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塑料选用对电线电缆防火的影响

发布时间: 2009-11-17    点击:   文章来源:中国电线电缆网   
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  • 塑料选用对电线电缆防火的影响 UL台湾研发技术部LillianChen 鉴于聚氯乙烯(PolyvinylChloride,PVC)塑料本身的特殊结构,其早已被广泛地运用在消费类产品中,如包装材料、信用卡、输送管线、电缆绝缘层、建筑材料等。相较于与其结构相近的聚乙烯(Polyethylene,PE),PVC是由一个氯原子取代PE结构中的一个氢原子而研发出来的,因此不仅PVC的硬度藉由“氢-氯”间的强力键结而有效提高,且PVC在高温环境下
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    塑料选用对电线电缆防火的影响

     UL 台湾研发技术部Lillian Chen
     
    鉴于聚氯乙烯 (Polyvinyl Chloride, PVC) 塑料本身的特殊结构,其早已被广泛地运用在消费类产品中,如包装材料、信用卡、输送管线、电缆绝缘层、建筑材料等。相较于与其结构相近的聚乙烯 (Polyethylene,PE) ,PVC 是由一个氯原子取代 PE 结构中的一个氢原子而研发出来的,因此不仅 PVC 的硬度藉由“氢-氯”间的强力键结而有效提高,且 PVC在高温环境下会释放氯自由基与火焰中的氢或氢氧自由基反应,来达到阻燃目的,同时PVC 的可挠性又能通过添加塑化剂而提升,所以使得 PVC 的运用愈加多元化。
     
    2008 年,全球 PVC 产能高达 3 千 4 百万吨,根据 2005 年发表的 PVC Handbook资料显示,因上述的 PVC 特性,其中约有 40% 的 PVC 产能被用作电线电缆的绝缘层 (Insulation) 与电缆外层 (Jacket)。
     
    只是 PVC 虽因优异的特性广受青睐,但它燃烧时却会大量产生对人体有害的“戴奥辛” (Dioxins) 毒气,基于近年环保团体对于无卤环境的要求日益升高,许多用来取代 PVC 的低烟无卤 (Low Smoke Zero Halogen, LSZH) 材料陆续被开发。不过不同材料会呈现差异极大的阻燃能力,所以厂商在设计电线电缆时,应针对不同用途,选择具适用阻燃效果的绝缘塑料。
     
    材料阻燃能力分析
     
    UL早年已针对材料阻燃力展开研究,并发表与实境燃烧结果相近的 UL 910 Steiner Tunnel (史坦纳燧道) 燃烧测试方法。《表一》所示为 UL 与 BRE/ FRS (Building Research Establishment/ Fire Research Station) 所合作的燃烧测试研究报告,经由塑料工业协会SPI发表,主要是针对5 种不同类型的传输电缆,包括 CMX/T、CMP、CMX、IEC 332-1 等级 (LSZH) 以及 IEC 332-3 等级 (LSZH) 进行实境仿真燃烧与 UL 910 Steiner Tunnel 燃烧测试。通过两种不同的测试方式,我们可观察出 5 种不同的电缆呈现出的火焰蔓延程度与烟雾浓度的差异。
     
    《表一》5种传输电缆的UL 910 Steiner Tunnel与实境仿真燃烧结果分析
    线型
    绝缘层用料
    外层用料
    火焰蔓延分析 (已燃烧线材状态)
    浓烟散布分析 (瞬间最高光密度)
    浓烟散布分析 (平均光密度)
    CMX/T1
    聚乙烯 (PE)
    聚氯乙烯 (PVC)
    低于 10% (90%的电缆维持完整)
    低于 0.5
    低于 0.1
    CMP
    氟化聚合物
    氟化聚合物
    低于 20% (80%的电缆维持完整)
    低于 0.5
    低于 0.1
    CMX
    聚乙烯 (PE)
    聚氯乙烯 (PVC)
    100%
    (燃烧殆尽)
    高于 2.0
    高于 0.9
    IEC 332-1 等级(LSZH)
    聚乙烯 (PE)
    聚乙烯 (PE)
    100%
    (燃烧殆尽)
    接近 1.0
    接近 0.1
    IEC 332-3 等级(LSZH)
    聚乙烯 (PE)
    聚乙烯 (PE)
    100%
    (燃烧殆尽)
    低于 0.5
    接近 0.1
    1将CMX电缆放置于金属线槽时
    测试结果显示,以聚乙烯为绝缘层,PVC 为外层的 CMX 电缆,在测试过程中会产生极大的浓烟,电缆本身也在测试过程中燃烧殆尽;而以氟化聚合物做为绝缘层与电缆外层的 CMP 电缆,不但没有产生过多烟雾,且火焰蔓延的程度皆维持在测试电缆总长度的 20% 以内;强调低烟无卤的 LSZH 电缆,虽然不会产生过多的烟雾,但因材料本身的阻燃性不佳,所以在极短的时间内即会全数燃烧殆尽;至于外部以金属线槽包围的 CMX/T 电缆,虽然同样以 CMX 电缆进行测试,但藉由外部线槽的保护与隔离火焰,却让 CMX/T 获得极佳的测试结果。
    由此可知,材料选用对于电缆的防火能力有极大的影响。以 CMX 电缆为例,虽然该电缆基于成本考虑,外层选用阻燃性较佳的 PVC 材料,但因内部以 PE 做为绝缘层,反而使得这样的组合展现最差的测试结果。
     
    未来研究方向
     
    为协助线缆厂商设计兼顾经济效益与安全品质的产品,UL 持续深入探究不同用料的电线电缆所应有的不同阻燃需求的燃烧测试方法。但研究材料的阻燃特性必须从材料本身特性着手,因此 UL 除了不断开发更符合实际状况与更快速的燃烧测试方法外,近年来也加强了材料特性的研究:
     
    1.         材料燃烧时所释放的热量是否与燃烧行为之间有量化的关系;
    2.         添加物的成分和组成对燃烧能力的影响,及
    3.         材料老化是否影响材料阻燃能力等等。
     
    UL 台湾研发技术部 (Corporate Research) 已于 2009 年初成立了前瞻材料研究实验室(Advanced Materials Science Laboratory) ,计划通过各种先进的材料分析设备,能对材料特性有更多的了解。该实验室引进的分析设备包括场发射式电子显微镜、能量分散光谱仪、温控式拉伸试验机、热分析仪器系列 (DMA, DSC, TGA-MS-IR) 、成份鉴定设备 (GC/MS, ICP, FT-IR, UV) 等,未来还将增添燃烧试验测试设备与其它更先进的材料分析设备,以扩展研究能力。此外,UL 台湾研发技术部已针对新能源,如锂电池、太阳能发电与燃料电池的材料特性与使用安全的测试与分析技术进行研究,并寻求与工研院、塑料中心、核研所等组织的合作,以更精确的研究结果制定符合市场需求、兼顾公众安全的标准规范。
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