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無鹵阻燃聚烯烴護套材料擠出工藝探討
陳德華 成都卡倍億汽車電子技術(shù)有限公司
摘 要
據(jù)統(tǒng)計，全世界發(fā)生的火災(zāi)絕大部分是與電線電纜有關(guān)（包括電纜本身質(zhì)量、外部環(huán)境以及使用情況），所以，世界各國對各種類型室內(nèi)電纜的阻燃要求越來越高，特別是鋪設(shè)在人群聚集場所（如娛樂場所、大型商場、火車站、汽車站）或重要設(shè)備（如程控交換設(shè)備、發(fā)射塔）中的電線電纜，同時，為了保證火災(zāi)發(fā)生時現(xiàn)場人員能順利脫險以及保護救險人員的生命安全，對電纜燃燒時產(chǎn)生氣體的煙密度和酸性（PH值）也提出了越來越多的要求。為了解決鋪設(shè)在以上環(huán)境中電纜的各項要求，從上世紀九十年代開始，電纜材料廠家就逐步開發(fā)出了各種阻燃型電纜護套材料產(chǎn)品。采用無鹵阻燃聚烯材料用于戶內(nèi)電纜護套的電纜產(chǎn)品越來越多，無鹵阻燃聚烯材料具有除氟塑料等外最好的阻燃性能，同時，因為不含鹵素元素，在發(fā)生火災(zāi)時，不會產(chǎn)生令人窒息的煙氣，不會造成二次傷害。所以，該材料在線纜上得到了大量運用。YD/T886-1997(無鹵阻燃成端電纜)標準中附錄B對無鹵阻燃護套材料主要技術(shù)指標要求如下表1。
在該材料生產(chǎn)的電纜產(chǎn)品的護套測試中，經(jīng)常會出現(xiàn)無鹵阻燃聚烯烴護套老化后機械物理性能不合格的情況，即使同一批材料，不同的設(shè)備或擠出工藝稍有變化生產(chǎn)出來的電纜產(chǎn)品的護套機械物理性能測試結(jié)果都會差別較大，所以擠出無鹵阻燃聚烯烴材料的設(shè)備和擠出工藝對最終產(chǎn)品的機械物理性能影響極大。本文即是從無鹵阻燃材料的配方、對擠出設(shè)備的要求、生產(chǎn)過程中的工藝控制以及測試等方面進行分析，并結(jié)合成都普天電纜股份有限公司生產(chǎn)無鹵阻燃聚烯烴護套的經(jīng)驗，為無鹵阻燃聚烯烴護套的擠出工藝進行了介紹，旨在與相關(guān)人員相互學習，共同探討。
關(guān)鍵詞：阻燃劑 配方 設(shè)備 工藝 測試
表1.無鹵阻燃聚烯烴護套料的主要技術(shù)指標
序號 | 項目 | 單位 | 技術(shù)指標 |
1 | 拉伸強度 中值 老化前 100℃，7天老化后 拉伸強度變化率 | MPa MPa % | ≥10 ≥10 ≤20 |
2 | 斷裂伸長率 老化前 100℃，7天老化后 斷裂伸長率變化率 | % | ≥150 ≥125 ≤30 |
3 | 高溫壓力變形率 100℃，1kg | % | ≤20 |
4 | 低溫脆化溫度 失效數(shù) | ℃ 個 | -15 0/10 |
5 | 體積電阻率 | Ω·m | ≥1×1012 |
6 | 氧指數(shù) | % | ≥35 |
7 | PH值 導電率 | -- Μs/mm | ≥4.3 ≤10 |
8 | 毒性指數(shù) | ≤3.0 |
一、 無鹵阻燃聚烯烴護套材料的配方及主要性能
無鹵阻燃聚烯烴電纜料都是以EVA、LDPE為基料，阻燃劑通常以Mg(OH)2、AL(OH)3為主，再輔以SbO2阻燃劑，主要起協(xié)同作用，以減少Mg(OH)2、AL(OH)3的用量來改善材料的相容性、分散性、抗沖擊能力，此外，還必須添加提高材料斷裂伸長率和抗張強度的偶聯(lián)劑。燃燒時，阻燃填充劑Mg(OH)2、AL(OH)3會釋放出結(jié)晶水，吸收大量的熱量，與此同時，脫水反應(yīng)會產(chǎn)生大量的水蒸汽，它可以稀釋可燃性氣體，從而阻止燃燒，另外還會在材料表面形成一層不熔不燃的MgO、AL2O3，阻斷了電線電纜絕緣或護套與外界的熱氧化反應(yīng)的通道，最終導致材料阻燃、自熄。
無鹵阻燃聚烯烴材料典型的配方如下表2：
表2.無鹵阻燃聚烯烴護套料典型配方
成分名稱 | 重量份數(shù) | 成分名稱 | 重量份數(shù) |
