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新型耐火电缆材料 ———陶瓷化耐火硅橡胶及复合带
time:2015-12-28 15:31from:陶铠高分子材料（上海）科技中心 author:赵源 cliks:次
新型耐火电缆材料———陶瓷化耐火硅橡胶及复合带
赵 源
一、概述
耐火电缆是指在火焰燃烧情况下能够保持一定时间安全运行的电缆。我国国家标准GB12666.6（等IEC331）将耐火试验分A、B两种级别，A级火焰温度950~1000℃，持续供火时间90min，B级火焰温度750~800℃，持续供火时间90 min，整个试验期间，试样应承受产品规定的额定电压值。
耐火电缆广泛应用于高层建筑、地下铁道、地下街、大型电站及重要的工矿企业等与防火安全和消防救生有关的地方，例如，消防设备及紧急向导灯等应急设施的供电线路和控制线路。
目前，国内外的防火电线电缆大多采用的氧化镁矿物绝缘电缆和云母带缠绕的耐火电缆；其中，氧化镁矿物绝缘电缆的结构如图1。
氧化镁矿物绝缘电缆是耐火电缆中性能较优的一种，它是由铜芯、铜护套、氧化镁绝缘材料加工而成的，简称MI（minerl insulated cables）电缆。该电缆完全由无机物构成耐火层，而普通耐火电缆的耐火层是由无机物与一般有机物复合而成，因此MI电缆的耐火性能较普通耐火电缆更优且不会因燃烧而分解产生腐蚀性气体。MI电缆具有良好的耐火特性且可以长期工作在250℃高温之下，同时还有防爆、耐腐蚀性强、载流量大、耐辐射、机械强度高、体积小、重量轻、寿命长、无烟的特点。但价格贵、工艺复杂、施工难度大，在油灌区、重要木结构公共建筑、高温场所等耐火要求高且经济性可以接受的场合，可采用这种耐火性能好的电缆，但只能用于低压耐火电缆。
云母带缠绕的耐火电缆是在导体外部反复缠绕多层云母带，借以阻挡火焰的燃烧，从而延长安全运行的时间，保持线路在一定的时间内畅通。
二、氧化镁
白色无定型粉末。无臭、无味、无毒。具有极强的耐高低温（高温2500℃，低温-270℃）、抗腐蚀性、绝缘性和良好的导热性和光学性能、无色透明的晶体，熔点2852℃。氧化镁有高度耐火绝缘性能，熔点很高。用于生产氧化镁矿物绝缘耐火电缆。
三、云母带
云母，是一种片状的无机矿物材料，其特性是绝缘、耐高温、有光泽、物理化学性能稳定，具有良好的隔热性、弹性和韧性和不燃性，又有被剥成具有弹性的透明薄片的性能。
云母带是将片状的云母粉做成云母纸，用胶粘剂粘附在玻璃纤维布上。
将玻璃布粘贴在云母纸一面的叫做“单面带”，两面都粘贴的叫“双面带”。在制造过程中，将几个结构层次粘合在一起后，再经过炉子烘干，然后收卷，再分切成不同规格的带子。
云母带又称耐火云母带，由（云母带机）制作而成，是一种耐火绝缘材料，按用途可分为：电机用云母带、电缆用云母带。按结构分为：双面带、单面带、三合一带、双膜带、单膜带等。按云母又可分为：合成云母带、金云母带、白云母带。
1、简介
（1）常温性能：合成云母带最好、白云母带次之、金云母带较差．
（2）高温下绝缘性能：合成云母带最好、金云母带次之、白云母带较差．
（3）耐高温性能：合成云母带，不含结晶水，熔点1375℃，耐高温性能最好，金云母在800℃以上释放出结晶水，耐高温性能次之，白云母600℃释出结晶水，耐高温性能较差。
