毕业设计耐火电缆设计.doc

绪 论

在当今的工业化社会里，能源和信息是社会的两大支柱，而无论是电能还是信息的传输；都离不开电线电缆。
随着社会的发展，科技的进步，众多的电厂、冶金公司、石化公司向大型集团化方向发展，高层建筑、公共娱乐场合、地铁及地下街道等不断涌现，其用电量与日俱增，电线电缆的品种及用量也相应增长。电线电缆既可输配电能、传递信息，又是易引起火灾的“导火线”，存在着利与弊问题，为此对电线电缆阻燃耐火性能提出了更高的规定。
为提高电气线路的安全水平，电缆的阻燃问题越来越引起人们的关注。电缆的阻燃化已成为线缆行业的一个综合性发展方向。在70年代初一些工业发达的国家已开发了阻燃聚氯乙烯电缆，在阻止火灾蔓延方面取得了重大进展。然而，阻燃系列的电缆仅使燃烧局限于一定范围内，在实际发生火灾时电缆燃烧时不能通电。但许多重要场合万一发生火灾时，人员疏散。通道的照明，防火报警装置，自动消防设施以及其它应急设备，都规定在火灾发生时电缆能保持在规定期间内的正常通电。因此，人们研制出耐火电缆。
火灾给人类社会带来的惨重损失是严重的。这就规定耐火电缆在火焰燃烧情况下，仍能保持一定期间内维持运营，以使线路畅通，及时报警，信号灯显示导引、疏散群众，并使消防电梯、水泵及排烟装置在事故状态下能连续运营。因此，要研制适应不同耐火等级的耐火电线电缆以满足市场需要。然而随着着耐火电缆的出现，却出现了“耐火电缆到底要不要阻燃的问题？”
提出这个问题，也许有人觉得荒唐。其实不然。见到有些厂的产品样本中，把耐火电缆分为不阻燃的和阻燃的两种型号，使人不得其解。于是乎提出，耐火电缆到底要不要阻燃的问题。
主张耐火电缆不需要阻燃的意见是：耐火电缆的耐火性重要是依靠导体外面绕包的云母带，即使绝缘和护套不久烧光了，电缆仍然能保持通电。所以耐火电缆的绝缘和护套主线不需要具有阻燃性。尚有的认为，只有在敷设了阻燃电缆的线路中才使用阻燃耐火电缆，而在普通非阻燃电缆线路中，没有必要使用阻燃耐火电缆。
这种观点是否对的，至今也没有人出来澄清过。
众所周知，耐火电缆燃烧实验合格的重要条件之一是供火时间。假如电缆的绝缘和护套不久就被烧光了，就全靠云母带来承担绝缘作用。万一云母带的质量有点问题或者电缆制造工艺不够完善，那么这个云母绝缘层的绝缘效果，也不也许一直保持到规定的时间。
在2023年全国电缆行业大会上。日本unicar公司在介绍环保型电缆材料时指出：耐火电缆应尽量延长燃烧时间，火焰蔓延速度要慢，并且体积电阻要小。这种说法是符合电缆工程实践的。延长电缆的燃烧时间、减缓电缆燃烧时火焰的蔓延速度，尽量延长耐火电缆的工作时间，这正是消防救援的需要。
因此，无论从哪一方面来看，耐火电缆都应当采用阻燃绝缘和护套。否则，所谓的耐火电缆只能是一个幌子而已。
故而，所谓的耐火电缆就是不仅要达成线芯耐火规定，更应当保证绝缘和护套的阻燃性能，不然所谓的耐火不仅不耐火还不会阻燃了，在此我们就讨论一下真正可以称得上的耐火电缆也既是阻燃耐火电缆。
阻燃耐火电缆在耐火方面：
应当保证不易着火致完全烧毁．在火灾中及火灾后尚能继续工作，保证救火过程中的用电需要；
在阻燃方面：
即在燃烧状态下可以减少火焰的蔓延速度，用成束电缆燃烧实验来考核。应当保证单根电缆垂直燃烧时可阻止火焰蔓延，火焰移去后会自动熄灭。

第1章 设计原理及总体思绪

1.1 序言

本次所设计电缆为阻燃耐火控制电缆，以450/750V电压等级的ZN—KVV为例。即在满足一般的使用特性条件下还应达成特定的技术指标。对于产品一般的使用特性容易达成，而对于特别规定的耐火阻燃特性则需要通过一定的结构和工艺来实现。

1.2 产品使用特性

1.2.1 工作温度

电缆导体的长期允许工作温度为70℃。

1.2.2 敷设温度

电缆的敷设温度应不低于0℃。

1.2.3 弯曲半径

推荐的允许弯曲半径： 本电缆，应不小于电缆外径的6倍 。

1.2.3 耐压实验

交流耐压实验 实验电压为3000V，施压时间为5min.

