矿用新型无烟无卤橡套软电缆的研究大学本科毕业论文.docx
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矿用新型无烟无卤橡套软电缆的研究大学本科毕业论文
矿用新型无烟无卤橡套软电缆的研究
摘要
随着我国采煤业的发展，逐步带动了大批的机械加工制造业及相关产业链。
相关资料显示，矿用电缆是采煤业机械不可缺少的重要配套产品，是传递信息、输送电能和制造各种电机、电器、仪表不可缺少的基础器材。
几乎从超高压输电线路到各种微电机的各个环节都离不开矿用电缆。
随着我国经济发展和消费市场的逐步扩大，国内煤炭企业对矿用电缆的需求也不断增长必将强劲拉动矿用电缆行业的市场增长，给矿用电缆行业带来难得的市场机遇，预计今后这种趋势仍将继续。
本文分析了电线电缆火灾的成因和危害；简要介绍了无烟无卤阻燃橡套电缆料的发展现状和方向；重点介绍了无烟无卤阻燃橡胶电缆料的配方研究；对无烟无卤电缆料进行大量实验以获得更好的阻燃性能，例如ATH，LDHs，TCP对EVM的燃烧性的影响；根据实验得出的数据对无烟无卤橡套电缆进行设计，设计型号为MYWPTJ—8.7/10KV3×185+3×70/3+3×2.5，并分析了该产品的试制情况。
提出了阻燃剂的无卤化、抑烟和低毒是当前和今后电线电缆阻燃研究领域的前沿课题，但在阻燃电缆的应用上还需进一步深入研究。
关键词 无卤;阻燃;燃烧性
Miningnewsmokelesshalogen-free,rubbersetsoftcableresearch
Abstract
Stepbystepwiththedevelopmentofcoalindustryinourcountry，alargenumberofmachinerymanufacturingindustryandrelatedindustrialchain.Relevantdatashows，theminecableistheindispensableimportantcoalminingmachineryproducts，ispassinginformation，transmissionpowerandmanufacturingallkindsofmotor，electricalequipment，instrumentoftheindispensablefoundation.Almostfromallaspectsofultra-highvoltagetransmissionlinestoallkindsofmicro-motorisinseparablefromtheminecable.Alongwithourcountryeconomydevelopmentandwideningconsumermarket，thedomesticcoalenterprisesisalsogrowingdemandforminecablewillbeastrongpulltheminecableindustrymarketgrowth，bringarareopportunitytominecableindustry，isexpectedthistrendwillcontinueinthefuture.
Thispaperanalyzesthecausesandharmofwireandcablefire;Thispaperbrieflyintroducesthesmoke-freehalogen-freeflameretardantrubbercablematerialsdevelopmentpresentsituationanddirection;Introducedasmoke-freehalogen-freeflameretardantrubbercablecompoundrecipe;Smokelesshalogen-freecablematerialsforalargenumberofexperimentsinordertoobtainbetterflameretardantperformance，suchasATH，LDHs，TCP'sinfluenceonthecombustibilityofEVMentry;Accordingtotheexperimentdataofsmokelesshalogen-free，rubbersetsofcablestocarryonthedesign，thedesignmodelforMYWPTJ-8.7/10kv3x185+3*70/3+3*2.5，andthemanufactureoftheproductwereanalyzed.Proposednohalogenatedflameretardantandsmokesuppressionandlowtoxicityisthecurrentandfutureresearchfrontierinthefieldofelectricwireelectriccablefireretardant，butalsoontheapplicationofflameretardantcableneedtobefurtherin-depthstudy.