2、耐火电缆用云母带
耐火电缆用云母带是一种高性能的云母绝缘制品，具有优良的耐高温性能和耐燃烧性能。云母带常态时具有良好的柔软性，适用于各种耐火电缆中主要耐火绝缘层。在遇明火燃烧时基本不存在有害烟雾的挥发，所以该产品用于电缆不但有效，而且较为安全。
3、合成云母带
（1）合成云母是以氟离子代替羟基，在常压条件下合成出的尺寸大、晶型完整的人工云母。合成云母带是以合成云母为主要材料制成的云母带。
（2） 合成云母带除具有天然云母带的特性即：膨胀系数小、介电强度大、电阻率高和介电常数均匀以外，其主要特点是耐热等级高，可达到A级耐火水平（950一1000℃）
（3）合成云母带耐温大于1000℃，厚度范围在0.08～0.15mm，最大供应宽度920mm 。
A.三合一：该产品是两面用玻璃布和聚酯薄膜,中间夹云母纸。用胺基硼烷—环氧树脂作胶粘剂,经粘合烘焙,切割而成的带状绝缘材，价格最贵；
B. 双面合成云母带:以合成云母纸为基材，用玻纤布作双面补强材料，用硅树脂粘合剂粘合，是制造耐火型电线电缆最理想的首选材料。耐火性能最好，推荐重点工程使用。
C.单面合成云母带:以合成云母纸为基材，用玻纤布作单面补强材料，是制造耐火型电线电缆最理想的首选材料。耐火性能好，推荐重点工程使用。
4、金云母带
金云母带具有良好的耐火性、耐酸碱性和抗电晕、抗辐射的特性,且有很好柔软性及拉伸强度,适合于高速缠绕。 耐火实验表明：包绕了金云母带的电线电缆，在温度840℃电压1000V的条件下可保证90min小时不发生击穿。
金云母玻纤耐火带生产的耐火电缆被广泛应用于高层建筑、地下铁道、大型电站及重要的工矿企业等与防火安全和消防救生有关的地方，例如，消防设备及紧急向导灯等应急设施的供电线路和控制线路。由于其价格低廉，是做耐火线缆的首选材料。
A.双面带:以金云母纸为基材，用玻纤布作双面补强材料，主要用于耐火电缆的芯线与外皮之间做耐火绝缘层。耐火性能较好，推荐普通工程使用。
B.单面带: 以金云母纸为基材，用玻纤布作单面补强材料，主要用于耐火电缆做耐火绝缘层。耐火性能较好，推荐普通工程使用。
C.三合一带:以金云母纸为基材，用玻纤布和无碳性薄膜作单面补强材料，主要用于耐火电缆做耐火绝缘层。 耐火性能较好，推荐普通工程使用。
D.双膜带:以金云母纸为基材，用塑料薄膜作双面补强，主要用于电机绝缘层。 耐火性能差，耐火电缆严禁使用。
E.单膜带：以金云母纸为基材，用塑料薄膜作单面补强，主要用于电机绝缘层。 耐火性能差，耐火电缆严禁使用。
四、陶瓷化耐火硅橡胶
云母带缠绕的耐火电缆由于工艺条件的限制，往往造成接缝出现缺陷，烧蚀后云母带发脆，容易脱落，造成耐火效果不好，同时在救火过程中，遇到喷淋很容易受潮失去绝缘性，受到震动很容易脱落，从而难以保障长时间通讯、电力在火灾的情况下的安全畅通。
氧化镁矿物绝缘耐火电缆需要进口专门的设备，价格非常的昂贵，资金投入大；另外，这种电缆的外护层是全铜的，所以在造价上也使得这种产品价格昂贵；再加上这种电缆在生产加工、运输、线路敷设安装和使用等过程中的特殊要求，很难大规模的普及使用，特别是在民用建筑等。
