1、 陶鎧超硬陶瓷化耐火聚烯烴及其在耐火電線電纜方面的應用趙 源 陶鎧高分子材料（上海）科技中心 摘 要：本文介紹了新近研制的陶鎧超硬陶瓷化聚烯烴，以及在耐火電線電纜方面的實際應用；探討和分析了目前防火耐火電纜所用的耐火絕緣材料，如防火泥、云母帶、氧化鎂、陶瓷化耐火硅橡膠及其復合帶、云母粉和滑石粉高填充橡膠等做耐火絕緣層的技術特性。關鍵詞： 陶鎧陶瓷化 聚烯烴 耐火 防火 硅橡膠 復合帶 云母帶 隔氧泥 云母粉 滑石粉 氧化鎂礦物 絕緣電纜 柔性防火電纜 應用 公司的發展：陶鎧高分子材料（上海）科技中心是目前唯一一家專業致力、專注研究、開發陶瓷化防火耐火高分子聚合物材料的高科技、先進新材料的科技公

2、司，我們的“陶瓷化”研究始于2005年，是國內外最早專業專注開發、研究橡膠和塑料高分子聚合物的“陶瓷化”的專業研究機構。2005-2006年首次在國內外發明并推廣應用了“陶瓷化防火耐火電線電纜硅橡膠（擠出型）”；2010年首次在國內外發明并推廣應用了”陶瓷化防火耐火硅橡膠復合帶（繞包型）“；2013年首次在國內外發明并推廣應用了”陶瓷化防火耐火云母帶（繞包型）“；2014年首次在國內外發明并推廣應用了”陶鎧陶瓷化耐火聚烯烴（熱塑型）“；2014年首次在國內外發明并推廣應用了”陶鎧陶瓷化低煙無鹵阻燃聚烯烴（注射型）“；2015年首次在國內外發明了”陶鎧陶瓷化低煙低鹵阻燃聚烯烴（熱塑型）“；201

3、5年首次在國內外發明了”陶鎧陶瓷化耐火聚烯烴（輻照交聯型）“；2015年首次在國內外發明了”陶鎧陶瓷化耐火聚烯烴（化學交聯型）“；2015年首次在國內外發明了”陶鎧陶瓷化耐火熱塑性彈性體“；2015年首次在國內外發明了”陶鎧陶瓷化耐火橡膠“。2015年首次在國內外發明了”陶鎧超硬陶瓷化耐火聚烯烴（熱塑型）“；2015年首次在國內、外發明了”陶鎧超硬陶瓷化耐火聚烯烴（輻照交聯型）“；2015年首次在國內、外發明了”陶鎧超硬陶瓷化耐火聚烯烴（化學交聯型）“；2015年研發出常溫固化陶鎧陶瓷化防火耐火無機氧化物礦物隔氧填充泥。1、 防火耐火電線電纜的現狀淺析近年來，隨著人們的安全意識的不斷加強，國內

4、外對電線電纜的防火耐火等級的要求也進一步提高。下面是不同國家和地區的耐火電纜標準試驗條件的對比。表1：世界各國耐火電纜試驗條件對比國 家標 準試 驗 溫 度試驗時間施加電壓加熱方式其他條件國際電工委員會IEC6033175080090min電力電纜:0.6/1kV以下數據電纜:110V噴燈停火后繼續施加電壓15min中 國GB12666.6A:9501000B:75080090min0.6/1kv及以下噴燈德 國VDE0472.814800±503h通訊電纜:110V0.6/1kV電力電纜:400V噴燈美 國MILC915E8009003h5kV電纜：2.4/4.16kV1KV電纜：

5、導線d<1.6mm,70/120Vd1.6mm,260/450V噴燈美 國IEEE38375020min噴燈英 國BS6387650,750或950±40950±403h20min300/500V或450/750V噴燈也可附加試驗：1）每30s機械震動1次2）噴水新加坡SS299.1同上3h同上噴燈同上比利時NB30-0049003h噴燈每30s機械震動1次法 國NFC-32-070920±2015min300V或600V爐子每30s機械震動1次日 本JISA1304室溫84030min600V爐子1) 燃燒最后1min的絕緣電阻>0.42) 燃燒后耐

6、電壓1.5kV,1min 為達到上述標準的要求，國內外研發了各種不同結構和材料的耐火電線電纜。下面就國內外的防火耐火電線電纜及其耐火填充、絕緣層材料做一個探討。 1、云母帶耐火電纜：是將耐火云母帶繞包在導體或纜芯上，達到上述部分標準的要求。耐 火云母帶是最早用于耐火電線電纜的耐火絕緣材料，其特點是： （1）耐燃燒性好，合成金云母帶最高可達到A級耐火水平（950一1000），金云母可 達到840電壓1000V的條件下可保證90min不發生擊穿，但不耐噴淋和震動； (2)膨脹系數小、介電強度大、電阻率高和介電常數均勻，吸潮后絕緣性能下降迅速。2、 氧化鎂礦物絕緣電纜(MI電纜)：MI電纜由銅芯、氧