EVA | 50 | Mg(OH)2或AL(OH)3 | 170 |
LDPE | 30 | 相溶劑 | 6-20 |
增效劑 | 2 | 穩(wěn)定劑 | 0.8 |
該配方材料的主要性能能達到表1要求的性能。
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一、 無鹵阻燃聚烯烴護套材料的擠出設(shè)備和工藝
由于無鹵阻燃聚烯烴護套材料中不熔Mg(OH)2、AL(OH)3的含量多大60%以上，使得其在塑化溫度下具有比聚氯乙烯、非阻燃及含鹵阻燃聚烯烴材料更高的粘度，這一特點導致了低煙無鹵阻燃聚烯烴護套材料在擠出設(shè)備和工藝與其他材料有所不同。
1. 擠出設(shè)備
1.1螺桿
低煙無鹵材料的擠出設(shè)備長徑比一般為20-25，但相比較而言，螺桿長徑比為20擠出設(shè)備擠出的護套表面更光滑，這是因為低煙無鹵阻燃聚烯烴材料中高填充量的Mg(OH)2、AL(OH)3在長徑比為25螺桿中停留、受熱的時間更長，受熱分解的可能性更高而影響護套表面質(zhì)量，同時因為阻燃劑含量較高，增加了材料與螺桿及機膛間的摩擦力。螺桿壓縮比、螺槽深度、螺旋升角、螺桿與機膛間隙等而言，壓縮比越大、螺槽深度越深、螺旋升角越小、螺桿與機膛間歇越小等對無鹵阻燃聚烯烴材料在螺桿中承受的剪切作用和摩擦力就更大，產(chǎn)生的摩擦熱也更大，容易引起無鹵阻燃聚烯烴材料的熱分解。所以，阻燃聚烯烴材料的擠出設(shè)備主要螺桿參數(shù)為：螺桿長徑比20-25；壓縮比1-1.5。我公司選用的就是所謂阻燃聚烯烴專用螺桿（也稱低功螺桿），長徑比為24，壓縮比為1.16。
1.2加熱及冷卻系統(tǒng)
由于阻燃聚烯烴塑料中加入了大量的阻燃劑，所以對擠塑機的加熱和冷卻系統(tǒng)提出了更高的要求，如果溫度過低的話，會導致阻燃聚烯烴擠出困難，擠出壓力過大，擠出護套表面粗糙無光澤；溫度過高，會導致阻燃劑分解，擠出護套出現(xiàn)氣泡或變色現(xiàn)象。同時，由于阻燃聚烯烴中阻燃劑加入量大，在機膛擠出過程中，會產(chǎn)生大量的摩擦熱和剪切熱，導致阻燃聚烯烴溫度持續(xù)升高，為了避免溫度過高導致阻燃劑分解，必須對機膛和螺桿進行冷卻。機膛一般采用風機強吹風制冷方式，螺桿冷卻一般采用往螺桿中心注冷卻液的方式。為了保證擠出護套的質(zhì)量，必須將擠出機各擠出段溫度精度控制在±
以下是我公司擠出FRPE護套的溫區(qū)設(shè)置：
螺桿直徑 | 溫度設(shè)置（℃） | ||||||||
φ65 | 一區(qū) | 二區(qū) | 三區(qū) | 四區(qū) | 五區(qū) | 六區(qū) | 七區(qū) | 八區(qū) | 溫水區(qū) |
110 | 120 | 130 | 140 | 155 | 155 | 155 | 150 | 80 | |
2. 工藝
2.1擠出模具及工藝配模
由于阻燃聚烯烴材料配方中加入了大量的阻燃劑，使得該材料的加工性能大大降低，擠出模具的選配也比一般材料更加嚴格。無鹵阻燃聚烯烴護套采用半擠管式模具，因為阻燃材料中阻燃劑含量較大，阻燃劑流動性差，所以模芯外錐角不宜過大，選擇在25°左右比較合適，模套內(nèi)錐角也不宜過大，一般比模芯外錐角大15°左右較合適，同時模套內(nèi)錐角不得大于40°。模套定徑區(qū)長度不得大于2mm，甚至可以不要定徑區(qū)。下圖是我公司采用的某一規(guī)格電纜的護套擠出模具。
根據(jù)纜芯大小，根據(jù)阻燃聚烯烴材料的組成成分，材料的拉伸性能較差，所以模具拉伸比K一般選擇在1.5以下，宜小不宜大。
K＝（D
模具平衡比M一般選擇在0.9～1.1之間，盡量靠近1。
M=( D
D
D
d
d
我公司采用下圖的模具拉伸比1.56，平衡比：0.97。
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由于該材料中含有LLDPE等非極性結(jié)晶型材料，從機頭出來的塑料溫度在
�？谂c第一節(jié)水槽的距離