近些年由赵源、秦荣勤、彭小弟发明研制的陶瓷化耐火硅橡胶和陶瓷化耐火硅橡胶复合带，用于生产的耐火电缆，基本解决了上述两种耐火电缆存在的问题。
1、陶瓷化耐火硅橡胶的特性
陶瓷化耐火硅橡胶是在高温热硫化（HTV）硅橡胶中，加入功能性材料，在常温下具备硅橡胶的基本特性——无毒、无味、密封性、弹性、不吸潮、不吸水、耐高低温、耐臭氧老化、耐候老化、优良的电绝缘性能及良好的加工性能；在高温火焰烧蚀下，使得加入功能性材料的硅橡胶复合混合物形成坚硬的陶瓷化的铠装保护层，可以起到隔绝火焰，防火、绝缘、隔热、隔水、抗震的作用，从而保证了在火灾情况下，电力、通讯的畅通。
2、陶瓷化耐火硅橡胶的防火耐火的机理
普通的高分子材料经过火焰烧蚀后都变成了灰烬，不能变成陶瓷状物体；陶瓷化防火耐火硅橡胶，可以在500 ℃以上的无焰高温和620 ℃以上的火焰烧蚀下，烧结成坚硬的陶瓷状物体，而且烧蚀时间越长、温度越高，陶瓷化效果越明显，烧蚀温度最高可以达到3000 ℃；陶瓷化防火耐火硅橡胶可以使用常规的橡胶加工设备进行生产，生产出的制品具备硅橡胶的各项性能，具有良好的加工性。
它是在硅橡胶中加入在高温下可以瓷化的复合材料，常温下保持硅橡胶的所有特性，遇到500 ℃以上的无焰高温和620 ℃以上的火焰烧蚀时，转化为无机的陶瓷材料，这种陶瓷材料具备了陶瓷的绝缘、隔热、隔火、隔水、抗震、热失重小等优点。
陶瓷化防火耐火硅橡胶在常温下无毒、无味，具有很好的柔软性和弹性，以及优异的防潮性和抗吸水性，具备硅橡胶的特质，陶瓷化耐火硅橡胶在火焰的烧蚀下，燃烧2-4min后即开始烧结成坚硬的陶瓷状铠装壳体，这种坚硬的陶瓷状铠装壳体的隔绝层可以非常有效的阻挡火焰的继续燃烧；而且在被烧2min左右完全断烟，在接下来的烧蚀过程中，本身不再有烟雾产生；在前期的2min内产生的烟雾，也是无卤、无毒、无害的；烟雾主要是有机硅燃烧后产生的固体烟尘，燃烧后的陶瓷状的物质呈坚硬的、均匀的蜂窝状壳体，这样的物体具有优良的绝缘性、隔热性、隔火耐火性，同时也可以承受冲击和震动，以及防止水的渗入，保证了在喷淋、震动的情况下线路的畅通。
五、陶瓷化耐火硅橡胶复合带
陶瓷化耐火硅橡胶复合带是通过贴合工艺将陶瓷化防火耐火硅橡胶按照一定的厚度附着于耐高温玻璃纤维布上，经过裁切，绕包于防火耐火电线电缆上。
六、陶瓷化耐火硅橡胶和陶瓷化耐火硅橡胶复合带的特性：
1、优良的电绝缘性：可达到XLPE和EPDM的电性能：体积电阻率可达2×1015Ω•cm，击穿强度22-25KV/mm，介电损耗正切10-3，介电常数δ：2-3.5，可以用于绝缘；
2、卓越的耐高、低温性：长期工作温度-70~200℃,根据不同的环境条件使用年限可达5-50年不等； 350℃以上开始变硬，可在静态环境下长期使用；
3、耐臭氧和耐紫外线老化：无需添加防老剂和抗氧剂，常温下寿命可达30-50年以上；
4、 特殊的表面性能：吸水率0.17%，具有极低的吸湿性和吸水性，防霉性能良好，对许多材料不粘；
5、环境友好型：无卤、无重金属、无毒、无味，对人体、环境不产生影响；
6、耐化学腐蚀性好，防水、抗油；
7、优良的憎水性、耐污闪性，抗爬电；
8、加工性能好：易于混炼、成型、压延、挤出、模压等加工，胶料流动性好；
9、烟气毒性是目前高分子材料，特别是电缆料中最高级别ZA1级，即燃烧后的烟气小白鼠吸入30min后,三天内没有变化；