7、化鎂、銅護套加工而成的，簡稱MI（minerl insulated cables）電纜。該電纜完全由無機物礦物構成絕緣層和耐火層。 MI電纜的特點具有良好的耐火特性，可以承受震動和噴淋；但價格貴、工藝復雜、施工難度大。3、 柔性防火電纜 ：柔性防火電纜和MI電纜的結構基本相同，它是將堅硬的氧化鎂耐火層改為耐火云母帶，或是耐火云母帶陶瓷化復合帶，或是陶瓷化硅橡膠，或是陶瓷化復合帶，或是云母粉或滑石粉等填充的硅橡膠或橡膠，或是采用防火泥，成纜后再擠出橘紅色的低煙無鹵料；護套由剛性的改成了可彎曲的銅軋管或鋁合金軋管，或連鎖鎧裝等，有些在軋管外再擠出護套料等等。圖1、2礦物質防火耐火電纜 表2 上述這

8、些防火耐火電線電纜各有優勢，下面做一個比較： 1、云母帶耐火電纜（1）柔軟性差，厚度受到限制，繞包速度慢，生產效率較低，加工、人力成本高；（2）吸潮性強，儲存時間3-6個月，受潮后絕緣性能下降迅速，繞包后需烘干處理；（3）容易脫落，繞包時生產現場的云母粉飛揚，容易被人體吸入，對健康有影響；（4）繞包小截面的耐火電線后，擠出護套表面不平整；（5）火燒后，不能做噴淋、震動，易脫落；（6）價格高，特別是合成云母，；2、氧化鎂礦物絕緣電纜（1）價格昂貴；（2）生產工藝復雜；（3）敷設難度大；（4）適用于低壓電纜；（5）氧化鎂易吸收水分和二氧化碳而粉化。3、柔性防火電纜（1）耐火云母帶吸潮性強，儲存時間

9、3-6個月，受潮后絕緣性能下降迅速，繞包后還需烘干處理；（2）發脆易脫落，繞包生產現場的云母粉飛揚，易被人體吸入，對健康有影響；（3）合成金云母、陶瓷化硅橡膠及復合帶價格高，繞包的生產效率較低，成本高；（4）云母粉或滑石粉等高填充的硅橡膠其有一定的吸潮性；4、防火泥無機礦物防火耐火電纜（1）吸潮，長時間有風化、粉化的風險；（2）柔軟性差，彎曲半徑大； 以上探討了防火耐火電線電纜所用耐火絕緣層材料的特性，下面就陶鎧陶瓷化耐火聚烯烴及其在防火耐火電線電纜方面的探索性應用做一個簡要的介紹。 2、 陶鎧超硬陶瓷化耐火聚烯烴 1、陶瓷化高分子材料的研究和應用概況：“陶瓷化”是指在高分子聚合物（塑料、橡膠

10、和熱塑性彈性體）中加入功能性新材料，在300以上的有氧或無氧的情況下，燒結成非常堅硬的陶瓷狀無機物殼體支撐體。 陶瓷化耐火硅橡膠在很多方面不同程度的解決了上述幾種防火耐火電纜材料存在的缺陷和問題，由于陶瓷化耐火硅橡膠應用于防火耐火電線電纜的工藝的特殊性，限制了其進一步廣泛推廣和應用，2010年將其研發做成繞包型的陶瓷化復合帶，陶瓷化復合帶解決了其生產工藝的問題，由于價格問題陶瓷化復合帶的推廣和應用又受到了制約，人們呼吁著工藝簡化、質量優異、性能安全、綠色環保、即耐火又防火，價格更加低廉的防火耐火高分子材料的誕生。2014年，我們研發推出的陶瓷化無鹵低煙阻燃陶瓷化耐火聚烯烴（熱塑型），由于其過多

11、的考慮了防火阻燃的性能，結殼速度受到很大程度的影響，使其耐火性能不能夠很好的發揮；根據我們長期潛心的研究和同行專家的研究結果表明，陶瓷化聚烯烴要想同時具備阻燃防火和耐火的性能是極其困難的，但是在防火耐火電線電纜的結構上，可以通過不同的組合設計，有可能達到這兩方面的統一，這還有待電纜行業的專家們做進一步的研究和探索。 2、陶鎧超硬陶瓷化耐火聚烯烴在陶瓷化無鹵低煙阻燃陶瓷化耐火聚烯烴（熱塑型）的基礎上，為進一步加強其耐火性能，提高其結殼速度，2015年我們又研發了陶鎧超硬陶瓷化耐火聚烯烴，重點強化了結殼性、結殼速度和耐火性，防火阻燃性能有所弱化。如何使得陶瓷化耐火聚烯烴兼具防火阻燃和耐火的性能，可

