无卤阻燃聚烯烃护套材料挤出工艺探讨

陈德华  成都卡倍亿汽车电子技术有限公司

摘   要

据统计，全世界发生的火灾绝大部分是与电线电缆有关（包括电缆本身质量、外部环境以及使用情况），所以，世界各国对各种类型室内电缆的阻燃要求越来越高，特别是铺设在人群聚集场所（如娱乐场所、大型商场、火车站、汽车站）或重要设备（如程控交换设备、发射塔）中的电线电缆，同时，为了保证火灾发生时现场人员能顺利脱险以及保护救险人员的生命安全，对电缆燃烧时产生气体的烟密度和酸性（PH值）也提出了越来越多的要求。为了解决铺设在以上环境中电缆的各项要求，从上世纪九十年代开始，电缆材料厂家就逐步开发出了各种阻燃型电缆护套材料产品。采用无卤阻燃聚烯材料用于户内电缆护套的电缆产品越来越多，无卤阻燃聚烯材料具有除氟塑料等外最好的阻燃性能，同时，因为不含卤素元素，在发生火灾时，不会产生令人窒息的烟气，不会造成二次伤害。所以，该材料在线缆上得到了大量运用。YD/T886-1997(无卤阻燃成端电缆)标准中附录B对无卤阻燃护套材料主要技术指标要求如下表1。

在该材料生产的电缆产品的护套测试中，经常会出现无卤阻燃聚烯烃护套老化后机械物理性能不合格的情况，即使同一批材料，不同的设备或挤出工艺稍有变化生产出来的电缆产品的护套机械物理性能测试结果都会差别较大，所以挤出无卤阻燃聚烯烃材料的设备和挤出工艺对最终产品的机械物理性能影响极大。本文即是从无卤阻燃材料的配方、对挤出设备的要求、生产过程中的工艺控制以及测试等方面进行分析，并结合成都普天电缆股份有限公司生产无卤阻燃聚烯烃护套的经验，为无卤阻燃聚烯烃护套的挤出工艺进行了介绍，旨在与相关人员相互学习，共同探讨。

关键词：阻燃剂    配方   设备  工艺   测试

表1.无卤阻燃聚烯烃护套料的主要技术指标

一、 无卤阻燃聚烯烃护套材料的配方及主要性能

无卤阻燃聚烯烃电缆料都是以EVA、LDPE为基料，阻燃剂通常以Mg(OH)₂、AL(OH)₃为主，再辅以SbO₂阻燃剂，主要起协同作用，以减少Mg(OH)₂、AL(OH)₃的用量来改善材料的相容性、分散性、抗冲击能力，此外，还必须添加提高材料断裂伸长率和抗张强度的偶联剂。燃烧时，阻燃填充剂Mg(OH)₂、AL(OH)₃会释放出结晶水，吸收大量的热量，与此同时，脱水反应会产生大量的水蒸汽，它可以稀释可燃性气体，从而阻止燃烧，另外还会在材料表面形成一层不熔不燃的MgO、AL₂O₃，阻断了电线电缆绝缘或护套与外界的热氧化反应的通道，最终导致材料阻燃、自熄。

无卤阻燃聚烯烃材料典型的配方如下表2：

表2.无卤阻燃聚烯烃护套料典型配方

该配方材料的主要性能能达到表1要求的性能。

一、   无卤阻燃聚烯烃护套材料的挤出设备和工艺

由于无卤阻燃聚烯烃护套材料中不熔Mg(OH)₂、AL(OH)₃的含量多大60%以上，使得其在塑化温度下具有比聚氯乙烯、非阻燃及含卤阻燃聚烯烃材料更高的粘度，这一特点导致了低烟无卤阻燃聚烯烃护套材料在挤出设备和工艺与其他材料有所不同。