10、良好的隔热性，导热系数0.09W/Mk,特别是烧蚀后的内部是均匀的蜂窝状，具有更好的耐火性和隔热性；
11、阻燃性好：阻燃性可达UL94V-0级，氧指数28以上，最高可达40.5以上；
12、高温燃烧后可烧成陶瓷状，形成坚硬的陶瓷铠装，保护线路畅通，这是陶瓷化防火耐火硅橡胶最“革命性”的特性，温度越高，烧蚀时间越长，陶瓷铠体越坚硬；它优于云母带，云母带燃烧后变硬、发脆，很容易脱落；
13、用陶瓷化防火耐火硅橡胶和陶瓷化防火耐火硅橡胶复合带生产的防火耐火电线电缆，耐火等级可达到GB12666.6的A级标准，即在950~1000℃火焰中燃烧90min,3A保险丝不熔断；也可达到英国BS6387的C W Z最高级别，即C——在950℃火焰中燃烧3H，W——水喷淋，Z——震动；
14、密度小（1.42-1.45），价格低，性价比高；
15、基于以上的特性，可以完全代替云母带不但可以用于低压防火耐火电缆，还可以用于中、高压防火耐火电线电缆。
七、陶瓷化防火耐火硅橡胶和陶瓷化防火耐火硅橡胶复合带在耐火电线电缆中的应用
陶瓷化防火耐火硅橡胶用于耐火电线电缆的性能见表1、表2。
陶瓷化防火耐火硅橡胶用于耐火电线电缆的性能见表1、表2。
表1： 1.5 mm2陶瓷化防火耐火硅橡胶电线的物理性能
| 测试项目 | 性能指标 |
| 拉伸强度/MPa | 7.1 |
| 扯断伸长率/% | 202 |
|
200℃×10day热空气老化 <1>拉伸强度（MPa） <2>断裂伸长率（%） |
4.5 122 |
表2：陶瓷化耐火硅橡胶防火电线电缆在丙烷火焰中的烧蚀结果
| 标称截面/mm2 | 经700~950 ℃×90min烧蚀后 |
| 1.5 | 通过 |
| 4.0 | 通过 |
| 6/10KV 3×70 | 通过 |
| 35KV 3×120 | 通过 |
八、用陶瓷化耐火硅橡胶和陶瓷化耐火硅橡胶复合带生产的防火耐火电线电缆与氧化镁矿物防火绝缘电缆、云母带耐火电缆的比较及其优越性
氧化镁矿物防火绝缘电缆、云母带耐火电缆和陶瓷化硅橡胶防火耐火线缆各项性能比较:
| 比较 | 氧化镁矿物防火绝缘电缆 | 云母带耐火电缆 | 陶瓷化硅橡胶防火耐火线缆 |
| 1.密度 | 密度8.9； | 密度≥2.0； | 密度1.42， |
| 2.生产设备投资 | 厂房、专用设备投入非常大 | 需要专门的绕包设备 |
（a）无需投资，现有的橡皮、橡套电缆蒸汽连硫或硅橡胶 电线电缆电加热、或水槽硫化设备均可； （b）如果没有，全部生产线投资20-50万元 (i)65硅橡胶电线电缆电加热挤出硫化生产线20万 元人民币左右； （ii）120硅橡胶电线电缆电加热挤出硫化生产线50 万元人民币左右； |
| 3.生产工艺 |
工艺复杂，效率低，生产成 本高 |
工艺繁琐复杂，质量 控制较为困难，水、 电，特别是人工等生 产成本高， |
生产工艺简便，可提高生产效率；容易操作，可大幅降低生 产成本；质量容易控制； |
| 3．产品比较 |
（1）不能生产超小线， 如0.75及以下； |
生产小线困难，特别 是0.75及以下小线， 表面不平整、不光滑 |
超小线、超大直径电线电缆都可以生产，表面 平整、光滑； |
