建筑物內通信電纜材料的毒性研究

文｜杜邦中國集團有限公司上海分公司 葉俊浩

目前國內建筑物通信電纜主要采用的是網線（LAN Cable），在建筑內連接用戶端口和各種通信設備，由于其使用的數量越來越多，以及像神經系統一樣遍布建筑內的各個角落，其已經成為建筑物火災的主要蔓延通道，為此國家相關部門對此問題也日趨重視，并提出使用安全通信電纜的要求，作為安全性的一個指標：毒性是多數用戶需要考慮的因素。但目前市場上對通信電纜材料的毒性認識不足，有些受某些廠商的誤導后，對材料的毒性產生了錯誤的認識，希望通過本文幫助大家正確的認識通信電纜的毒性問題，并通過科學的測試方法，對目前市場上的通信電纜的材料做一個毒性等級的歸類。

首先，需要解釋的是由于通信電纜的特殊性，對其有電氣性能指標的要求，而且電纜的電氣性能指標主要依賴于絕緣層材料的特性，所以可供選擇作為絕緣層的材料十分有限。目前為止，可以用作絕緣層的材料只有兩種：一種是聚乙烯（PE），一種是聚四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物（FEP），是氟塑料的一種。這兩種材料都因為其分子結構的對稱性，可以作為通信電纜的絕緣層材料，同時為了確保其良好的電氣傳輸性能，在絕緣層材料內都無法添加任何輔助添加劑，例如阻燃劑等。相比較而言，通信電纜的外護套材料可選擇的范圍稍廣，除了前面提到兩種材料以外，聚氯乙烯（PVC）也可以作為電纜的外護套材料。但是由于PE材料其可燃燒性很強，需要在電纜的外護套里添加一定比例的阻燃劑來提高它的阻燃特性，而PVC由于在燃燒時會產生黑煙，在一些高安全性能的電纜外護套里需要添加一定比例的阻煙劑來提高它的煙密度指標。表1是目前市場上常見通信電纜的組成歸類。

表1

關于對通信電纜的材料毒性的認識，我們認為可以從三個方面來考量：材料本身燃燒或分解的產物，材料在燃燒時的耗氧量以及觸發材料毒性產生的時間。

1 材料本身燃燒或分解的產物

這個是目前大家比較能直觀理解的材料毒性的一個方面，對可燃材料而言，例如PE、PVC其在燃燒時會產生大量的各類新的物質，包括燃燒產物和分解產物，對有機物而言，這類物質大多數是有毒的；對一些不可燃的材料而言，其不會產生燃燒殘留物，但當溫度達到足夠高使材料分解時，仍會有分解產物產生，某些分解產物也是有毒性的。

我們先來看可燃材料的毒性分析。對PE或PVC來說，其主要的組成分子結構是碳氫鍵，所以其主要的燃燒產物是CO和CO2，而在火災中，有很大一部分時間段材料處于缺氧的燃燒環境，其CO的產生量很多。無論是CO或CO2，在火災中吸入后都會對人體造成致命的影響。對PVC線和低煙無鹵線（其主要成分是PE）來說，在燃燒中多多少少會產生有機物的顆粒，形成有色煙霧，這些高溫的小顆粒被人體吸入，粘附在呼吸道內，會對人體造成致命傷害。關于材料的煙霧特性，因為其是火災中人員傷亡的一個主要因素，在電纜安全性能等級劃分里有專門的指標（最大煙密度和平均煙密度）來規定材料的煙霧特性，但就毒性來說，這也是電纜材料毒性的一個表現方面。

PE和PVC在燃燒的同時還伴隨著分解產物的產生，包括甲醛、乙醛、丙烯醛、乙酸、苯、甲苯等，這些物質都是毒性很強的物質，一旦吸入會對人體造成致命影響。例如丙烯醛，職業安全的允許可維持量為0.1ppm，當丙烯醛濃度達到4ppm時可對人體造成明顯刺激性傷害，當濃度達到20ppm時會使人體失去行動能力，當吸入濃度達到4000ppm時會導致人體立即死亡。

我們再來看不可燃材料的毒性分析。對通信電纜來說，主要就是氟塑料的分解產物。氟塑料主要是氟碳鍵的長鏈分子結構，由于該結構的穩定具有不燃燒的特性，所以沒有燃燒產物，但在500℃時，氟塑料會開始分解，其分解的產物主要是含氟的短鏈分子，如果溫度繼續上升，含氟的短鏈分子會進一步分解，在800℃時會有小分子的氟化氫（HF）產生，HF是一種有毒物質，吸入一定量后會對人體造成致命的影響。