Keywords Halogenfree;Flameretardant;Combustibility;
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目录
摘要
Abstract
第1章绪论1
1.1课题背景1
1.2无烟无卤电缆国内外发展概况和趋势2
1.2.1无烟无卤电缆国外发展现状2
1.2.2无烟无卤电缆在中国的发展3
1.2.3无烟无卤电缆国内外竞争情况及产业化前景7
1.3本文研究内容7
第2章无烟无卤电缆料配方研究8
2.1引言8
2.2EVM简介9
2.3实验部分9
2.3.1主要原料与试剂9
2.3.2主要仪器和设备9
2.3.3LDHs、ATH表面处理10
2.3.4EVM/TCP/LDHs/ATH复合材料的制备10
2.3.5测试与表征10
2.4结果与讨论10
2.4.1ATH对EVM燃烧性的影响10
2.4.2LDHs对EVM燃烧性的影响11
2.4.3TCP对EVM燃烧性的影响12
2.4.4LDHS/ATH/TCP对EVM阻燃性能和力学性能的影响12
2.5本章小结13
第3章无烟无卤电缆设计及试制15
3.1无烟无卤橡套软电缆的设计15
3.1.1产品采用的关键技术及主要工艺路线16
3.1.2产品主要工艺流程图17
3.2无烟无卤电缆试制18
3.2.1产品试制依据及计划18
3.2.2试制情况19
3.2.3新产品的应用20
3.2.4产品的质量控制22
3.2.5试制关键技术及出现的主要问题22
3.2.6成品性能试验结果23
3.2.7本章小结23
结论24
致谢25
参考文献26
附录27
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第1章绪论
1.1课题背景
橡胶与塑料聚合物是制造电线电缆的绝缘和护套的主要材料，它们多数是容易燃烧和延燃的。
随着电线电缆甩量不断增大，电气火灾事故的频繁发生，电线电缆的阻燃问题逐渐引起世界各国的重视。
早在70年代，国内外相继开发了阻燃电缆，但是这些阻燃电缆几乎都是有卤的，虽然有一定的阻燃效果，但在火灾发生时，燃烧的电线电缆仍要产生有毒气体和烟雾，这不仅影响救灾工作的顺利进行，而且对生命财产造成“第二次灾害”。
鉴于不少工业部门和地铁、高层建筑等市政民用设施对安全性和可靠性的要求越来越高，迫切要求开发新一代的无烟无卤阻燃电缆。
近年来,人们发现火灾事故中的人员致死原因80%以上与材料产生的浓烟和有毒气体有关[1].为避免或降低火灾事故的“二次灾害”，国际电工委员会（IEC）于1982年和1989年相继制定并修订了IEC一和IEC6O754一2，以此来限制电缆燃烧时释放出的毒气含量（规定HCI含量<5mg/g，燃烧释放出的腐蚀性气体的水溶液的ph>4.3、电导率<1Ops/mnI）。
1991年又制定了EIC61034，以此来限制电缆燃烧时释放出的烟雾量（规定烟雾透光率>60%）。
英国制定7海军工程标准NES一718和NES一713。
美国海军标准MILS24643直接采用NES一713标准来检测电缆燃烧时释放出的毒性气体含量（规定毒性指数<5）。
我国也相继制定了GB12666.7一1991，并于1998年对其进行了修订并制定了标准GB/T17650一1998和GB/T17651一1998，来限制电缆燃烧时释放的烟雾量和毒性气体含量。
1995年颁布的“建筑内部装修设计防火规范”规定烟密度等级SRD成75，毒气毒性（Lc50））2m5g/L。
2001年，国家经贸委和公安部（消防部）颁布了“公共场所阻燃制品的应用与标准”规定了“材料产烟毒性分级”，“塑料绝缘阻燃及耐火电缆分级和要求”规定了所有电缆等阻燃材料的烟气毒性指标（规定燃烧释放出的烟气毒性（浓度）在（6.15一12.4）mg/L范围内）。