1.3 电缆应达成的技术指标

1.3.1 耐火指标

耐火指标按GB/T19216.21-2023 在火焰条件下电缆和光缆的完整性实验第21部分：实验环节和规定---额定电压0.6/1kV及以下电缆。
该实验应使用在GB/T19216.11中具体说明的实验装置完毕实验环节。熔断器应符合GB13539.5规定的DII型，允许使用品有等效特性的熔断器代替。注意调节喷灯到对的的位置，在靠近变压器的试样一端，把中性导体和所有保护导体接地。点燃喷灯，把丙烷和空气流量调节到验证环节（见GB/T19216.11）中得到的数值。实验应按给定的供火时间连续进行（供火时间应在相关的电缆标准中规定。假如没有，推荐供火时间为90min。），之后应熄灭火焰，但应对电缆试样继续供电15min。即总的实验时间应为供火时间加上15min的冷却时间。
参照实验环节，具有保持线路完整性的电缆，只要在实验过程中：
—保持电压，即没有一个熔断器或断路器断开；
—导体不断，即灯泡一个也不熄灭。即为合格。假如实验失败，根据有关标准的规定应另取两根试样进行实验。假如两个都符合实验规定，则应认为实验合格。

1.3.2 阻燃指标

阻燃指标应符合GB/T18380.3-2023 电缆在火焰条件下的燃烧实验 第3部分：成束电线或电缆的燃烧实验方法之A类阻燃规定；
一般来讲，通常有很多根电线电缆成束敷设，那么相对于多根电线电缆明线垂直敷设情况来说．由于所谓的“烟囱通道通风效应”，变得更加容易延燃。因此我们对该电线电缆阻燃性的评估采用的是通过成束垂直燃烧实验，成束电线或电缆燃烧实验方法：电缆在实际使用场合经常是集束敷设的，因此评价成束敷设的电缆的阻燃性能更具有具体的意义，成束电线或电缆燃烧实验是一种模拟实际使用状况的大型的实验方法，专门用来评价成束敷设的电缆的阻燃性能，该实验方法的国家标准为GB/T18380.3-2023，等同于IEC60332.3-1992（IEC最新版2023年版）。

其他指标按GB9330标准规定。

1.4 设计原理及总体思绪

为了达成指标，在尽量节约创效益的基础上，对电缆结构进行设计，对所用材料进行合适的选择，对工艺严格规定。

1.4.1 设计原理

根据国标采用4×2.5铜导体结构，重迭外绕三层合成云母带，并在其外围绕包一层聚脂薄膜，以牢固云母带。四芯导体绞合后以阻燃PP带填充，高阻燃涂胶玻璃布带作包带。绝缘以及护套均采用高阻燃PVC材料。在此重要为了达成阻燃耐火规定，更为达成A类阻燃实验，则选择合成云母而不选金云母或白云母，选择高阻燃涂胶玻璃布带而放弃阻燃玻璃布带，绝缘和护套上也应相应选择高阻燃原料取代普通级阻燃料。

1.4.2 总体思绪

本文一方面对原材料性能叙述，根据技术指标，结合结构设计，进行最后选择。进而通过计算对设定的结构尺寸进行验证，来证实所设计结构在电性能、物理机械性能方面是符合相关规定的。

1.5 本章小结

本章简朴介绍了设计原理和总体思绪，在实际生产中应注意阻燃和和耐火实验的操作，注意使用的设备。根据截面的不同选择而选择不同的根数进行实验，并注意同B类、C类实验不同之处。

第2章 原材料的选择及结构设计

2.1 引言

材料选择什么，结构如何设计对电缆至关重要，材料选择不妥，结构设计不合适不仅会影响产品的性能，即使产品达成指标，也有也许会导致材料的浪费。材料选择对的，结构设计合理，则会达成预期目的，也会给厂家带来效益。

2.2 导体

导体为什么选用铜？铜有哪些特点？导体结构如何选择？

2.2.1 铜导体特点

铜是电线电缆工业的重要材料，重要用作电线电缆的导体，其重要特点如下：
2.2.1.1 导电性好，仅次于银而处在第二位。
2.2.1.2 导热性好，仅次于银、金而处在第三位，导热率为7 8％。
2.2.1.3 塑性好，在加工时，初次加压力加工量可达3 0％--40％。
2.2.1.4 耐腐蚀性较好，与盐酸或稀硫酸作用甚微。铜在干燥中具有较好的耐腐蚀性，但在潮湿的空气中易生成有毒的铜绿
2.2.1.5 易于焊接。
2.2.1.6 力学性能较好，有足够的抗拉强度和拉伸率。