1. 挤出设备

1.1螺杆

低烟无卤材料的挤出设备长径比一般为20-25，但相比较而言，螺杆长径比为20挤出设备挤出的护套表面更光滑，这是因为低烟无卤阻燃聚烯烃材料中高填充量的Mg(OH)₂、AL(OH)₃在长径比为25螺杆中停留、受热的时间更长，受热分解的可能性更高而影响护套表面质量，同时因为阻燃剂含量较高，增加了材料与螺杆及机膛间的摩擦力。螺杆压缩比、螺槽深度、螺旋升角、螺杆与机膛间隙等而言，压缩比越大、螺槽深度越深、螺旋升角越小、螺杆与机膛间歇越小等对无卤阻燃聚烯烃材料在螺杆中承受的剪切作用和摩擦力就更大，产生的摩擦热也更大，容易引起无卤阻燃聚烯烃材料的热分解。所以，阻燃聚烯烃材料的挤出设备主要螺杆参数为：螺杆长径比20-25；压缩比1-1.5。我公司选用的就是所谓阻燃聚烯烃专用螺杆（也称低功螺杆），长径比为24，压缩比为1.16。

1.2加热及冷却系统

由于阻燃聚烯烃塑料中加入了大量的阻燃剂，所以对挤塑机的加热和冷却系统提出了更高的要求，如果温度过低的话，会导致阻燃聚烯烃挤出困难，挤出压力过大，挤出护套表面粗糙无光泽；温度过高，会导致阻燃剂分解，挤出护套出现气泡或变色现象。同时，由于阻燃聚烯烃中阻燃剂加入量大，在机膛挤出过程中，会产生大量的摩擦热和剪切热，导致阻燃聚烯烃温度持续升高，为了避免温度过高导致阻燃剂分解，必须对机膛和螺杆进行冷却。机膛一般采用风机强吹风制冷方式，螺杆冷却一般采用往螺杆中心注冷却液的方式。为了保证挤出护套的质量，必须将挤出机各挤出段温度精度控制在±2℃内。不同规格和不同厂家同规格挤塑机的温区设置都会有较大差异，具体温度设置要根据试验情况进行确定，要注意的是，前三区或四区温度不能太高，后四区温差不能超过10℃，温水区温度不能低于70℃。

以下是我公司挤出FRPE护套的温区设置：

2. 工艺

2.1挤出模具及工艺配模

由于阻燃聚烯烃材料配方中加入了大量的阻燃剂，使得该材料的加工性能大大降低，挤出模具的选配也比一般材料更加严格。无卤阻燃聚烯烃护套采用半挤管式模具，因为阻燃材料中阻燃剂含量较大，阻燃剂流动性差，所以模芯外锥角不宜过大，选择在25°左右比较合适，模套内锥角也不宜过大，一般比模芯外锥角大15°左右较合适，同时模套内锥角不得大于40°。模套定径区长度不得大于2mm，甚至可以不要定径区。下图是我公司采用的某一规格电缆的护套挤出模具。

根据缆芯大小，根据阻燃聚烯烃材料的组成成分，材料的拉伸性能较差，所以模具拉伸比K一般选择在1.5以下，宜小不宜大。

K＝（D －D ）/（d －d ）

模具平衡比M一般选择在0.9～1.1之间，尽量靠近1。

M=( D / d )/( D / d )

D ―为模套内孔直径；

        D ―为模芯管孔外径（模芯内径+2倍管壁厚度）；

        d ―为挤包后护套外径；

        d ―为挤包前缆芯直径。

我公司采用下图的模具拉伸比1.56，平衡比：0.97。

    2.2分段冷却

由于该材料中含有LLDPE等非极性结晶型材料，从机头出来的塑料温度在150℃以上，为了消除非极性材料结晶过程中产生的内应力，必须对挤出后的电缆护套进行分段冷却。

     模口与第一节水槽的距离

适当调整机头模口与第一节水槽间的距离，根据生产速度和第一节水槽水温进行调节，如果生产速度快或第一节水槽水温低，可以适当加大模口和第一节水槽的距离；如果生产速度较慢或第一节水槽水温较高，则可以适当减少模口与第一节水槽间的距离。