從上所述，目前可作為通信電纜的材料在其燃燒或分解時均產生有毒物質，對人體都會有傷害。所以阻止火災的發生仍是最好的安全手段去控制有毒物質的產生。那一旦材料已經燃燒或分解，怎樣來評判材料的毒性強弱？目前國內外比較認可的毒性測試都是小白鼠實驗，通過分解產物對老鼠產生的死亡劑量來評判材料毒性的強弱。例如國家標準GB 20285-2006是目前被電纜行業引用的毒性測試方法。從目前對電纜材料的毒性要求來看分為三個等級，即T0、T1和T2，T0為毒性最小，我們隨機從市場上抽樣LCC、CMP和低煙無鹵電纜做T0測試，都是通過的。但這只代表所抽樣品的性能，具體每個廠家的產品都需要嚴格檢測，達到需要的毒性等級后方可使用。

T0的毒性實驗結果也澄清了一個誤解，市場上大多數人都認為CMP級的電纜（主要是材料是氟塑料）在分解時毒性很強，低煙無鹵材料毒性很小，但實驗結果表明，氟塑料的毒性沒有大家想象中那么強，低煙無鹵材料也不是大家想象中的那么無毒，結論是：在材料本身的毒性測試中這兩類材料的毒性處于同一水平，都可以達到T0。

2 材料燃燒時的耗氧量

氧氣是維持人體生存的重要物質，一旦人處于缺氧狀態，會使人迅速喪失行動能力，并導致人體的死亡，所以在燃燒過程中對氧氣的消耗量也是我們考量材料毒性的一個方面。

由于不可燃材料，例如氟塑料，其在正常的空氣環境中不會燃燒，不會消耗氧氣，所以在這點上，其是有優勢的（氟塑料的耐氧指數是95，也就是要在95%的氧環境下才會燃燒，這在正常的空氣環境下是無法達到的）。對可燃的PE和PVC來說，在其燃燒過程中都要消耗大量的氧氣，并產生大量的熱量使周圍溫度急劇升高。從這個指標來說，氟塑料在耗氧這點上要優于PE和PVC。

3 材料產生毒性的時間點

在考慮材料毒性時，我們還要看其產生毒性的時間，越晚產生有毒物質，越有利于火場里人員的逃生。

如圖1所示，對建筑物火災的過程可以分為四個階段：隱火、明火擴散、充分燃燒、熄滅。在每個階段向下一階段發展的中間都有明顯的溫度變化，在第三階段時到達的溫度最高，所以說火場里的溫度是一級一級升高的，一旦溫度達到材料產生有毒物質時，毒煙的發散就不可避免，所以最好的防止毒氣產生的方法是切斷其燃燒，阻止其達到材料產生毒煙的溫度，在這點上，阻燃材料和非阻燃材料對溫度上升的控制是完全不一樣的。

圖1

對可燃材料PE和PVC來說，其燃燒的溫度大概在100℃～150℃，處于火災分類的第二階段上升期，由于其可燃燒的特性，其燃燒過程助長了火勢向第三階段發展，同時伴隨著大量的CO和CO2等有毒氣體產生（雖然這些氣體可能是無色無味的，但確實有毒的，所以低煙不等于低毒），同時消耗了大量的氧氣，這些都是致命的因素。在第二階段的后半期，隨著溫度達到了PE和PVC的分解溫度，未被完全燃燒的材料發生了分解，產生了丙烯醛等刺激性氣體，加劇了火場的毒性環境。

相比較而言，氟塑料等難燃材料不會參與燃燒過程，所以不會對火場提供燃料來源，阻止了火勢朝高溫方向的發展，切斷了有毒煙氣產生的溫度鏈。對其本身的分解來說，一方面其自身的阻燃效應使溫度很難達到其較高的分解溫度，另一方面即使達到了分解溫度，也已是火勢處于第三階段，其發生時間要比其他材料晚得多，為火場人員的逃生贏得了寶貴的時間。

所以在毒性產生時間這個指標上氟塑料明顯優于低煙無鹵和PVC材料。

綜上所述，和市場上對氟塑料電纜錯誤的認識恰恰相反，低煙無鹵電纜和PVC電纜相比，氟塑料在衡量毒性的三個指標內有兩個優于其他材料（材料本身燃燒或分解的產物CMP與LSOH相當，但也優于PVC），所以其總體毒性的性能要好于低煙無鹵以及PVC。在加上氟塑料在阻燃特性（熱能釋放、煙霧釋放、蔓延距離、滴漏特性）方面對比低煙無鹵等其他材料有無可比擬的優勢，其總體安全性能是優于其他類電纜。

在美國的電纜安全性能劃分里氟塑料電纜所能達到的級別是CMP級，PE類及PVC類電纜能達到最高的級別是CMR，低于CMP一個級別。

在歐盟的電纜安全性能劃分里氟塑料電纜所能達到的級別是B1級，高于PE類和PVC類電纜能達到的最高級別B2級。

在即將頒布的中國電纜及光纜的安全性能劃分里，氟塑料所能達到的阻燃級別是II級，高于低煙無鹵和PVC類電纜所能達到的最高級別III級，在毒性級別上，氟塑料和低煙無鹵類電纜一樣能達到對電纜毒性的最高要求T0級（T0代表電纜毒性在一定的范圍內，并不代表無毒）。