(gòu)中通常使用半導(dǎo)電帶、阻燃帶來達(dá)到上述目的。雖然具有屏蔽和阻燃性能，但往往是兩種材料多次繞包的結(jié)構(gòu)，兩種材料的性能互相影響，降低了屏蔽和阻燃功能，且生產(chǎn)成本高，不宜推廣和普及。

本文以玻璃纖維布為骨架材料，配合半導(dǎo)電阻燃膠，研制出電纜用半導(dǎo)電阻燃帶，以提高電纜的電氣、消防安全性能并降低生產(chǎn)成本。

1 實驗部分

1.1 實驗的原料及儀器設(shè)備

丙烯酸酯乳液、導(dǎo)電炭黑、聚磷酸胺、季戊四醇、三聚氰胺，以上試劑均為市售。

電子拉伸試驗機，數(shù)顯氧指數(shù)儀和萬用表。

1.2 半導(dǎo)電阻燃膠的制備

按配方比例將組分充分混合均勻，研磨分散，用去離子水調(diào)至合適粘度，攪勻，即得半導(dǎo)電阻燃膠。

1.3 試樣制作及測試

在骨架材料玻璃纖維布上涂覆半導(dǎo)電阻燃膠，涂層經(jīng)固化而得產(chǎn)品。

拉伸試驗機測定試樣的拉伸強度和斷裂伸長率。數(shù)顯氧指數(shù)儀測定試樣的氧指數(shù)。萬用表測定試樣的表面電阻和體積電阻率。

2 結(jié)果與討論

2.1 基料的選擇

本實驗選擇丙烯酸乳液，因其乳液無毒無味，且涂膜性能穩(wěn)定、耐老化和耐水性較好。

2.2 填料的選擇

本實驗選擇乙炔炭黑，提高電氣性能。

2.3 阻燃劑的選擇

目前多采用在高分子聚合物中加入阻燃劑的方法進(jìn)行阻燃。這種阻燃劑可分為添加型和反應(yīng)型。采用反應(yīng)型阻燃劑，其阻燃效果持久，但價格高、應(yīng)用靈活性小、品種少，故生產(chǎn)時應(yīng)用最普遍的是添加型阻燃劑。

(1)鹵系阻燃劑。鹵系阻燃劑在熱解過程中，能分解出捕獲傳遞燃燒的自由基和HX。HX能稀釋燃燒時產(chǎn)生的可燃?xì)怏w，隔斷可燃?xì)怏w與空氣中氧氣的接觸，達(dá)到阻燃的效果。鹵系阻燃劑中，氟化物價格高，效果差，很少用;碘化物效果好，不穩(wěn)定，價格也高，也很少用。在鹵系阻燃劑中，以溴系列阻燃劑應(yīng)用最廣，其生產(chǎn)工藝簡單，容易加工，而且相容性好。但其燃燒產(chǎn)物具有很長的大氣壽命，一旦進(jìn)入大氣就很難除去，嚴(yán)重地污染了大氣環(huán)境，更為甚者，它能造成臭氧層的破壞。因此，雖然鹵系阻燃劑阻燃效果良好且應(yīng)用很廣，但它仍將被淘汰，取而代之的是更為清潔、環(huán)保的綠色產(chǎn)品［6］。

(2)磷系阻燃劑。磷系阻燃劑的特點是阻燃效果好，但對高聚物機械性能影響較大。無機磷阻燃劑，常用的有紅磷、微膠囊紅磷、聚磷酸鹽、聚磷酸銨等。有機磷阻燃劑包括磷酸酯、膦酸及膦酸酯、膦氧化合物、環(huán)狀磷酸酯、含磷二元醇及多元醇［7］。紅磷易吸濕水解，放出有毒的磷化氫，工業(yè)產(chǎn)品需要做穩(wěn)定化處理和包覆。磷系阻燃劑也有發(fā)煙量大、毒性大、易水解、熱穩(wěn)定性差等缺點，限制了其在材料上的應(yīng)用。

