电缆防火涂料的应用和发展

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一、电缆的火灾危险性

　　电是当代社会的主要能源，电力的输送及信息和信号的传递均离不开电线电缆，随着我国工业特别是动力工业的不断发展，大负荷、超高压输供电技术的应用日益普遍，一个大型工厂中铺设的电线电缆通常可达数十万米长，导致电线电缆火灾危险性日益突出。

　　由于电缆的护套和绝缘层一般都是由塑料和橡胶材料制成，具有易燃性。当电缆在过载、短路、局部过热等故障状态及外热作用下就会引起绝缘材料绝缘电阻下降、失去绝缘能力、甚至燃烧，进而引发火灾事故。因此在电缆密集敷设的场所，极易引起火灾。而且，一旦火灾发生，火势将顺着电缆的延燃而蔓延，从而造成重大经济损失。

　　电缆火灾一旦发生，其火势猛烈，蔓延很快，在2～3s内起火，30～60s内可蔓延l00m以外，同时产生大量浓烟和有毒气体，因扑救困难，往往造成重大的经济损失，严重威胁人们的生命财产安全。竖井中更是由于高度差的存在会导致自然扬风，使得电缆燃烧更加迅猛。如果电缆火灾发生在发电厂、邮电通信系统及大型工矿企业，还有可能造成大面积停电，带来恶劣的社会影响。

　　近年来，由于电缆密度和电力负荷的增加，由电线电缆引起的火灾爆炸事故呈上升趋势。美国在1965～1975年统计的3285次电气火灾事故中，电线电缆火灾事故就占30.5%，直接损失约4000万美元；我国1995～2005年间，因电缆着火延燃造成的重大事故共90起，造成直接和间接损失达70多亿元。2002年1月16日，山东省威高集团医用高分子股份有限公司输液车间内的电热鼓风干燥箱配电线路短路引起火灾，大火烧毁厂房10600㎡，烧毁注塑、灭菌、包装等生产设备及大批原材料，直接财产损失766.9万元；1995年10月15日，山东省胶州市张应镇青岛世原鞋业有限公司技术部制造准备车间因电缆线短路发生火灾，烧毁该车间全部建筑10386㎡及机器设备383台，直接财产损失2785.8万元。

　　二、电缆型防火涂料的发展

　　国外对电缆防火十分重视，20世纪60年代开始，工业发达的美国、日本等国家，已在电缆外壳阻燃化处理方面做了大量工作，除对电缆外壳本身进行阻燃处理外，还先后研究了防火涂料、防火包带等，收到了良好效果。其中防火涂料的使用最为经济、方便，所以很多国家对电缆防火涂料的使用都有法律性的规定，日本规定在电缆隧道里每隔一段距离必须涂刷一定长度的防火涂料，防火隔墙两侧的电缆也必须涂覆一定长度的防火涂料；俄罗斯对要害部位的电缆，不仅要求电缆本身具有耐火性，而且还必须加涂防火涂料，做到“双保险”；其他国家如美、英、法、德等国也都有规定。我国能源部于1994年制定的GB50217-1994《电力工程电缆设计规范》中明确提出将电缆防火涂料的应用作为防火保护措施。1998年10月我国公安部发布了GA181-1998《电缆防火涂料通用技术条件》规定了电缆防火涂料的定义、技术要求、试验方法、检验规则、标志、使用说明、包装、贮存及运输等通用技术条件，将我国电缆防火涂料的研究、开发及推广应用纳入一个规范化的轨道。

　　我国电缆防火涂料产品的研制始于20世纪70年代末和80年代初，是在饰面型防火涂料基础上结合自身要求发展起来的。其理化性能及耐候性较好，涂层较薄，遇火能生成均匀致密的海绵状泡沫隔热层，有显著的隔热防火效果。在以后的十年间，我国的电缆防火涂料得到了快速发展，出现了氯化橡胶、过氯乙烯、醇酸等类型的电缆防火涂料。电缆防火涂料作为电缆防火保护的一种重要产品，通过20年来的应用，对阻止火焰蔓延、防止火灾的发生和发展、减少电缆火灾损失、保护人民生命财产安全发挥了积极作用，其应用也从不规范到规范。到目前为止，国内生产企业已发展到近50家，遍布20多个省、市、自治区，已形成跨行业跨部门的研究生产体系。