2.2.1热水冷却

但塑料从挤塑机机头出来后，随着热量的散发，塑料温度逐渐降低，但较室温还是高出许多，此时还不能立即采用常温水或冷水进行冷却，第一节水槽必须采用热水进行冷却，热水温度应尽可能高，一般不应低于75℃。

2.2.2空气冷却

从热水冷却出来的电缆温度进一步降低，但较一般20℃常温冷却水还是高出许多，如果从第一节热水槽出来的电缆直接进入冷水冷却，温度骤降会导致护套材料中部分非极性材料结晶不完全，影响护套材料的机械物理性能和使用寿命。所以，从第一节热水槽出来后，还需要将电缆在空气中散发一部分热量，降低温度。根据生产速度和电缆在收线盘处的余温情况，尽量增加空气冷却的长度，以保证护套材料中非极性材料充分结晶。

2.2.3冷水冷却

经过一段空气自然冷却后的电缆护套外表温度已经与室温比较接近，但由于护套有一定的厚度，护套表面的温度已经降下来了，但护套内部的热量还没有散发完，为了将护套内层的温度也降下来，就必须采用冷水进行冷却。一般地，护套冷却用水都是采用热交换循环设备重复使用的。

2. 其他

3.1材料的干燥

现在塑料的包装通常采用塑料膜加牛皮纸的方式，该包装方式具有非常好的防潮性能。在挤出护套前，如果塑料包装袋已经开封或破损，必须对塑料进行干燥，干燥温度70℃，干燥时间2-4小时即可，干燥温度不可过高，时间不可过长，否则可能导致塑料中部分材料分解，最好采用真空干燥设备。对于包装完好的塑料，则无需进行干燥。

我公司就曾遇到过这样的情况：我公司采用的是本色FRPE材料加色母粒混合确定颜色的方式，在对混合好的材料进行干燥时，因为温度过高，使得色母料中的EVA成分受热发粘将FRPE材料粘结成团的现象，如果发现不及时，就会导致挤出机脱料的严重后果。

3.2 护套的机械物理性能的测试方法

对于护套老化前后机械物理性能的测试，应严格按相关标准进行预处理。

笔者曾经进行过对比试验，下线后马上进行测试和放置24小时后再进行测试，同一个样品，护套的拉伸强度差异达到了1MPa。在进行老化试验时，一定要严格按程序进行，即先进行老化，再进行哑铃试片的压制工作，经对比测试，先压制哑铃试样再进行老化后测试的结果和按标准程序进行试验的测试结果差值在3 MPa以上。所以，电缆护套机械物理性能的测试必须在护套生产完成后24小时以后再进行测试，在老化性能的测试时，一定是在老化完成后再进行哑铃试片的压制。

三  结论

按上述工艺进行无卤阻燃聚烯烃护套的挤出，经送UL美国试验室测试，测试结果如下：

根据无卤阻燃聚烯烃材料的配方，对材料进行适当的干燥处理（干燥温度、干燥时间）、选用合适的加工挤出设备（低功螺杆、低拉伸比挤出配模）、采用合理的挤出工艺（温区合理设置，温水冷却）是生产满足UL认证产品的重要保证，同时，正确的测试方法（样本的预处理和哑铃试片的制作）才能保证测试结果的准确。

参考文献：

1.  罗玉长  氢氧化铝阻燃剂的现状与发展趋势  塑料  1989  18（4）

2.  周正南  无卤阻燃聚烯烃电缆进展          现代塑料加工应用  1997.9（5）

3.  谢大荣  无卤阻燃EVA复合材料阻燃性能和力学性能研究   中国塑料  1994.8（2）

4.  叶红卫  LDPE/EVA  无卤阻燃电缆料的研究      兰化科技  1998  16（2）

5.  YD/T 886-1997  无卤阻燃成端电缆            

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