线缆行业高速发展，塑料材料“大展身手”

随着人类电气化时代的发展，电线电缆的需求量不断增加，塑料改性技术的应用在一定程度上满足了电线电缆的生产需求。本文将简述电线电缆的主要功能并对其进行分类介绍，结合当下电线电缆行业的发展需求，对当下常用及重要的几种电线电缆加以介绍，并对使用在其上的塑料改性技术进行分享。

一、电线电缆结构及简单命名介绍

1.电线电缆结构

电线电缆是由拉制、绞制、包覆三个工序协作完成，涉及电力、通信、电气装备、核电站、太阳能、风能等领域，是与人们工作、生活息息相关的物件之一。“电线”和“电缆”并没有严格的界限，通常将芯数少、产品直径小、额定电压相较低、结构较简单、规格较小的称为电线，没有绝缘的称为裸电线，其他的称为电缆。

表 1 电缆绝缘、护层材料及相关制造标准

电线电缆的主要功能是传输电能、信号并实现电能和磁能的转换，其主要分为五类：裸电线及裸导体、电力电缆、电气装备用电线电缆、通讯电缆及光纤、电磁线。传输电力的有架空线路、电力电缆等，传输信号的有同轴电缆，实现电能磁能转换的如漆包线等等。电线电缆结构描述为导线材质 + 绝缘材质 + 内护层材质 +外护层材质 + 铠装型式[1]。电缆结构中绝缘、护层材料及相关制造标准如表1所示[2]。

表2 电线电缆简单命名介绍

2.电线电缆技术参数及分类命名

电线电缆的各种技术性能参数，是衡量其质量的重要标准。其性能参数主要有：结构性能参数，如单根直径、绝缘的厚度、包带填充、编织数量、护套的厚度；电气性能参数，如绝缘参数、直流电阻、火花试压、耐压试压；机械性能参数，如抗老化性、抗张强度、抗低温性、曲挠性；特殊性能参数，如防水性、耐火性、阻燃性等[3]。

表3 阻燃电缆分级表

由于技术性的不同，电线电缆的规格繁多，简称也多。电线电缆命名规则主要包括电线电缆应用场合、电线电缆结构材料、电线电缆的重要特征或附加特征，以下主要对几种简单的命名进行介绍（表2）。

二、电线电缆特性及其应用材料

电线电缆根据其本身具有的燃烧特性,分为普通电线电缆、耐火电线电缆、阻燃电线电缆及矿物绝缘电缆。其中，普通电线电缆为不具有阻燃、耐火、无卤及低烟等特性的电线电缆；矿物绝缘电缆为用矿物(如氧化镁)作为绝缘的电缆，通常由铜导体、矿物绝缘、铜护套构成，不含有机材料，具有不燃、无烟、无毒和耐火特性。本文主要介绍耐火电线电缆和阻燃电线电缆。

1.耐火电线电缆

根据国际标准 IEC 60331《在火焰条件下测试电缆维持线路完整性的能力》以及我国标准 GB/T 19216《在火焰条件下电缆或光缆的线路完整性试验》中的规定，“耐火电缆的线路完整性”定义为“在规定的火源、规定的电缆承受状况和规定的时间周期内，电缆以设定的方式持续运行的能力。”结合这些标准中试验条件的具体规定，可以看出耐火电缆的本质要求是在火灾事故条件下可继续维持运行合理时间，以满足人员自救和消防救援的需要[4]。

耐火电线电缆按耐火特性分为A类和B类两种，A类受火温度950℃ ～1000℃，B类受火温度750℃～800℃[5]。按绝缘材料可分为有机型和无机型两种。有机物通常是指有机化合物，是含碳化合物、碳氢化合物及其衍生物的总称。无机物通常是指无机化合物，是除碳元素以外各元素的化合物。大多数的无机物可以归入盐、氧化物、碱、酸四大类。