2.2.2 导体规定

导体表面要光洁、无油污、无损伤、绝缘的毛刺、锐边以及凸起或断裂单线。

2.3.3 导体结构及尺寸

参照GB／T3956根据设计电缆指标规定导体采用第一种实心导体即单根不镀锡铜导体。并拟定设计电缆导体结构及尺寸大小，参见：表（1）、（2）、（3）、（4）。
表（1）单芯或多芯电缆用第一种实心导体
标称截面㎜2
20℃时导体最大电阻Ω／㎞
圆铜导体
不镀金属
镀金属
0.5
0.75
1
1.5
2.5
4
6
·
·
36.0
24.5
18.1
12.1
7.41
4.61
3.08
·
·
36.7
24.8
18.2
12.2
7.56
4.70
3.11
·
·

表（2）导体结构

标称截面
㎜
导体结构
20℃时导体电阻Ω／㎞不大于
种类
根数／单线标成直径㎜
不镀锡
镀锡
0.5
0.75
0.75
0.75
1.0
1.0
1.0
1.5
1.5
1.5
2.5
2.5
2.5
4
4
6
6
10
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
1
2
2
16／0.20
1／0.97
7／0.37
24／0.20
1／1.13
7／0.43
32／0.20
1／1.38
7／0.52
30／0.25
1／1.78
7／0.68
50／0.25
1／2.25
7／0.85
1／2.76
7／1.04
7／1.35
39.0
24.5
24.5
26.0
18.1
18.1
19.5
12.1
12.1
13.3
7.41
7.41
7.98
4.61
4.61
3.08
3.08
1.83
40.1
24.8
24.8
26.7
18.2
18.2
20.0
12.2
12.2
13.7
7.56
7.56
8.21
4.70
4.70
3.11
3.11
1.84

表（3）电缆规格
型

号
额
定
电
压
V
导体标称截面
0.5
0.75
1.0
1.5
2.5
4
6
10
芯 数
KVV
450∕750
——
2～61
2～14
2～10

表（4）KVV型450/750V铜芯聚氯乙烯绝缘聚氯乙烯护套控制电缆结构及外形尺寸
芯数×标称截面㎜2
导体种类
绝缘标称厚度㎜
护套标称厚度㎜
平均外径㎜

70℃最小绝缘电阻
MΩ·㎞
下限
上限
2×0.75
··
··
··
3×1.0
··
··
··
4×0.75
··
··
··
4×1.5
4×2.5
4×2.5
··
1
··
··
··
2
··
··
··
1
··
··
··
2
1
2
··
0.6
··
··
··
0.6
··
··
··
0.6
··
··
··
0.7
0.8
0.8
··
1.2
··
··
··
1.2
··
··
··
1.2
··
··
··
1.2
1.2
1.2
··
6.4
··
··
··
7.2
··
··
··
7.2
··
··
··
9.0
10.0
10.0
··
8.0
··
··
··
9.2
··
··
··
9.0
··
··
··
11.5
12.0
13.0
··
0.012
··
··
··
0.013
··
··
··
0.012
··
··
··
0.010
0.010
0.009
··

为达成规定技术指标，参照GB／T3956及GB9330而拟定电缆导体材料、导体结构和相关技术规定。
在进行耐火云母层绕包前，使用导体清刷装置，清除导体表面的铜屑，消除了铜屑对耐火云母层的刺破损失作用，减少耐火云母带电压击穿的也许性，提高高温燃烧时的绝缘电阻。

2.3 耐火层（云母带）

大多数电缆在燃烧过程中和燃烧结束后，其灰烬仍有一定的绝缘性能，但碰到震动时，绝缘灰烬便脱落。基于上述因素，越来越多的电缆采用高云母含量、高质量的云母带。实验证明，只有选用高质量云母带并采用适当的电缆结构和生产工艺才干保证电缆通过阻燃耐火实验。

2.3.1 三种云母

云母是一种天然矿物质，由于其杰出的介电性能、热稳定性、辐射稳定性和化学稳定性，云母一直被列为电气领域最佳的绝缘材料之一。天然云母分白云母、金云母两种。白云母的化学成份为铝一钾硅酸盐，金云母为铝一钾一镁硅酸盐。其本质为具有片状结构矿物质。通过特殊的热解决、化学解决和机械加工可将云母矿石浆化，并制成云母纸。合成云母是指以氟离子替代羟基人工合成而制得的云母。氟金云母与天然云母相比，其高温下电气绝缘性能较好，但硬度较高，氟金云母的莫氏(mohs)硬度为3．4，而天然云母为2．5。三种云母材料的物理电气特性如表（5）所示
表（5）三种云母特性
特性
白云母
金云母
氟金云母
密度／（／㎝3 ）
2.7～2.9
2.7～2.85
2.78～2.85
硬度（莫氏）
2.8
2.5
3.4
熔点／℃
1200～1300
1200～1300
1370
tｇδ（23℃）
10-4
10-3
10-4
介电常数
5～8
5～7
5.6～6.3
体积电阻率／（Ω·㎝）
23℃
1016～1017
1014
1015
60℃
108～109
1010
1011
击穿电压／（KV／㎜）
159～317
125～281
185～238
分子结构
KAL2（ALSi3O10）(OH)2
KMg3(ALSi3O10)(OH)2
KMg3(ALSi3O10)F2