所有这些标准都为限制电缆等阻燃或非阻燃材料燃烧释放的烟雾和毒气提供了有效和可靠的依据，但是在煤矿这种高危行业内，我国的煤矿用电缆在无烟无卤的控制上几乎还是空白，可见研制和在煤矿应用煤矿用无烟无毒（卤）阻燃电缆是十分必要和重要的。
1.2无烟无卤电缆国内外发展概况和趋势
1.2.1无烟无卤电缆国外发展现状
在第二次世界大战期间开发的卤素一锑阻燃体系，被誉为是阻燃技术发展史上的一个里程碑，经过半个多世纪的研究和应用已走向成熟，并在近20年的阻燃剂领域中一直处于重要地位。
但其燃烧时引发的有毒烟雾使人窒息比高温灼烧更容易使人死亡。
国际上，特别是欧盟和日本，对阻燃电线电缆料较早地提出了高性能、无卤化阻燃的要求，并已经在诸多的行业用线缆中加以规范化使用。
日本索尼公司新近推出了索尼绿色环保认证，其中就明确强调了停止使用PVC电缆料，用无卤阻燃电缆料代替之。
应该说这些规定虽然对我国有巨大的冲击，但对人的生命安全保障、环境污染的消减还是极为有利的。
早期的阻燃电缆大都采用含卤的有机阻燃剂，同时为了提高阻燃性，还添加了Sb2O3阻燃剂，如在PVC、PE、EPR等基料中加入阻燃剂，经混合制成具有阻燃性能的绝缘护套料。
由于在燃烧时这种阻燃电缆会释放出大量的烟雾和腐蚀性有害气体，造成所谓的“二次灾害”[2,3]。
因此，70年代末阻燃电缆开始朝着无卤、无烟、无毒的方向发展。
据资料统计，日本有关阻燃电缆的专利每年公布约50件[4]。
最近，日本藤仓电线株式会社公布了一项无卤阻燃电缆专利，其主要内容是将Al（OH）3、Mg（OH）2与聚烯烃树脂组成第一复合物，然后加入硅烷聚烯烃树脂，制成第二复合物，再进行交联，并掺入红磷阻燃剂及炭黑等制成无卤阻燃性交联化合物。
该化合物具有优良的阻燃性、耐热性和成型性。
除此之外，日本的宇部兴产、住友电木、昭和电工、大日本油墨、协和化学等公司均已研制出无烟、无卤或无卤阻燃电缆料。
目前，日本已经在车辆配线、船舶、大厦内通信等场合使用无卤阻燃电缆，其中一部分已经标准化。
英国在阻燃电缆开发方面进展较快[5]，如英国标准电话电报公司申请了一项无卤阻燃耐油电缆专利，该电缆料主要成分是EMA（乙烯一丙烯酸甲酯共聚物）70份、EVA30份、Al（OH）3150份以上及其它辅助剂。
英国BICC公司生产的海上石油平台阻燃电缆有2类：
（1）HOFR电缆HOFR—高阻燃型，内护套和外护套均为非无烟阻燃氯磺化聚乙烯，氧指数为35。
HOFR2—低烟阻燃型，内护套和外护套均为低烟阻燃氯磺化聚乙烯，氧指数为32。
（2）ZH电缆采用PEEK（聚醚醚酮）绝缘垫层作为无烟无卤阻燃型橡胶材料，氧指数为35。
同时，英国工业部门19年开发出无烟、无卤电力电缆，其使用量正在以每年10％的速度递增[6]，目前正在中、无压电力传输、海上石油平台、地铁用电以及核电站方面逐步推广使用这种电缆。
此外，法国电力公司与法国电力公司热能及核能研究设计局（SEPIEN）合作研制出一系列可供电站使用的无卤电缆。
挪威A／SHorsk生产的一种无卤阻燃控制电缆，采用了无卤低烟EPR内护套和低氯化氢氯磺化聚乙烯外护套结构。
美国劳工部矿山健康卫生管理所（MSHA）对下井电缆进行严格管理以前，由电缆而引起的火灾事故亦经常发生，从70年代到83年这14年间，在井下发生了92起伤亡事故，据美国矿山局（USBUREAUOFMINKS）的统计，1953~1969年间所有井下着火事故中，有64%是由于电气着火造成的，其中仅为可移动电气设备提供交、直流电的可移动电缆引起的着火事故就占总着火事故的25.1%，1953~1969年间电缆短路着火265次，共造成13人死亡，50人受伤；电缆在燃烧时释放出大量的浓烟和腐蚀性卤化物，造成人员伤亡并腐蚀各种设备。