　　三、电缆型防火涂料的阻燃机理

　　电缆防火涂料的防火机理大致可归纳如下：

　　①涂料本身具有难燃性，使被保护的电缆不直接与空气接触而延迟电缆着火和减少燃烧的速度；

　　②防火涂料受火进行热分解，产生不燃性惰性气体，冲淡电缆受热分解出的可燃气体，使之不易燃烧或燃烧速率减慢；

　　③防火涂料受热分解出NO、NH3等基团，与有机游离基化合，中断联锁反应，减小火势；

　　④防火涂料受热膨胀发泡，形成炭质泡沫隔热层，封闭被保护的电缆，阻止其着火燃烧。电缆防火涂料成膜后，在常温下为普通涂膜，在火焰或高温作用下，膨胀炭化，形成较原涂膜厚度大几十倍甚至上百倍的不易燃的海绵状炭化层。这种炭化层是很好的隔热体，能使被保护的电缆在一定时间内保持较低的温度。用热传导公式可以表明电缆防火涂料的隔热效果。

　　Q—AλΔT／L

　　式中Q—传递热量；

　　A—传热面积；

　　λ—热导率；

　　ΔT—热源与基材的温度差；

　　L—传热距离。

　　涂覆于电缆表面的防火涂料，按要求应为1mm，受热膨胀后，形成的海绵状泡沫隔热层可达60～100mm.据有关资料介绍，涂层膨胀发泡后，形成的海绵状泡沫炭化层其热导率较发泡前的涂层低10倍以上，而涂层与泡沫炭化层的厚度相差近百倍，热源与被保护电缆的温度差将近800℃。不难看出，在传热面积基本一致的情况下防火涂料受热形成的海绵状泡沫层的隔热效果是十分明显的。

　　四、电缆型防火涂料原料的选用

　　电缆防火涂料是在饰面型防火涂料基础上结合自身要求发展起来的，因而原料的研究及选用可参考饰面型防火涂料。电缆防火涂料作为特种涂料，除了应具有普通涂料的装饰作用和对电缆基材提供物理保护外，还需要具有阻燃耐火的特殊功能，这就要求它们在一定温度下能发泡形成防火隔热层。因此对其基料有一个特殊要求，要求基料能与整个涂料体系协和，使涂料既有良好的机械理化性能，又能在受火时形成较好的泡沫隔热层，为了达到一定的阻燃耐火时间，要求发泡层在高温下也不脱落。另外电缆橡胶类材料是高弹性体，并且电缆需要经常检修移动，这就要求涂层应具有足够的耐伸缩变化的性能，还要求防火涂料对橡胶电缆类材料无腐蚀性能、附着力好、室温固化性好、涂膜装饰性好。上述这些要求决定了选择的关键之一是解决涂料与基材有良好的黏结性等问题。另外，对所选用的树脂基料进行改性，使其配入各种阻燃添加剂后，既有理想的防火隔热性，又能适应电线电缆地下沟应用的环境条件。在电缆防火涂料的研究中，所选用的树脂不仅使防火涂料有很好的防火效果，还需要从应用的角度出发，要求防火涂料具有抗水性、抗酸性、碱性、防霉性和电缆防腐蚀性及对电缆基材有较强的黏结性。电缆防火涂料的基料一般选用氯化橡胶、过氯乙烯、氨基树脂、酚醛树脂、丙烯酸树脂、醇酸树脂等溶剂型树脂和丙烯酸乳液、氯乙烯一偏二氯乙烯乳液、乳白胶、苯丙乳液等水溶型树脂。能用于制备电缆防火涂料的树脂有很多，在实际中经常采用两种以上的树脂混合使用，相互之间取长补短，以获得理想的涂膜性能。