2.3.2 云母带

构成耐火云母带的材料是云母纸、粘合剂和补强材料（玻璃面布）。
2.3.2.1 云母纸 云母纸自身不含任何粘结剂，而是靠云母片自身互相连结，保持其结构完整性。尽管云母纸的电气绝缘性能十分杰出，但其强度很低，这就规定采用补强材料与云母纸复合制成云母带。部分云母带存在硬度大，厚度太厚，粘合剂含量过高以及云母片易于脱落等缺陷，无法满足市场需求。生产厂家已开发出超薄云母带可用于小截面耐火电缆的制造，其结构为白云母或金云母辅以单面补强，其补强材料为玻璃布或高分子薄膜，粘合剂为有机硅弹性体。此类云母带可承受热冲击和电气负荷过载等苛刻的运营环境。
常温下白云母的电气绝缘性能最佳。但在耐热方面最差。白云母在常温下的电性能好于金云母，但在耐火热性方面，金云母好于白云母：（白云母在600℃以上会释出其结晶水，而金云母要到800℃以上才会产生结晶水。）目前，我国已研制成功人工合成的氟金云母带，氟金云母中含9．56％重量比例的氟，其不含结晶水，熔点达l375℃。在600℃时，氟离子开始释出，到1100℃时，氟离子基本完全释出。但以上三种云母的层状物理结构皆可保持到其相应熔点，不发生变化。由此，生产A类电缆用云母带，采用合成云母；生产B类电缆用云母带，其云母采用金云母就能满足规定。
2.3.2.2 粘合剂 粘合剂的选用必须以粘合力强、柔软和燃烧不炭化为原则，三者缺一不可。对于云母带的选择要通过调研，并进行工艺、产品实验，在相同工艺条件下作比较，进行耐火电缆的试制，最终选定通过耐火特性实验产品。
2.3.2.3 云母带的补强材料
（1） 国内 云母带的补强材料重要有玻璃布和高聚物薄膜两种，其中玻璃布补强云母带又分单面和双面。国产用于阻燃耐火电缆的云母带重要以双面玻璃布补强为主。双面补强的云母带，其成本较高。国产云母带之所以采用双面有其客观因素，即我国云母带生产厂的制造设备粘合工艺较落后，云母片在绕包过程中易脱落，只有采用双面玻璃布补强才可减少云母片的脱落。但这样也带来以下不利因素：
a带材成本增大。玻璃布、粘合剂等用量加倍导致原材料成本上升；粘合工艺复杂导致加工成本上升。
b云母烧结层结构松散，抗机械冲击性差。这是由于双面补强，云母纸和导电线芯之间和云母带互相之间分别有一层和二层玻璃布，这样云母烧结层自身、烧结层和线芯表面都存有空隙。
c烧结层结构松散还导致导体表面电晕放电严重。
d电缆外径增大，综合成本上升。
云母带补强用玻璃布，通常采用E玻璃抽丝织布制成，又称为无碱玻璃纤维布。云母带生产厂家在选择玻璃布时，一定要确认E玻璃及拉丝工艺过程中没有采用润滑剂，这是由于润滑剂燃烧后会碳化，这样便导致击穿电压下降，并且润滑剂会使玻璃布同云母层的粘结能力减少，在绕包时云母带会离层、云母脱落，使电缆难以通过耐火实验。
表（6）E玻璃的特性
项目
指标
项目
指标
密度（g／cm3）
2.6
膨胀系数（K-1）
5×10-6
抗拉强度(Map)
3400
热导率(w／mK)
1
断裂伸长率(％)
3.3
比热容(J／kg·K)
840
E模量(MPa)
7300
软化点（℃）
840
介电常数(106Hz)
6.1～6.7
加热24 h
强度残留
率（％）
300℃
78
介质损耗(106Hz)
（20～30）×10-4
400℃
50
电阻率（Ω·㎝）
104（（1000℃）
540℃
30
注：l E玻璃组成(％)：SiO2，51～55；AL2O3，13～15，：CaO ,MgO，20～14；B2O3 6～9,K20,Na2O，<1。
国内部分厂家生产的玻璃布其抗拉强度较低，于是在玻璃纤维中加入芳纶或其他有机纤维来提高其抗拉性能。由于有机纤维在燃烧后炭化，这样也会导致电缆燃烧时击穿电压下降。国外同行在这方面专门做过研究，对两根7／0．5 mm的绞线进行对比实验，每根绞线绕包一层单面玻璃布补强的云母带，带宽6 mm，搭盖牢为50％，其中：
a样品1的绝缘为纯玻璃布补强云母带；
b样品2的绝缘为含50％芳纶玻璃布补强云母带。
实验时，将500 mm长度的样品放人烘炉，并通过500 V DC兆欧计进行测量。每次测量前样品需在测量温度下放置10 min。实验结果见图（1）