MASO在井下的电气危险中指出，1952~1968年间美国煤矿由矿用电缆着火事故而引起瓦斯爆炸共21次，造成9人死亡，伤18人的悲剧。
自MSHA依法对矿用电缆进行严格的认证管理后，美国的煤矿井下由于电缆而引发的火灾基本得到了杜绝。
其他国家也都对煤矿电缆进行了严格的规定，并得到了很好的发展。
人们从电气火灾事故中，认识到电线电缆的阻燃重要性，国际上开始对阻燃机理进行深入的研究，并生产出具有一定阻燃性能的电线电缆，逐渐制订了各种阻燃试验方法和试验规范。
但是，当时开发的都是含卤阻燃电缆，燃烧时会产生烟雾，毒性和腐蚀性气体，仍会造成二次灾害。
70年代末、80年代初，人们开始研制性能更好的清洁的无烟无卤阻燃电缆，在1980年国际电线电缆研讨会议上，曾展示了热塑性无卤高阻燃材料（氧指数为45~50）这种材料在火灾中不滴流，并且释放的烟雾很少。
到1980年底，国外无烟无卤阻燃电缆已在实际中得到使用。
现在世界各国对无卤阻燃电缆的需求量逐年增加，特别是工业发达地区，如美国、加拿大，东南亚各国也在积极开发能满足无卤阻燃要求的电缆，同时各国正在进一步制订和完善各种无卤阻燃电缆标准。
1.2.2无烟无卤电缆在中国的发展
近年来随着人们对安全性、可靠性和环保性认识的提高，我国对低烟无卤阻燃电线电缆的需求越来越大，国内众多厂家和科研机构都加大力度对低烟无卤阻燃电线电缆料研制和开发。
2005年，国家质量监督检验检疫总局发布了推荐性标准《阻燃和耐火电线电缆通则》[7]。
标准对含卤和无卤阻燃电线电缆的分类及性能要求有了明确的规定，使阻燃电缆实现了标准化、规范化和系列化，给生产阻燃电缆提供了依据和遵循的规则。
2002年，公安部发布了强制性标准《阻燃及耐火电缆：
塑料绝缘阻燃及耐火电缆分级和要求第1部分：
阻燃电缆》[8]。
这份标准在2007年进行修订，公安部对外发布强制性标准GA306．1-2007[9]，代替GA306.1-2001。
2006年，国家质量监督检验检疫总局和公安部又联合发布了强制性标准《公共场所阻燃制品及组件燃烧性能要求和标识》[10]。
这两份强制性标准都对阻燃电缆进行了分级，并对阻燃电缆的阻燃特性、发烟量及烟气毒性作了具体的规定，进一步完善了我国阻燃电线电缆的标准体系，对推广和应用阻燃、高效、无公害的阻燃电线电缆起到一个强有力的推进作用。
另外，2008年北京奥运村、2010年上海世博会和广州亚运会场馆建设都宣布了全部使用环保型阻燃电线电缆产品的相关政策规定。
因此，研究和开发低烟无卤阻燃电线电缆料是今后阻燃电线电缆领域的热点和难点。
GA306.1-2007和GB20286-2006两份强制性标准的规定中，虽然没有明确指出阻燃电线电缆的环保要求，但是它们所限定的阻燃电线电缆的燃烧性能指标（烟密度和烟气毒性）却包含了环保阻燃的内容。
GA306.1-2007规定阻燃电缆分为4个阻燃级别，4级以上级别电缆阻燃特性都应达到炭化高度≤2.5m；烟气毒性要求是：
1级和2级电缆应达到准安全2级，Ⅲ级电缆应达到准安全3级、4级电缆无烟气毒性要求；烟密度要求是：
1级电缆最小透光率应达到≥80%，2级电缆最小透光率应达到≥60%，3级电缆最小透光率应达到≥20%，4级电缆达到无烟密度要求。
GB20286-2006对用于公共场所的电缆作了强制的阻燃规定。
阻燃电缆分为阻燃1级和阻燃2级。
阻燃1级电缆要求：
炭化高度≤2.5m，烟密度应达到最小透光率≥60%，烟气毒性应达到准安全2级；阻燃2级电缆要求：
炭化高度≤2.5m，烟密度应达到最小透光率≥20%，烟气毒性应达到准安全3级。
我国的电线电缆料的技术水平一直与国外有不小的差距。
80年代初，我国电缆行业中的很多生产厂家成功地开发出了一般性阻燃电缆。