(3)其他無機阻燃劑。無機阻燃劑大多是吸熱失水，有水蒸汽冷卻和稀釋可燃?xì)怏w的作用，可抑制燃燒的進(jìn)行。

鋁化合物，主要是氫氧化鋁。它價格低，具有阻燃、消煙和填充三種功能。氫氧化鋁失水溫度低，不適用于高聚物產(chǎn)品;氫氧化鎂的失水溫度高，同時又具有上述三種功能，適用于高聚物的產(chǎn)品，但其添加量較大，影響了聚合物的性能。

硼化合物，主要有硼酸鋅、硼酸胺、硼酸、硼紗、偏硼酸鋇等。硼化合物也是吸熱失水，同時還具有同磷化和物類似的“膜效應(yīng)”生成一種固熔體覆蓋在高聚物表面，產(chǎn)生阻燃效果，但一般充當(dāng)協(xié)效阻燃劑［8］。

(4)本實驗選用膨脹型阻燃劑。膨脹型阻燃劑一般是以 P、N、C元素為核心成分的復(fù)合阻燃劑。通常由碳源(成炭劑)、酸源(脫水劑)和氣源(膨脹劑)等三部分組成。燃燒時，各組分間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成多孔膨脹炭層，該炭層能起到隔熱、隔氧、抑煙和防熔滴作用，從而達(dá)到阻燃目的［9］。膨脹型阻燃劑的組成見表1。

表1 膨脹型阻燃劑的組成

本實驗采用季戊四醇作為成炭劑、聚磷酸銨為脫水劑、三聚氰胺為膨脹劑。

2.4 骨架材料的選擇

作為成纜包扎用帶，必須有一定的強度、柔軟及非吸濕性。采用中堿玻璃纖維布是較理想的材料。出于阻燃目的，選用中堿玻璃纖維布，它在以室溫到軟化溫度(550～850℃)范圍內(nèi)不會燃燒，是作阻燃骨架材料的有利條件。

2.5 半導(dǎo)電阻燃膠的配方和其制作的半導(dǎo)電阻燃帶的性能

經(jīng)選擇確定半導(dǎo)電阻燃膠的配方為丙烯酸乳液100份，聚磷酸銨20份，季戊四醇16份，三聚氰胺20份，炭黑12份，分散劑2份，去離子水適量(以上均為質(zhì)量份)。

此配方所制得的半導(dǎo)電阻燃膠涂覆于中堿玻璃纖維布上，所得制品性能見表2。

表2 電纜用半導(dǎo)電阻燃帶性能

3 結(jié)束語

本實驗制備的電纜用半導(dǎo)電阻燃帶電氣性能優(yōu)良、阻燃效果好且經(jīng)濟(jì)實用。

［1］Hagen S T，Ildstad E.Reduction of AC-breakdown strength due to particle inclusions in XLPE cable insulation［C］∥Third International Conference on Power Cables and Accessories 10 kV to 500 kV.1993.165-168.

［2］Hozumi N，Suzuki H，Okamoto T，Watanabe A.Direct observation of time-dependent space charge profiles in XLPE cable under high electric fields［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and E-lectrical Insulation，1994，1(6):1068-1076.

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［4］Suzuoki Y，Saito T，Moritz M，Komori F，Wu K，Kato T，Uchida K.Inception amd propagation of electrical tree from water tree degradation［polyethylene cable insulation］［C］//2004 Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena.2004.302-305.

［5］曠天申，孫玉良，楊 剛.阻燃電纜的結(jié)構(gòu)材料無鹵低煙阻燃帶研制［J］.電線電纜，1999(2):36-38.

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［7］余宗萍，許江松，楊 軍.磷酸酯改性的丙烯酸酯低聚物的合成［J］.涂料工業(yè)，2005，35(9):41-43.

［8］童孟良，周芝蘭，許沅沅.無機阻燃劑的研究進(jìn)展［J］.化工文摘，2008(2):45-48.

［9］吳 津，肖衛(wèi)東，牛克勤.丙烯酸脂聚合物阻燃劑［J］.膠體與聚合物，2001，19(4):41-44.