图（1）耐火电缆绝缘电阻对比

(2) 国外 国外公司生产的云母带一般只采用单面补强，初期仅以玻璃布作为补强材料，近期随着技术的更新，国外一些公司又开发出以高分子薄膜作为补强材料的新型云母带，绕包时云母纸朝向导体线芯。薄膜补强云母带与玻璃布补强带相比，有如下优势：
a常态击穿电压大大提高;
b抗拉强度增大；
c表面光滑，有助于后道的挤出工序；
d接头连接方便，仅需在云母带正反两面包以粘胶带；
e工艺范围宽，耐机械冲击(涉及刮、碰、挤、擦等等)；
f省去云母带外加保护层，如玻璃布、聚酯带、无纺布等。
当然，薄膜补强云母带在应用上也有特定规定，绕包角一定要在400～500之间。在挤出之前，端头一定要绕包聚酯胶带以免云母带松落。

2.3.3 云母带各项指标
表（7）单双面云母带指标参考
指标名称
单位
（单面补强）
（双面补强）
云母纸
合成云母
粘合剂
硅树脂
补强材料
玻璃布
标称厚度
mm
0.11
0.14
0.18
0.14
0.18
厚度偏差

中值
mm
±0.02
±0.02
个别值
±0.03
±0.03
云母含量
%
≥60
≥55
胶粘剂含量
%
≤17
≤20
挥发物含量
%
≤1.0
≤1.0
拉伸强度
N/cm
≥60
≥100
工频介电强度（常态）
MV/m
≥10
≥8
体积电阻率（常态）

≥1.0×1010
≥1.0×1010
耐火电线电缆的特性等级

GB12666.6-90 A(950℃-1000℃)
GB12666.6-90 B(750℃-800℃)

耐火电缆只要采用高质量的云母带，可大大提高产品性能，即使是天然云母也可满足GB 12666．6标准的A类和更为苛刻的BS6387标准的规定。当然，仅有高质量的云母带是不够的，要生产出高质量的耐火电缆，必须注意云母带、绝缘料和护套料的适当组合和生产工艺的严格控制也是至关重要的。
把云母带用手掌揉捏，如手感柔软、不分层，且在酒精灯的火焰止(或打火机的蓝色内焰上)燃烧，云母带表面为白色粉末而不呈黑色(炭化)，则可认为基本可用。当然，最终裁定应采用规范或标准规定的方法。这在上海电缆研究所制订的《电线电缆用耐火云母带》(Q／SJ 05—91)中可以找得到。

2.4 绝缘以及护套

由于以往电缆火灾的教训，在最近二十年里，阻燃耐火电缆技术获得了急速的发展。要达成耐火必须保证电缆阻燃，而阻燃电缆技术的关键是电缆的绝缘和护套材料的阻燃化。作为电缆的绝缘和护套材料，大多采用塑料和橡胶有机聚合物组成。这些有机聚合物基本上是可燃的。为了能使这些聚合物阻燃，人们在聚合物材料配方里添加一种能阻止聚合物引燃或克制燃烧蔓延的助剂——阻燃剂，以获得电缆绝缘和护套用的阻燃材料。

2.4.1 聚合物的燃烧过程

作为电缆的绝缘和护套材料的有机聚合物，基本上是具有碳和氢的高分子有机化合物。它们在一定的温度和氧的作用下，会引起燃烧。聚合物在空气中的燃烧是一种非常剧烈的热氧化反映(见图2)。
由图（2）可知，聚合物受热后会发生溶化，假如进一步受热，则溶化的聚合物会分解，产生可燃性气体。当可燃性气体达成一定浓度和温度时，会与氧反映，发生燃烧。燃烧会释放出大量热量，而这些热量将会更进一步地加剧聚合物的溶化和分解，产生更多的可燃性气体，从而使火势迅速蔓延。在图（2）中，以电线电缆用聚乙烯材料为例子，它的溶化热约为100Cal／g，分解时所需的热量总和约为几仟Cal／g，燃烧时所产生的燃烧热约为10000 Cal／g。由此可知，材料燃烧时所产生的燃烧热，相对于它的溶化热和分解时所需的能量来说，要大得多。因此，一旦材料燃烧，如图（2）所示的燃烧过程会不断地反复连续下去。