|
a) (（2)生产长度受一定限制； |
搭界处容易出现搭接 质量问题； |
可以生产无限长度，无接缝； |
|
|
（3）只能用于生产低压耐火 线缆； |
可用于中低压线缆， 烧蚀时间较短；云母 带被烧后发脆、容易 脱落; |
可用于低、中、高压线缆，烧蚀时间越长温度越高、壳体越 坚硬，隔火、隔热效果越好；最高温度可达3000℃以上； |
|
| （4）可以通过耐火实验 |
不能够通过喷淋、震 动实验； |
可达到GB12666.6的A级标准，同时可以通过目前世界上最 严格的英国BS6387喷淋、震动的C W Z级别试验； |
|
| （5）弯曲半径大 | 弯曲半径小； |
和普通橡套线缆一样，非常柔软、弹性好，耐高温，弯曲半 径小； |
|
| 4.敷设工艺 | 敷设非常繁杂，需要焊接等 | 敷设操作简便； | 敷设操作简单，同于橡套线缆 |
| 5.性价比 |
比重大，运输、包装成本高， 价格昂贵， |
价格中等，只能达到 部分产品的要求； |
价格成本低于云母带，远低于氧化镁矿物绝缘电缆，可以满 足中、低、高压防火耐火电线电缆的要求，即可做绝缘、耐 火层又可做护套； |
| 6.应用 |
氧化镁绝缘层厚，重量大，只 能用于特殊场合，应用范围受 限制 |
只能做耐火层； |
a.可做绝缘层，又可做防火层，还可以做护套，三者合一， 减薄壁厚，降低电缆重量，可以生产各种大小规格及超大 直径和超细型号的柔性防火、耐火电线电缆； b.可以生产军工用核潜艇、核电站、光缆、矿用防火耐火电线电缆、 柔性防火电缆、家装线、信号线、控制电线电缆、防汽车自 燃电线、电力线缆、应急线缆、发热线等 |
用陶瓷化防火耐火硅橡胶生产防火耐火电线电缆的设备及工艺条件
采用生产硅橡胶电线电缆的生产设备，如电加热烘道式或叫烘箱式硅橡胶电线电缆挤出生产线、水槽热水式硅橡胶电线电缆挤出生产线或橡套（橡皮）电线电缆连硫生产线均可以进行生产，加工工艺和普通硅橡胶基本相同。
1、加硫工艺：
（1）硫化剂：双-2.4（淡黄或白色膏状），加入量按胶料重量的0.8-1.2%，用天平称量；
（2）将每箱25KG的胶料纵向切成4-5块，分别放到辊距为8-10mm的开炼机上，待胶料包辊后，依次加入双-2.4，硫化剂分散完后，打3-4个垂直卷即可以下片，然后切条待用；
注意：1.切不可过炼，否则容易粘辊，造成下片困难；
2.未加硫化剂的胶料，阴凉处存放时间1-3年；
3.加过硫化剂的胶料，阴凉处存放时间：夏季7-30天，冬季不超过90天
4.存放时间长胶料容易结构化变硬，这是硅橡胶的特性之一，放到开炼机上返炼一下即可。
2、挤出工艺：
挤出要采取冷挤，挤出机的螺杆、机头、机身的温度要用低于40℃，最高不得超过50℃，冷却水温越低越好；特别是橡套（橡皮）电线电缆连硫生产线，机头的冷却一定要保证低，否则胶料容易自硫，堵塞机头；
注意：挤出机不能加热，一定要有冷却系统；挤塑机不能生产，因为挤塑机没有冷却系统和硫化装置。
a、电加热烘道式或叫烘箱式硅橡胶电线电缆挤出生产线挤出工艺：
（1） 将电加热烘道或叫烘箱按照第一段温度：160℃，第二段温度165℃，第三段温度170℃，第四段温度175℃进行温度设置、加热，也可根据不同型号的设备和不同结构的线缆设定各段硫化温度，原则是产品断面没有微孔，电线电缆纵向没有气泡产生；