据统计，1987一1991年已试制出40多种阻燃电缆，基本上采用阻燃PVC和阻燃氯丁橡胶，这种阻燃电缆只适合于阻燃要求较低的场合，而对于一些阻燃级别要求较高的特殊场合则要求使用低烟、无卤型阻燃电缆，如:
地下公共设施、高层建筑、轮船、军舰等等随着电缆阻燃技术的发展，以及对电线电缆火灾事故认识的加强，国内各领域使用电缆的部门对电线电缆无卤阻燃的呼声也越来越高，首先是几个主要使用领域纷纷在相应的技术规范或在投标技术要求中，以立法形式对阻燃类别提出新的要求，并由不少标准、规范及工程投标要求所确认。
例如:
（1）《电力工程电缆设计规范》GB50217一94中规定，单机容量为500WM及以上机组火电厂的主厂房和燃煤、燃油系统以及其它易燃环境，其中重要场所或回路，宜选用无卤阻燃电缆。
（2）河海船舶及海上石油平台等水上建筑物，有关业主与船东要求电缆厂提供的船用电缆（包括乙丙胶低烟无卤阻燃船用电缆）采用无卤阻燃电缆。
（3）1998年3月浦东国际机场公司在电缆采购标书中规定，阻燃电缆采用无卤阻燃电缆。
电缆料主要分护套料和绝缘料。
其中护套料用量略大于绝缘料，抑烟阻燃电缆料属于电缆料行业中的护套料。
由于电线电缆护套料大多采用塑料和橡胶做材料，此类材料极易燃烧。
电线电缆常因为自身在传输电能过程中发热或由于外部明火而燃烧，从而引起和蔓延成火灾。
我国每年由于电缆引起的火灾造成的损失高达数亿元人民币。
因此，电线电缆的阻燃问题越来越引起人们的关注。
并在随后研究和开发了各种阻燃防火材料。
电缆的阻燃虽然与其用高分子材料的分子结构有关，然而更重要的是它所采用的阻燃原材料。
最初为了改善电线电缆的阻燃性能，一般采用PVC材料或在聚烯烃中添加含有卤素类的阻燃剂。
此类电线电缆具有比较好的阻燃效果，但在燃烧过程中会放出大量的烟雾和卤化氢气体，容易使人窒息而死，同时对仪器设备造成很大的腐蚀。
大量的火灾分析表明:
有毒烟雾致死人命的比例远高于高温灼烧致死的比例。
阻燃科学技术是为了适应社会安全生产和生活的需要，预防火灾发生，保护人民生命财产而发展起来的一门科学。
阻燃剂是阻燃技术在实际生活中的应用，它是一种用于改善可燃易燃材料燃烧性能的特殊的化工助剂，广泛应用于装修、灭火、电子产品生产，航天航空等各种领域的阻燃加工中。
经过阻燃剂加工后的材料，在受到外界火源攻击时，能够有效地阻止、延缓或终止火焰的传播，从而达到阻燃的作用。
随着我国合成材料工业的发展和应用领域的不断拓展，阻燃剂在化学建材、电子电器、交通运输、航天航空、日用家具、室内装饰、衣食住行等各个领域中具有广阔的市场前景。
此外，煤田、油田、森林灭火等领域也促进了我国阻燃、灭火剂生产较快的发展。
我国阻燃剂已发展成为仅次于增塑剂的第二大高分子材料改性添加剂，目前的生产能力20万T/a左右，年生产量在15万-17万T之间，年消费量20万T左右。
不足部分主要从美国和以色列进口，进口的主要品种为有机溴及卤—磷系阻燃剂。
我国阻燃剂生产厂60余家，能够生产50余种产品，主要为溴磷系列，其中溴系阻燃剂是最重要的系列，约占我国有机阻燃剂的30%。
国内阻燃剂的品种和消费量还是以有机阻燃剂为主，无机阻燃剂生产和消费量还较少，但近年来发展势头较好，市场潜力较大。
阻燃剂中最常用的卤系阻燃剂虽然具有其他阻燃剂系列无可比拟的高效性，但是它对环境和人的危害是不可忽视的。
环保问题是助剂开发和应用商关注的焦点，所以国内外一直在调整阻燃剂的产品结构，加大高效环保型阻燃剂的开发。
目前我国有1000多家企业生产阻燃剂，每年产量近20万T。
粗略估计我国未来发展前景良好，对阻燃剂的需求量未来5年内将超过北美成为最大的阻燃剂消费地。
但是，面对我国每年20万T的生产力，不仅心生疑问，20万T的阻燃剂大部分的“何去何从”呢?