图（2）燃烧过程简朴示意图

聚合物燃烧时，由于热分解，会产生可燃性的低分子物质。通常将聚合物的燃烧过程写成如下链锁氧化反映：
HO·+RCH3一RCH2·+H20
RCH2＋O2RCHO＋HO·
上述的链锁氧化反映表白，活性羟基自由基HO·与聚合物相遇时，会生成碳氢化合物自由基和水，在氧的作用下，碳氢化合物自由基分解，又产生新的活性自由基HO· 。由于聚合物在燃烧过程中会形成大量活泼自由基HO· ，从而使反映更加剧烈，燃烧连续下去。由此可见，在燃烧反映中，大量增殖的活性自由基HO· ，对聚合物材料的燃烧起着重要的作用。根据示意图，添加阻燃剂，设法切断途中所示燃燃过程中某一环节，就能克制燃烧，达成阻燃目的。

2.4.2 卤素阻燃机理

2.4.2.1氯系阻燃剂的阻燃机理 在卤素阻燃剂中，最常使用的是氯系阻燃剂和溴系阻燃剂。
在燃烧条件下，氯系阻燃剂受热，会分离出氯自由基CL· 。氯自由基CL·会进一步与燃烧反映中氢自由基或者聚合物反映生成氯化氢HCL。氯化氢HCL又会与在燃烧反映过程中形成的高活性羟基自由基HO·反映生成水。其反映过程如下：
RCL R·＋CL·
氯系阻燃剂
CL·＋H·HCL 或
CL·＋R，HHCL
聚合物
HCL＋HO·H2O·CL·
由上可知，氯系阻燃剂，在较高温度下放出氯化氢，捕获燃烧反映过程中大量增殖的高活性羟基自由基HO·和H· ，从而能中断链锁氧化反映，减缓或终止燃烧。
根据上述卤素阻燃机理制成的含卤素阻燃材料，被广泛的应用来作为电线电缆的绝缘和护套材料。本设计所用高阻燃聚氯乙烯绝缘和护套就是基于此机理。
2.4.2.2 溴系阻燃剂的阻燃机理 溴系阻燃剂的阻燃机理与氯系阻燃剂相同。由于H—Br键比H—CL键的键能小，反映速率大，活性强，因此溴系阻燃剂在燃烧时，捕获自由基HO·和H·的作用较氯系阻燃剂强。由于溴系阻燃剂的阻燃效应一般比氯系阻燃剂高2～4倍，因此达成同样阻燃性能时，溴系阻燃剂的用量较少，从而对制成材料的加工和使用性能影响也较小。此外，相对于氯系阻燃剂来说，溴系阻燃剂受热分解产生的腐蚀性气体的毒性较小。正由于上述一些优点，溴系阻燃剂是卤素阻燃剂中发展较快的一种。
总的来说，卤素阻燃剂，由于价格较便宜和阻燃效果较好，因此获得广泛的使用。

2.4.3 聚氯乙烯

2.4.3.1 聚氯乙烯阻燃效果 聚氯乙烯（PVC），由于价格便宜，性能优良，阻燃性能好，因此在阻燃电缆制造中，得到广泛的应用。
聚氯乙烯由于具有卤素，因此具有高的阻燃性。燃烧时，它会产生卤化氢。由于卤化氢的作用，能使燃烧连锁反映中的游离基保持稳定，从而起阻燃作用。材料阻燃性的评估标准有ASTM D2863或JISK7201。在这些标准中是使用氧指数法。氧指数表达材料连续燃烧时所必需的最低氧浓度。由于空气中氧所占的体积百分数为2l％，因此对于氧指数超过21的材料会自熄。氧指数越大，阻燃性也越高。对于硬质聚氯乙烯，氧指数可高达45～49。由于电缆规定具有一定的柔软性，所以使用硬质聚氯乙烯时必须配合一定增塑剂(易燃的)但氧指数会下降见下表，或者使用软质聚氯乙烯。软质聚氯乙烯的氧指数约为25，但与聚乙烯指数18相比较，它仍然是高的。它仍能满足电线电缆倾斜燃烧实验中规定的自熄性。当空气温度升高时，材料的氧指数会下降。垂直托架燃烧实验用来模拟成束电缆燃烧情况。在此情况下，燃烧电缆附近温度较高，因此规定电缆材料必须具有较高氧指数。为了满足垂直托架实验规定，氧指数应在27以上。所认为了能使聚氯乙烯能通过垂直托架燃烧实验，必须要提高它的氧指数，通常可以添加三氧化二锑。当把三氧化二锑（Sb203）与卤素阻燃剂合并使用时，阻燃性会明显地提高。当三氧化二锑的添加量份数为2～3％时，氧指数就能超过27。在规定具有更高阻燃性的场合，以添加卤素阻燃剂和阻燃增塑剂，此时开发的聚氯乙烯氧指数可达40以上，能满足电缆护套高阻燃性的规定。
在聚氯乙烯材料的配方里，添加卤索阻燃剂十溴联苯醚、氯化石腊、增效阻燃剂三氧化二锑，和将一部分易燃增塑剂改为阻燃增塑剂的方法，来提高聚氯乙烯的阻燃性。
表（8）软质聚氯乙烯添加一定量的增塑剂（易燃）后，其氧指数的变化
配方编号
1（未加入增塑剂）
2（加入增塑剂）
FVC树脂（份）
稳定剂（份）
增塑剂（份）
100
5
—
100
5
50
氧指数
53
26
抗拉强度（N／㎜2）
—
23
伸长率（％）
—
302