（2） 打开挤出机冷却水，清洗喂料口和螺杆、机头，确认里面没有杂物和其它橡胶颗粒后开始喂胶，喂料要均匀，以保证挤出均匀，最好要有强制喂料装置，也叫旁压辊；
（3） 调整偏心，开始挤出；挤出开始时要先慢，然后慢慢提速；
（4） 如果挤出表面粗糙，调整合适的模芯，模套的规格及其之间的距离，调整挤出压力，匹配的牵引速度和挤出速度。
b、橡套（橡皮）电线电缆连硫生产线挤出工艺：
（1） 打开挤出机冷却水，清洗喂料口和螺杆，确认里面没有杂物和其它橡胶后开始喂胶，喂料要均匀，以保证挤出均匀，最好要有强制喂料装置，也叫旁压辊；
（2） 调整偏心，开始挤出；挤出开始时要先慢，然后可以慢慢提速；
（3） 调整好偏心后，将管道封口关闭，开启蒸汽，蒸汽压力为0.1-0.12Mpa,注意：管道蒸汽不可超过0.12 Mpa,否则胶料容易自硫，堵塞机头；
（4） 如果挤出表面粗糙，调整合适的模芯，模套的规格及其之间的距离，调整挤出压力，匹配的牵引速度和挤出速度。
c、水槽热水式硅橡胶电线电缆挤出生产线挤出工艺：
（1）将水槽加热装置打开，将水加热至100℃；
（2）打开挤出机冷却水，清洗喂料口和螺杆，确认里面没有杂物和其它橡胶后开始喂胶，喂料要均匀，以保证挤出均匀，最好要有强制喂料装置，也叫旁压辊；
（3）调整偏心，开始挤出；挤出开始时要先慢，然后慢慢提速；
（4）如果挤出表面粗糙，调整合适的模芯，模套的规格及其之间的距离，调整挤出压力，匹配的牵引速度和挤出速度。
3. 陶瓷化耐火硅橡胶复合带的生产工艺按照云母带的绕包生产工艺即可，绕包后的密封性优于云母带。
九、陶瓷化防火耐火硅橡胶或陶瓷化防火耐火硅橡胶复合带生产防火耐火电线电缆的实际应用
1、柔性防火电缆：
1——导体；
2——陶瓷化防火耐火硅橡胶或陶瓷化防火耐火硅橡胶复合带（2——陶瓷化防火耐火硅橡胶，
3——陶瓷化防火耐火硅橡胶复合带）
2、家装线、通讯信号线
1——导体；
2——陶瓷化防火耐火硅橡胶或陶瓷化防火耐火硅橡胶复合带（2——陶瓷化防火耐火硅橡胶，
3——陶瓷化防火耐火硅橡胶复合带）
2、家装线、通讯信号线
1——导体；2——陶瓷化防火耐火硅橡胶；3——护套（可不用）
3、中压耐火电缆
1——导体； 2——内屏蔽层； 1——导体； 2——内屏蔽层；
3——绝缘层； 4——外屏蔽层； 3——绝缘层； 4——外屏蔽层；
5——无碱玻纤布包带或陶瓷化防火耐火
硅橡胶复合带； 5——无碱玻纤布包带或陶瓷化防火耐火 硅橡胶复合带；
硅橡胶复合带； 5——无碱玻纤布包带或陶瓷化防火耐火 硅橡胶复合带；
6——耐火层（陶瓷化防火耐火硅橡胶或 6——无碱玻璃丝填充
陶瓷化防火耐火硅橡胶复合带）； 7——无碱玻纤布包带或陶瓷化防火耐火硅橡 胶复合带；
7——隔氧层（氧指数38以上）； 8——耐火层（陶瓷化防火耐火硅橡胶或陶瓷化防 火耐火硅橡胶复合带）；
8——无碱玻纤布包带； 9——隔氧层（氧指数38以上）；
9——钢带铠装； 10——无碱玻纤布包带； 11——钢带铠装；
10——外护套层。 12——外护套层。
4、汽车电线
5、应急电力电线电缆
6、矿用防火耐火电线电缆
7、舰船用电线电缆
8、控制电线电缆
9、光缆
10、伴热线