答案其实很简单，目前我国生产量虽然很大，但是大部分的消费于国外，用于进出口。
而真正用于我国的阻燃剂占的比重却很小。
国内有一批科研院所的阻燃剂研发水平已与先进国家同步，如中国科技大学火灾科学国家重点实验室和四川大学降解与阻燃高分子材料省重点实验室的研发水平就已处于世界前列。
随着对安全性和可靠性认识的提高，许多电线电缆用户对产品的阻燃性能都提出了要求。
例如，煤炭部明文规定在煤矿中必须使用阻燃性电缆；地铁、核电站、化工等特殊部门和场合要求使用无烟无卤阻燃电缆。
近几年来，我国不断加强对无烟无卤阻燃电缆的研究和开发，无烟无卤阻燃电缆的开发已列入《国家级电线电缆、光缆新产品开发指南》中。
在无卤阻燃剂的开发和应用方面都取得了不少的进展，已研制和生产出不少无机阻燃剂，包括水合氧化铝系、铝系，无机磷系，以及锌、镁等过渡金属氧化物，氢氧化物或碳酸盐等，其中AI（OH）3阻燃剂已形成SR109~SR115系列，计7个品种。
一些电缆料生产厂现已研制开发出无烟无卤阻燃料。
1991年，河北邢台电缆厂试制的无烟无卤阻燃电缆通过鉴定，北京电线厂则研制成功无烟无卤阻燃耐火电缆。
此外，像无锡电缆厂、沈阳电缆厂、成都电缆厂、四川电缆厂、天津电缆厂、郑州电缆厂、哈儿滨电缆厂等都相继进行无烟无卤电缆的研制工作。
在致力于开发产品的同时，沈阳电缆厂、上海电缆厂、湘潭电缆厂、郑州电缆厂、天水电缆厂、黄石电缆厂、宝胜电缆厂等都先后建立了符合标准要求、达到先进水平的燃烧试验室和烟浓度测定装置，完善了电线电缆阻燃性能检测手段。
上海电线电缆检测站于1991年被批准为IEOEE-OOB试验室，为我国无烟无卤阻燃电缆产品性能的检测和鉴定创造了条件。
随着人们对安全性、可靠性和环保性认识的提高，进人21世纪以来，我国加强了对无卤无烟阻燃电缆的研制和开发，在2005年发布了国家推荐性标准GB/T19666—2005《阻燃和耐火电线电缆通则》，标准中对含卤和无卤阻燃电缆的分类及性能要求有了明确的规定，使阻燃电缆实现了标准化、规范化和系列化，给生产阻燃电缆提供了依据和遵循的规则。
目前，国家明确要求在奥体中心、地铁、机场、车站、核电站、舰船、化工和高层建筑等特殊场合必须选用无卤无烟阻燃电缆。
现随着国内对无卤阻燃的发展要求，行业内对此研究更加细微完善，目前国内无论是对阻燃机理还是对阻燃剂的研究都有了良好、完善的认知。
近年来研究更倾向于如何改善、提高阻燃的效果，如何采用新材料、新结构来实现更好的阻燃。
例如新型的无卤膨胀型阻燃剂应用到长玻璃纤维增强聚丙烯材料（LGFPP），以此来研究阻燃剂的加入以及不同长玻纤含量对该体系阻燃效果以及力学性能的影响[11]。
无卤高效阻燃剂HPCTP的合成、表征与应用研究。
无机磷腈为主
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