12、以在電纜結構設計上進行一個探討，在外護套上也要采用不滴落的材料做外護層，從而達到既耐火又阻燃，可以起到一定的擋火、隔溫的作用。 陶鎧超硬陶瓷化耐火聚烯烴電纜料具備以下的特性： （1）優良的絕緣性能 不吸水、不吸潮，常溫下介電強度2225KV/mm,體積電阻率可達2×1014·M； 在燒蝕后堅硬的鎧體斷面會生成致密均勻的陶瓷無機物支撐體，C-C鏈被燒成 CO2氣體逸出，碳的殘存量非常低，所以陶瓷化后堅硬的鎧體的介電強度大于 35KV/mm以上，體積電阻率大于2×1018·M，噴水后依然有良好的絕緣性能； （2）優異的耐火、隔水性能 具有一定的阻燃性能，；在

13、300-2000有焰、無焰情況下，不熔融，不滴落， 不脫落，能燒成非常堅硬的陶瓷狀鎧體支撐體，溫度越高、時間越長燒后的陶瓷 狀鎧體越堅硬，殘余物為無機物，殘余量可達75-85%，陶瓷狀致密均勻堅硬的 陶瓷體支撐物可以起到很好的隔火、隔熱效果，噴淋、震動后不會掉落； 圖3：中壓耐火試驗 圖4： 9501000×90min燒后的3芯交聯聚乙 烯絕緣層的情況 通過合理的電線電纜的結構設計和材料的運用耐火等級可達到以下標準要求： (a)GB 12666.6的A級標準，即在9501000火焰中燃燒90min，還可延長至 180min（需進一步的合理設計和其他綜合材料的正確使用）； (b) GA

14、 306.2標準； (c) BS 6387的C W Z最高級別，即C在950火焰中燃燒3H，W水噴淋， Z震動； (d) BS 8434標準； (e) EN 50200標準； (f) IEC 60331標準； (g) DIN VED0472-814標準； （3）良好的隔熱、隔溫性能 由于其結殼速度比其它的陶瓷化高聚物快1-3倍，燒蝕后堅硬的陶瓷支撐體 可以起到非常好的隔熱、隔溫、擋火作用。圖2就是中壓10KV三芯50平方耐 火電纜在9501000×90min燒后的情況，90min結束時三芯中心的溫度在 150-170左右； 圖5：測試絕緣層溫度 （4）強度高、抗震動性能好 鎧體的彎曲

15、斷裂強度高，燒蝕后的陶瓷支撐鎧體彎曲斷裂強度可達510MPa 左右；陶鎧超硬陶瓷化耐火聚烯烴電纜料的拉伸強度可達8PMa以上，伸長 率可達150%； （5）耐高低溫性能優異 熱塑性的的在-7090的溫度下，可正常使用，交聯型耐溫可達125， 具備普通聚烯烴的性能； （6）良好的工藝性能 可在低煙無鹵螺桿擠塑機上進行擠出，擠出壓力低于無鹵低煙電纜料，表面 平整、光滑； （7）優異的安全性和環保性 不延燃、不滴落，煙氣毒性達到ZA1級，不會對人體造成二次傷害；煙密度 透光率可達7580%以上；無鹵、無毒、無味、無重金屬，無磷、氮，超過ROSH 標準的要求； （8）價格低，工藝簡單，生產效率高，可大

16、幅降低加工成本3、 陶鎧超硬陶瓷化耐火聚烯烴應用于耐火電線電纜方面的探討陶鎧超硬陶瓷化耐火聚烯烴在耐火電線電纜上使用和其他陶瓷化材料基本相同。下面就其在不同的耐火電線電纜上的應用做進一步的探討和說明。 1、阻燃防火和耐火的概念區別首先我們先要了解清楚阻燃防火和耐火在概念上的區別；（1） 耐火是能經受得住高溫或抗高溫，也就是在一定的時間內滿足標準耐火試驗中規定的穩定性、完整性隔熱性和其他預期功能的能力；（2） 阻燃是在聚合物材料的燃燒過程中阻止和抑制其物理或化學變化的速度的過程。（3） 氧指數（OI)是在規定條件下，試樣在N2和O2混合氣流中維持穩定燃燒（有火焰燃燒）所需的最低氧濃度。它是衡量高