　　阻燃剂是电缆防火涂料的另一关键组分，它对电缆防火涂料的防火隔热性能影响是极大的。选择的阻燃剂必须与电缆防火涂料中的其他组分相互配合，使电缆防火涂料具有上述优良的理化性能，而且在受火时膨胀发泡形成坚固致密的隔热层。选用阻燃剂时，需参考国内外有关资料，结合国内资源情况，对预选适用的阻燃材料进行单项性能实验研究。通过热重和差热分析，确定原料的热分解性和阻燃性，在此基础上将其分类，再通过配伍实验观察协同效果，这样经过分析和实验来确定所选用的阻燃材料。由于膨胀型防火涂料的防火隔热效能是依靠涂层膨胀后形成的发泡层所具有的低导热性而实现的，因此发泡层质量的好坏，直接影响涂料防火隔热性能的优劣。涂层在膨胀发泡形成阻燃隔热保护层的过程中，存在着发泡率与发泡层密实度这一对矛盾，若涂料膨胀发泡率太低，火源与电缆基材之间的有效隔热距离近，出现防火隔热效果差的问题；若涂料膨胀发泡率太大，则发泡层强度差，容易被火焰冲破，使其开裂而火焰直接进攻电缆基材，失去防火保护的目的。这就要求掌握发泡剂的量，找到涂料膨胀发泡层的一个最佳高度，当在这一值附近时，发泡层既有一定的强度，又使火源与电缆基材有一定的隔热距离，从而获得高质量的发泡层，取得良好的隔热效果。由于目前人们在选用阻燃剂时，首先会选用无公害、无污染、无放射性、在使用过程中无毒的绿色环保型阻燃剂，无机阻燃剂不仅有良好的阻燃效果，且无毒，燃烧时不产生浓烟和毒气，原料来源丰富，成本亦低。因而在研究中采用加入一定量无机添加剂以提高涂料膨胀发泡层的质量，从而达到最佳防火效果。

　　由于非膨胀防火涂料涂层较厚，难以满足电缆的弯曲要求，因此电缆防火涂料的成膜物质主要以高氯聚乙烯、氯化橡胶、丙烯酸树脂、醇酸树脂、苯丙乳液、氯偏乳液等为主。脱水成炭催化剂可选择磷酸铵盐和偏磷酸铵盐，为提高涂层的抗水性，通常可选用在水中溶解度较小的聚磷酸铵。炭化剂有季戊四醇、二季戊四醇、多季戊四醇、淀粉、糊精等，炭化剂的选择不仅要考虑其分解温度，还要考虑和脱水炭化温度的匹配，通常选用季戊四醇。常用的主发泡剂是三聚氰胺，辅助发泡剂有聚磷酸铵、氯化石蜡等。为进一步提高炭化层的强度，在涂料配方中应加入炭化层补强剂，炭化层补强剂的作用与膨胀剂相反，用量应适当，如一定量的石棉粉和酚醛纤维。着色剂可选择遮盖力强、着色力高及化学性能稳定的钛白粉和有机颜料。碱性的颜料能中和高温下脱水成炭催化剂分解出来的磷酸，影响涂层的膨胀发泡效果，不宜采用。对溶剂型电缆防火涂料，选择的溶剂不能破坏电缆绝缘护套料的性能，根据电厂和变电站的施工防火要求，可选用醋酸丁酯。在GA181-1998中，抗弯性与阻燃性同为A类缺陷指标，与阻燃性同等重要。在其他材料基本确定的情况下，可通过填加增塑剂的方法来解决。一般小分子的增塑剂对炭化层有破坏作用，较大分子的增塑剂在提高涂膜韧性的同时基本不对其他性能造成负面影响。如磷酸酯类阻燃增塑剂，当以一定的配比加入涂料中搅拌均匀后，所制得的涂料柔韧性大大提高，能满足电线电缆弯曲的要求。同时由于这种增塑剂兼具阻燃的性能，不会影响涂料的防火性能。

　　五、发展方向

　　无机防火涂料隔热性、耐候性均差，进入20世纪80年代后基本已被淘汰，现在所使用的电缆防火涂料均是膨胀型防火涂料。一般来说，溶剂型电缆防火涂料的理化性能及耐侯性能均优于水性电缆防火涂料，所以目前我国电缆防火涂料主要以溶剂型电缆防火涂料品种居多。但是溶剂易燃，施工时的火灾隐患也相当大，加之溶剂对人体有不同程度的伤害，因此特别是在电缆竖井、电缆沟、电缆隧道等空间狭窄或不易通风的场所使用时应加强安全防护措施。从环保的角度考虑，努力开发研制对电缆外皮有良好附着力、柔韧性好、耐弯曲、无毒、阻燃性能好的水溶性防火涂料来代替溶剂型防火涂料是必然的趋势。

　　此外，人们对研究开发电缆的防火保护技术也给予了高度重视，近20年来陆续出现了阻燃电缆、耐火电缆、阻燃包带、电缆槽盒、电缆桥架及耐火隔板等多种电缆防火保护产品，正确地选择这些防火产品，并与防火涂料有机地结合起来必将有效地抑制电缆火灾的发生。