2.4.3.2 卤索阻燃剂十溴联苯醚的添加效果 在燃烧条件下，卤素阻燃剂十溴联苯醚会分解产生溴自由基Br．和焦炭。溴自由基Br．会与燃烧反映中氢自由基H·或者聚合物反映，生成溴化氢HBr 。溴化氢HBr又会与在燃烧反映过程中形成的活性羟基自由基H0·反映生成水和溴自由基Br· 。其反映过程如下：
RBrBr·＋焦炭
十溴联苯醚
Br·+H·HBr 和 Br·+R’H HBr+R’
聚合物
HBr+HO·H20+Br·
由此可见，由于卤素活性剂能捕获燃烧反映过程中形成的高活性自由基HO·，将其置换成低活性的溴自由基Br· ，从而能中断链式氧化反映，起阻燃效果。
此外，十溴联苯醚分解后的碳化物能在燃烧表面形成隔离层，隔离氧气，起阻燃作用。

表(9)添加不同数量十溴联苯醚后聚氯乙烯材料性能
配方编号
1
2
3
PVC树脂(份)
增塑剂(份)
稳定剂(份)
填充剂(份)
十溴联苯醚(份)
100
50
5
25
—
100
50
5
25
10
100
50
5
25
30
氧指数
抗拉强度(N／mm2)
伸长率(％)
26
20.2
263
28
20.0
274
30
18.7
279

由表(9)可知，在聚氯乙烯里，添加卤素阻燃剂后，聚氯乙烯材料的氧指数能有较大的提高。
2.4.3.3 增效阻燃剂Sb203
（1）增效阻燃剂Sb203的添加效果
Sb203自身的阻燃效果不大，但在存在卤化物的情况下，却能显示出良好的阻燃效果。因此，为了提高电缆用软质聚氯乙烯的阻燃性，可在聚氯乙烯材料配方里，添加增效阻燃剂Sb203。运用它与卤素的协同阻燃作用，可以明显地提高其阻燃性。Sb203和聚氯乙烯受热后，聚氯乙烯热分解产生的HCL，会与Sb203反映生成SbOCI
和SbCI3。其反映如下：
4HCl+ Sb203SbOCl + SbCl +2H20
(固体) (气体)
由于SbCI3能捕获活性自由基HO· ，将其置换成活性较小的氯自由基C1．，从而能中断链式氧化反映，减缓或终止燃烧。其反映如下：
SbCl3＋HO·SbOCl+HCI+C1·
HCI＋HO·H20+Cl·
表(10)为实验配方，用来研究添加不同量Sb203 时的聚氯乙烯阻燃性能。
表(10)实验配方
PVC(份)
稳定剂(份)
DOP(份)
Sb203
100
5
40～100
可变量