有机型耐火电缆的耐火层主要采用耐高温800℃的云母带，并以50%重叠搭盖率包覆两层组合而成。外部采用聚氯乙烯或交联聚氯乙烯为绝缘，若同时要求阻燃，只要将绝缘材料选用阻燃型材料即可。它之所以具有耐火特性完全依赖于云母层的保护。有机类耐火电缆的耐火特性一般只能做到B类，加入水合物隔氧层后，水合物脱水焦化隔绝氧气，可以使电缆耐受950℃高温，从而达到耐火A类标准。

无机型矿物绝缘电缆主要是采用氧化镁作为绝缘材料，并且以铜管作为护套的电缆。无机型矿物绝缘电缆在一定情况下可以认为是真正的耐火电缆，只要火焰温度不超过铜的熔点1083℃，电缆就可以坚持工作正常使用。矿物绝缘施工环境要求比较严格，电缆需防止潮气侵入，电缆需要使用各类专用接头及附件。

目前国内市场上耐火电缆材料有传统耐火云母带、陶瓷化硅橡胶耐火带、挤出型陶瓷化硅橡胶耐火材料、陶瓷化聚烯烃耐火材料、氧化镁耐火材料等。

2.阻燃电线电缆

阻燃电缆是在一定的条件下撤去火源后残焰和残灼能够在规定时间内自行熄灭特性的电缆。阻燃电缆的阻燃等级分为A、B、C、D四级，分级标准如表3所示。

阻燃材料的选取通常有如下要求：（1）与电缆料中的基体材料复配时相容性好；（2）在少量添加的情况下可达到阻燃要求，利于控制成本；（3）添加阻燃剂后，电缆在燃烧时发出的烟雾较少；（4）为保证阻燃材料的正常使用，不能由于阻燃剂的加入导致体系力学性能和电气性能剧烈下降[6]。

阻燃电缆主要分为一般阻燃电缆、低烟低卤阻燃电缆、无卤阻燃电缆。电缆用的阻燃材料一般分为含卤型及无卤型阻燃剂两种。含卤型有聚氯乙烯、聚四氯乙烯、氯磺化聚乙烯、氯丁橡胶等。无卤型有聚乙烯、交联聚乙烯、天然橡胶、乙丙橡胶、硅橡胶等。

卤系阻燃剂是目前世界上产量最大的有机阻燃剂之一，以其添加量少，阻燃效果显著，在阻燃领域中具有重要地位[7]。不过有卤阻燃（阻燃剂含有卤族元素，主要有十溴二苯醚和氯化石蜡）这些阻燃电线电缆依靠含卤阻燃剂热分解形成的卤化氢达到阻燃目的，因此要提高阻燃等级就要相应增加电缆绝缘、护套中的卤素剂量，使得电缆燃烧释放出的烟气量和毒性急剧增加。这类含卤阻燃电缆料在火灾发生时将严重危害生命与财产。随着国家对市政和民用措施的安全性要求增高，低烟、无卤阻燃电缆料的需求在近年来快速增长，因此，开发新一代的阻燃电缆迫在眉睫[8,9]。

近年来，电缆料在生产中主要采用的是氢氧化物阻燃体系、磷系阻燃体系、膨胀型阻燃体系、有机硅阻燃体系、硼系阻燃体系和纳米阻燃体系等，这也是电缆料无卤阻燃技术的发展方向。以下对几种体系进行简要介绍：

◆磷系阻燃剂。磷系阻燃剂受热时分解生成热稳定性强的聚偏磷酸，在燃烧物表面形成隔离层。另外，聚偏磷酸有脱水作用，促进炭化，使表面形成炭化膜，从而起到阻燃作用。磷系阻燃聚合物燃烧时对环境污染少。阻燃剂含量较少就能达到好的阻燃效果，且对聚合物材料的各种性能影响小，得到了广泛应用。但红磷易吸湿，会放出有毒磷化氢，其次有机磷系阻燃剂也有发烟量大、毒性大、易水解、热稳定性等不足。因此对红磷改性处理是必要的。目前对红磷改性处理最有效的方法是表面包覆。