適當調(diào)整機頭�？谂c第一節(jié)水槽間的距離，根據(jù)生產(chǎn)速度和第一節(jié)水槽水溫進行調(diào)節(jié)，如果生產(chǎn)速度快或第一節(jié)水槽水溫低，可以適當加大�？诤偷谝还�(jié)水槽的距離；如果生產(chǎn)速度較慢或第一節(jié)水槽水溫較高，則可以適當減少模口與第一節(jié)水槽間的距離。
2.2.1熱水冷卻
但塑料從擠塑機機頭出來后，隨著熱量的散發(fā)，塑料溫度逐漸降低，但較室溫還是高出許多，此時還不能立即采用常溫水或冷水進行冷卻，第一節(jié)水槽必須采用熱水進行冷卻，熱水溫度應(yīng)盡可能高，一般不應(yīng)低于
2.2.2空氣冷卻
從熱水冷卻出來的電纜溫度進一步降低，但較一般20℃常溫冷卻水還是高出許多，如果從第一節(jié)熱水槽出來的電纜直接進入冷水冷卻，溫度驟降會導致護套材料中部分非極性材料結(jié)晶不完全，影響護套材料的機械物理性能和使用壽命。所以，從第一節(jié)熱水槽出來后，還需要將電纜在空氣中散發(fā)一部分熱量，降低溫度。根據(jù)生產(chǎn)速度和電纜在收線盤處的余溫情況，盡量增加空氣冷卻的長度，以保證護套材料中非極性材料充分結(jié)晶。
2.2.3冷水冷卻
經(jīng)過一段空氣自然冷卻后的電纜護套外表溫度已經(jīng)與室溫比較接近，但由于護套有一定的厚度，護套表面的溫度已經(jīng)降下來了，但護套內(nèi)部的熱量還沒有散發(fā)完，為了將護套內(nèi)層的溫度也降下來，就必須采用冷水進行冷卻。一般地，護套冷卻用水都是采用熱交換循環(huán)設(shè)備重復使用的。
2. 其他
3.1材料的干燥
現(xiàn)在塑料的包裝通常采用塑料膜加牛皮紙的方式，該包裝方式具有非常好的防潮性能。在擠出護套前，如果塑料包裝袋已經(jīng)開封或破損，必須對塑料進行干燥，干燥溫度
我公司就曾遇到過這樣的情況：我公司采用的是本色FRPE材料加色母�；旌洗_定顏色的方式，在對混合好的材料進行干燥時，因為溫度過高，使得色母料中的EVA成分受熱發(fā)粘將FRPE材料粘結(jié)成團的現(xiàn)象，如果發(fā)現(xiàn)不及時，就會導致擠出機脫料的嚴重后果。
3.2 護套的機械物理性能的測試方法
對于護套老化前后機械物理性能的測試，應(yīng)嚴格按相關(guān)標準進行預處理。
筆者曾經(jīng)進行過對比試驗，下線后馬上進行測試和放置24小時后再進行測試，同一個樣品，護套的拉伸強度差異達到了1MPa。在進行老化試驗時，一定要嚴格按程序進行，即先進行老化，再進行啞鈴試片的壓制工作，經(jīng)對比測試，先壓制啞鈴試樣再進行老化后測試的結(jié)果和按標準程序進行試驗的測試結(jié)果差值在3 MPa以上。所以，電纜護套機械物理性能的測試必須在護套生產(chǎn)完成后24小時以后再進行測試，在老化性能的測試時，一定是在老化完成后再進行啞鈴試片的壓制。
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三 結(jié)論
按上述工藝進行無鹵阻燃聚烯烴護套的擠出，經(jīng)送UL美國試驗室測試，測試結(jié)果如下：
序號 | 測試項目 | 單位 | UL標準要求 | 測試結(jié)果 |
1 | 拉伸強度老化前 老化后保持率（100± | MPa % | ≥8.3 ≥75 | 12.1 124 |
2 | 斷裂伸長率 老化前 老化后保持率（100± | % % | ≥100 ≥50 | 215 93 |
根據(jù)無鹵阻燃聚烯烴材料的配方，對材料進行適當?shù)母稍锾幚恚ǜ稍餃囟取⒏稍飼r間）、選用合適的加工擠出設(shè)備（低功螺桿、低拉伸比擠出配模）、采用合理的擠出工藝（溫區(qū)合理設(shè)置，溫水冷卻）是生產(chǎn)滿足UL認證產(chǎn)品的重要保證，同時，正確的測試方法（樣本的預處理和啞鈴試片的制作）才能保證測試結(jié)果的準確。
參考文獻：
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5. YD/T 886-1997 無鹵阻燃成端電纜
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