图(3)表达在实验配方中添加不同量时的阻燃效果。由图（3）可知，随着Sb203添加量的增长，聚氯乙烯的阻燃性提高。

图（3）三氧化二锑添加量份数

（2）增效阻燃剂和卤素阻燃剂的协同作用
在实际的聚合物阻燃材料配方里，很少是使用一种阻燃剂，而往往需要同时使用几种阻燃剂，充足发挥几种阻燃剂之间的互相协同作用，以获得在阻燃性能和其它性能上都能符合规定规定的实用的阻燃材料。
（3）阻燃聚氯乙烯电缆材料用阻燃剂的协同作用
合用于电缆用软质聚氯乙烯材料，由于加工时必须添加一定数量的易燃增塑剂，因此导致氧指数减少，约为25左右。为了能满足成束电缆垂直燃烧实验规定，聚氯乙烯的氧指数应为30左右。为此，在聚氯乙烯电缆材料配方里，添加增效阻燃剂Sb203。由于阻燃剂Sb203 和卤化物聚氯乙烯的协同阻燃作用，使聚氯乙烯材料的阻燃性明显提高。
通过在聚氯乙烯材料中添加Sb203后阻燃效果的研究，可以知道，在聚氯乙烯Sb203添加量达成一定数量后，其阻燃性能趋向饱和。因此，在聚氯乙烯材料配方中，可添加适量卤素阻燃剂氯化石腊，与Sb203一起使用，从而能进一步提高聚氯乙烯材料的阻燃性。
在阻燃聚氯乙烯材料配方中，为了增长其阻燃性，添加阻燃剂Sb203 。但是，添加有Sb203后的聚氯乙烯材料，在燃烧过程中会产生大量黑烟。为了减少它的发烟量，可以添加阻燃填充剂Al(OH)3、辅助阻燃剂硼酸锌、MoO3等。它们不仅能提高聚氯乙烯材料的阻燃性，并且能减少聚氯乙烯燃烧时的发烟量。
由上可知，在聚氯乙烯材料中，同时添加几种合适的阻燃剂，即可在提高聚氯乙烯的阻燃性和减少聚氯乙烯的发烟量之间寻找出一个最佳的聚氯乙烯材料配方。
（4）Sb203和卤素阻燃剂的协同效果
聚氯乙烯自身具有卤素氯，因此单独使用Sb203 ，它就能与聚氯乙烯一起产生一定的协同作用，从而获得较好的阻燃效果。此外，为了能更进一步提高聚氯乙烯的阻燃性，可将Sb203和卤素阻燃剂合并使用，此时Sb203可作为卤素阻燃剂协同效应的促进剂。
（5）Sb203和十溴联苯醚的协同效果
表（11）表达增效阻燃剂Sb203和卤素阻燃剂十溴联苯醚合并使用时的协同效果。由表（11）可知，添加Sb203和十溴联苯醚后的聚氯乙烯，在阻燃性、抗拉强度、伸长率上能达成规定值，合用作为电线电缆用阻燃材料。
(表11)
配方编号
1
2
3
PVC树脂(份)
增塑剂(份)
稳定剂(份)
填充剂(份)
十溴联苯醚(份)
Sb203
100
50
5
25
10
—
100
50
5
25
10
2.5
100
50
5
25
10
5
氧指数
抗拉强度(N／mm2)
伸长率(％)
28
20.0
274
30
20.5
302
33
18.7
241

（6）Sb203和氯化石腊的协同效果
由图（3）可知，在聚氯乙烯中，Sb203达成一定含量后，其阻燃性趋于饱和。因此，在实际配方中，还可添加一些氧化石腊与Sb203一起使用，进一步提高其阻燃效果。表（12） 表达Sb203和卤素阻燃剂氯化石腊合并使用的协同效果。由表（12）可知，在聚氯乙烯材料里，当Sb203和氯化石腊合并使用时，氯化石腊一方面作为卤素阻燃剂，与增效阻燃剂Sb203一起起协同阻燃效果，另一方面又作为阻燃增塑剂，起到替代部分易燃增塑剂DOP的作用，从而可以获得使用的阻燃聚氯乙烯材料。
表（12） Sb203和氯化石腊协同效果
配方编号
1
2
3
4
5
6
PVC (份)
DOP（份）
氯化石腊（
氯烃－50）
Sb203
100
30
20

0
100
40
0

3
100
40
10

2
100
40
10

3
100
30
20

2
100
30
20

3
氧指数
25.6
28.5
28.1
29.5
29.2
30.

2.4.3.4 阻燃增塑剂TCP的添加效果
软质聚氯乙烯具有大量的易燃增塑剂DOP(邻苯二甲酸二辛酯)，为了提高阻燃性可将易燃增塑剂DOP改为阻燃增塑剂TCP（磷酸三甲苯酯）
有机磷系阻燃剂磷酸三甲苯酯受热后，能促使聚合物砌料脱水炭化。聚合物表面形成的炭化层能使聚合物内部与氧隔绝，从而阻止燃烧。
表（13）表达添加不同种类增塑剂后的聚氯乙烯德阻燃性能/由表（13）可知，含阻燃增塑剂TCP的聚氯乙烯具有较高氧指数，它比含DOP的聚氯乙烯氧指数约高出5。图（4）表达含不同种类增塑剂时聚氯乙烯的氧指数变化情况。由图（4）可知，当增塑剂含量增长时，氧指数会直线下降，并且下降的快慢限度基本相同，与增塑剂的种类无关。
表（13）添加不同种类增塑剂后的聚氯乙烯材料阻燃性能
配方编号
1
2
3
4
5
6
PVC(份)
稳定剂(份)
Sb203（份）
DOP （份）TCP (份)
100
5
5