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無鹵阻燃聚烯烴護(hù)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(hù)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(jì)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(hù)套材料產(chǎn)品。采用無鹵阻燃聚烯材料用于戶內(nèi)電纜護(hù)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(biāo)準(zhǔn)中附錄B對無鹵阻燃護(hù)套材料主要技術(shù)指標(biāo)要求如下表1。
在該材料生產(chǎn)的電纜產(chǎn)品的護(hù)套測試中，經(jīng)常會出現(xiàn)無鹵阻燃聚烯烴護(hù)套老化后機(jī)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(hù)套機(jī)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(jī)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(jìn)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(hù)套的經(jīng)驗，為無鹵阻燃聚烯烴護(hù)套的擠出工藝進(jìn)行了介紹，旨在與相關(guān)人員相互學(xué)習(xí)，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(hù)套料的主要技術(shù)指標(biāo)
序號 | 項目 | 單位 | 技術(shù)指標(biāo) |
1 | 拉伸強(qiáng)度 中值 老化前 100℃，7天老化后 拉伸強(qiáng)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(dǎo)電率 | -- Μs/mm | ≥4.3 ≤10 |
8 | 毒性指數(shù) | ≤3.0 |
一、 無鹵阻燃聚烯烴護(hù)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(qiáng)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(hù)套與外界的熱氧化反應(yīng)的通道，最終導(dǎo)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(hù)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(dá)到表1要求的性能。
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一、 無鹵阻燃聚烯烴護(hù)套材料的擠出設(shè)備和工藝
由于無鹵阻燃聚烯烴護(hù)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(dǎo)致了低煙無鹵阻燃聚烯烴護(hù)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(hù)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(hù)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(jī)膛間的摩擦力。螺桿壓縮比、螺槽深度、螺旋升角、螺桿與機(jī)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(jī)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(jī)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(dǎo)致阻燃聚烯烴擠出困難，擠出壓力過大，擠出護(hù)套表面粗糙無光澤；溫度過高，會導(dǎo)致阻燃劑分解，擠出護(hù)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(jī)膛擠出過程中，會產(chǎn)生大量的摩擦熱和剪切熱，導(dǎo)致阻燃聚烯烴溫度持續(xù)升高，為了避免溫度過高導(dǎo)致阻燃劑分解，必須對機(jī)膛和螺桿進(jìn)行冷卻。機(jī)膛一般采用風(fēng)機(jī)強(qiáng)吹風(fēng)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(hù)套的質(zhì)量，必須將擠出機(jī)各擠出段溫度精度控制在±
以下是我公司擠出FRPE護(hù)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(yán)格。無鹵阻燃聚烯烴護(hù)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(hù)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(jī)頭出來的塑料溫度在
�？谂c第一節(jié)水槽的距離
適當(dāng)調(diào)整機(jī)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(jìn)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(dāng)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(dāng)減少�？谂c第一節(jié)水槽間的距離。
2.2.1熱水冷卻
但塑料從擠塑機(jī)機(jī)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(jìn)行冷卻，第一節(jié)水槽必須采用熱水進(jìn)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(jìn)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(jìn)入冷水冷卻，溫度驟降會導(dǎo)致護(hù)套材料中部分非極性材料結(jié)晶不完全，影響護(hù)套材料的機(jī)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(hù)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(hù)套外表溫度已經(jīng)與室溫比較接近，但由于護(hù)套有一定的厚度，護(hù)套表面的溫度已經(jīng)降下來了，但護(hù)套內(nèi)部的熱量還沒有散發(fā)完，為了將護(hù)套內(nèi)層的溫度也降下來，就必須采用冷水進(jìn)行冷卻。一般地，護(hù)套冷卻用水都是采用熱交換循環(huán)設(shè)備重復(fù)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(hù)套前，如果塑料包裝袋已經(jīng)開封或破損，必須對塑料進(jìn)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(jìn)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(tuán)的現(xiàn)象，如果發(fā)現(xiàn)不及時，就會導(dǎo)致擠出機(jī)脫料的嚴(yán)重后果。
3.2 護(hù)套的機(jī)械物理性能的測試方法
對于護(hù)套老化前后機(jī)械物理性能的測試，應(yīng)嚴(yán)格按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行預(yù)處理。
筆者曾經(jīng)進(jìn)行過對比試驗，下線后馬上進(jìn)行測試和放置24小時后再進(jìn)行測試，同一個樣品，護(hù)套的拉伸強(qiáng)度差異達(dá)到了1MPa。在進(jìn)行老化試驗時，一定要嚴(yán)格按程序進(jìn)行，即先進(jìn)行老化，再進(jìn)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(jìn)行老化后測試的結(jié)果和按標(biāo)準(zhǔn)程序進(jìn)行試驗的測試結(jié)果差值在3 MPa以上。所以，電纜護(hù)套機(jī)械物理性能的測試必須在護(hù)套生產(chǎn)完成后24小時以后再進(jìn)行測試，在老化性能的測試時，一定是在老化完成后再進(jìn)行啞鈴試片的壓制。
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三 結(jié)論
按上述工藝進(jìn)行無鹵阻燃聚烯烴護(hù)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(biāo)準(zhǔn)要求 | 測試結(jié)果 |
1 | 拉伸強(qiáng)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(jìn)行適當(dāng)?shù)母稍锾幚恚ǜ稍餃囟�、干燥時間）、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(rèn)證產(chǎn)品的重要保證，同時，正確的測試方法（樣本的預(yù)處理和啞鈴試片的制作）才能保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確。
參考文獻(xiàn)：
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