17、聚物燃燒性能的；但用氧指數來衡量燃燒性能也不是絕對的，如聚乙烯的氧指數是17.4，聚苯乙烯的氧指數是18.1，相對而言，聚乙烯應該比聚苯乙烯更易燃燒，但實際上聚苯乙烯燃燒的更劇烈，因為聚苯乙烯火焰的傳播速度比聚乙烯快一倍。這是由于聚苯乙烯的比熱容以及分解溫度較低所致。除氧指數外，高聚物的比熱容、熱導率、熔點、分解溫度以及起燃溫度、火焰傳播速度、表面燃燒速度也都反映了高聚物的燃燒性能；同時，燃燒產生的氣態產物，煙和有毒氣體，往往是造成火災中人員死亡的最主要原因，因此對燃燒性能還可用毒性指數、煙密度或透光率來表征。單用氧指數一個指標來衡量材料的燃燒性能是不夠全面的。氧指數是在有火焰的情況下對高聚物

18、燃燒性能的一個表征，中壓耐火的耐火隔氧層和低壓電纜的絕緣耐火層，基本上是在無焰、無氧的情況下；陶鎧超硬陶瓷化耐火聚烯烴在無焰、無氧的情況下，溫度達到300以上開始慢慢結殼，溫度繼續升高，結殼速度隨著溫度的升高速度而加速，形成陶瓷化無機殼體支撐物。 一種新的材料的出現，是在現有材料的基礎上的一個進步、提高或者飛躍，它不可能是萬能的，它在某些方面還存在一定局限性，它是綜合性能好于現有的一些材料，比如物理化學性能，再如經濟性、工藝性、安全性等；陶鎧超硬陶瓷化耐火聚烯烴同樣如此，讓這一種材料承擔起所有的防火耐火電纜及其材料的所有問題當下是存在著很大的困難，特別是既要達到耐火的要求，又要很好的防火阻燃的

19、性能，還有較高的物理機械性能以及低煙密度、無鹵素、透光率好、無毒無害、價格低廉，目前情況下是一個非常困難的課題，有待于我們大家的共同努力。 2、陶鎧超硬陶瓷化耐火聚烯烴在中壓耐火電纜上的應用 陶鎧超硬陶瓷化耐火聚烯烴應用于中壓耐火電纜，在結構上主要設計在耐火內護層上。 圖3 中壓耐火電纜結構圖示意1、 導體 2、 內屏蔽3、 交聯聚乙烯絕緣層 4、 外屏蔽 5、 銅帶屏蔽 6、 無堿玻纖紗填充（高堿和中堿玻璃紗效果都較差） 7、 玻纖包帶 8、氧指數38以上的高氧指數隔氧層（厚度2-4mm）9、陶鎧超硬陶瓷化耐火聚烯烴隔氧料（厚度5.5-6.5mm，無鋼鎧的厚度8mm） 10、玻纖包帶11、鋼

20、帶鎧裝層 12、低煙無鹵外護套（不滴落、不掉落，燒后完整）或陶鎧超硬陶瓷化耐火聚烯烴護套料 圖4 9501000×180min燒后的外護套及其完整情況 （1）中壓耐火電纜設計原理的關鍵點對交聯聚乙烯絕緣層的溫度保護 中壓耐火電纜設計最重要也是最為關鍵的一點，就是要做到對交聯聚乙烯絕緣層的一個非常好的溫度保護，保護交聯聚乙烯絕緣層在加載10KV，火焰9501000×90180min的條件下，內部的交聯聚乙烯絕緣層不熔融，不軟化，試驗結束時傳遞到交聯聚乙烯絕緣層的溫度要低于160-180，這樣才能夠使得交聯聚乙烯絕緣層得到很好的保護。這里除了陶鎧超硬陶瓷化耐火聚烯烴起到很重要的

21、作用之外，耐火電纜的結構設計和其他材料對絕緣層的溫度保護也起著至關重要的作用，絕不可忽視；切不可把陶鎧超硬陶瓷化耐火聚烯烴視為是萬能的，不能說是用了它所有的阻燃、防火、耐火的問題都解決了，要和電纜的結構設計進行很好的結合，從而達到保護絕緣層的目的。 （2）耐火電纜的散熱問題除了要重點考慮耐火電纜的溫度保護之外，耐火電纜正常運行時的散熱也是至關重要的問題，這是一對矛盾，如何做到既散熱又擋火、隔熱？耐火電纜結構設計里的無堿玻纖紗以及各層之間的玻纖包帶可以起到很好的效果。為何要采用無堿玻纖紗而不能使用諸如陶瓷化硅橡膠填充繩、玻纖繩、石棉繩、PVC填充繩等其他填充材料？無堿玻纖紗的主要成分是二氧化硅，是一種非常穩定的無機材料，無毒無害，耐熱溫度可達650