◆金属氢氧化物阻燃剂。氢氧化铝和氢氧化镁是无机阻燃剂的主要品种，它无毒、低毒、腐蚀小、价格低、热稳定性好，被誉为无公害阻燃剂。无机阻燃剂是亲水性物质，而高分子材料基体则是亲油性，两者热力学上互不相容，从而限制了无机阻燃剂的填充量，降低了其分散性。因此，无机阻燃剂在添加之前，必须经过表面改性，改性效果的差异对分散性能有很大影响，进而影响到材料的性能。

◆膨胀型阻燃剂。膨胀型阻燃剂(简称 IFR 体系)是以磷、氮、碳为主要核心成分的阻燃剂。含这类阻燃剂的高聚物受热时，其表面将形成一层均匀的炭质泡沫层。该炭质层具有阻隔热量及氧气的传递和抑烟的作用，并能防止燃烧过程产生熔滴，具有良好的阻燃性能，且低烟、低毒，无腐蚀性气体产生。膨胀体系对烟释放速率有抑制作用，因此，膨胀阻燃技术已成为当前最活跃的阻燃研究领域之一。

◆有机硅阻燃剂。有机硅系阻燃剂是近年来开发的一种新型高效、低毒、防熔滴、环境友好的无卤阻燃剂，也是一种成炭型抑烟剂。它在赋予高聚物优异阻燃抑烟性的同时，又能改善材料的流变性能及提高材料的机械强度，特别是低温冲击强度。随着环保意识的日益加强，硅系阻燃剂及硅阻燃剂量为基础构成的复合物将是今后研究和开发绿色化阻燃剂的趋势之一。

◆纳米阻燃剂。近年来随着纳米材料研究的不断深入，纳米阻燃剂已成为阻燃剂行业研究的一个热点。纳米无机阻燃剂既可以单独添加到高聚物材料中去，也可与传统的阻燃材料复配使用，而且无卤、无毒、低烟、廉价，是一类环保型的阻燃剂。尤其是添加纳米复合物后，材料的热稳定性和阻燃性能有很大的提高。此外，由于添加量比传统的无机材料少得多，因而材料的力学和物理性能影响较小，是一类极具应用前景的新型阻燃材料。

低烟无卤阻燃聚烯烃电线电缆料一般添加无机阻燃剂，其阻燃机理是[10]：电缆在火灾中水合金属化合物受热分解，释放出结晶水，并吸收大量的热量，从而抑制聚烯烃温度上升，延缓其热分解，并降低燃烧速率；产生的水蒸气能稀释可燃气体，起到阻燃的作用；同时分解生成的三氧化二铝、氧化镁能形成一层覆盖层，切断氧气供给，限制电线电缆燃烧，阻止可燃气体的流动。这类阻燃剂具有填充、消烟和阻燃三重功能。同时一般会在阻燃体系中添加抑烟效果明显的消烟阻燃剂，如钼酸铵、硼酸锌等[11]。

虽然无机阻燃剂优点很多，不过由于其与树脂的相容性差，添加量又比较大，故往往造成电线电缆料的机械性能下降。为改善无机阻燃剂与树脂的相容性，目前对此类阻燃剂的处理主要有以下三种方式：一是表面化处理，用硅烷偶联剂或硬脂酸钠等表面活性剂处理阻燃剂与材料的相容性，主要方法有干性改性和湿法改性，干性改性是将少量惰性溶剂与阻燃剂混合后在进行加温偶联，湿法改性是将阻燃剂和偶联剂溶于溶剂，偶联后再将溶剂分离。二是微细化处理，这一步通过对阻燃剂的细化处理来提高阻燃剂与树脂的相容性，降低阻燃剂添加量。三是协同效应，将不同种类的阻燃剂混合使用以起到协效阻燃的作用[12]。除了对阻燃剂进行处理外，还可以使用相容剂来提高树脂基体与无机成分的相容性，同时也提高色粉的分散性。

结语

现在我国高压电缆、高附加值的电缆、电子电缆、特种电缆、光纤电缆、汽车线束电缆以及建筑用电线电缆等的需求量都比较大。所以，我国相关的材料企业也应当加强对这些需求量较大、质量要求较高、科技含量高的产品的材料研究开发，并提高产品制造水平和合格率，推动我国电线电缆企业发展为全球电线电缆行业的龙头企业。