電纜防火涂料的應(yīng)用和發(fā)展

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一、電纜的火災(zāi)危險(xiǎn)性

　　電是當(dāng)代社會的主要能源，電力的輸送及信息和信號的傳遞均離不開電線電纜，隨著我國工業(yè)特別是動力工業(yè)的不斷發(fā)展，大負(fù)荷、超高壓輸供電技術(shù)的應(yīng)用日益普遍，一個(gè)大型工廠中鋪設(shè)的電線電纜通?？蛇_(dá)數(shù)十萬米長，導(dǎo)致電線電纜火災(zāi)危險(xiǎn)性日益突出。

　　由于電纜的護(hù)套和絕緣層一般都是由塑料和橡膠材料制成，具有易燃性。當(dāng)電纜在過載、短路、局部過熱等故障狀態(tài)及外熱作用下就會引起絕緣材料絕緣電阻下降、失去絕緣能力、甚至燃燒，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)事故。因此在電纜密集敷設(shè)的場所，極易引起火災(zāi)。而且，一旦火災(zāi)發(fā)生，火勢將順著電纜的延燃而蔓延，從而造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

　　電纜火災(zāi)一旦發(fā)生，其火勢猛烈，蔓延很快，在2～3s內(nèi)起火，30～60s內(nèi)可蔓延l00m以外，同時(shí)產(chǎn)生大量濃煙和有毒氣體，因撲救困難，往往造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。豎井中更是由于高度差的存在會導(dǎo)致自然揚(yáng)風(fēng)，使得電纜燃燒更加迅猛。如果電纜火災(zāi)發(fā)生在發(fā)電廠、郵電通信系統(tǒng)及大型工礦企業(yè)，還有可能造成大面積停電，帶來惡劣的社會影響。

　　近年來，由于電纜密度和電力負(fù)荷的增加，由電線電纜引起的火災(zāi)爆炸事故呈上升趨勢。美國在1965～1975年統(tǒng)計(jì)的3285次電氣火災(zāi)事故中，電線電纜火災(zāi)事故就占30.5%，直接損失約4000萬美元；我國1995～2005年間，因電纜著火延燃造成的重大事故共90起，造成直接和間接損失達(dá)70多億元。2002年1月16日，山東省威高集團(tuán)醫(yī)用高分子股份有限公司輸液車間內(nèi)的電熱鼓風(fēng)干燥箱配電線路短路引起火災(zāi)，大火燒毀廠房10600㎡，燒毀注塑、滅菌、包裝等生產(chǎn)設(shè)備及大批原材料，直接財(cái)產(chǎn)損失766.9萬元；1995年10月15日，山東省膠州市張應(yīng)鎮(zhèn)青島世原鞋業(yè)有限公司技術(shù)部制造準(zhǔn)備車間因電纜線短路發(fā)生火災(zāi)，燒毀該車間全部建筑10386㎡及機(jī)器設(shè)備383臺，直接財(cái)產(chǎn)損失2785.8萬元。

　　二、電纜型防火涂料的發(fā)展

　　國外對電纜防火十分重視，20世紀(jì)60年代開始，工業(yè)發(fā)達(dá)的美國、日本等國家，已在電纜外殼阻燃化處理方面做了大量工作，除對電纜外殼本身進(jìn)行阻燃處理外，還先后研究了防火涂料、防火包帶等，收到了良好效果。其中防火涂料的使用最為經(jīng)濟(jì)、方便，所以很多國家對電纜防火涂料的使用都有法律性的規(guī)定，日本規(guī)定在電纜隧道里每隔一段距離必須涂刷一定長度的防火涂料，防火隔墻兩側(cè)的電纜也必須涂覆一定長度的防火涂料；俄羅斯對要害部位的電纜，不僅要求電纜本身具有耐火性，而且還必須加涂防火涂料，做到“雙保險(xiǎn)”；其他國家如美、英、法、德等國也都有規(guī)定。我國能源部于1994年制定的GB50217-1994《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》中明確提出將電纜防火涂料的應(yīng)用作為防火保護(hù)措施。1998年10月我國公安部發(fā)布了GA181-1998《電纜防火涂料通用技術(shù)條件》規(guī)定了電纜防火涂料的定義、技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則、標(biāo)志、使用說明、包裝、貯存及運(yùn)輸?shù)韧ㄓ眉夹g(shù)條件，將我國電纜防火涂料的研究、開發(fā)及推廣應(yīng)用納入一個(gè)規(guī)范化的軌道。

　　我國電纜防火涂料產(chǎn)品的研制始于20世紀(jì)70年代末和80年代初，是在飾面型防火涂料基礎(chǔ)上結(jié)合自身要求發(fā)展起來的。其理化性能及耐候性較好，涂層較薄，遇火能生成均勻致密的海綿狀泡沫隔熱層，有顯著的隔熱防火效果。在以后的十年間，我國的電纜防火涂料得到了快速發(fā)展，出現(xiàn)了氯化橡膠、過氯乙烯、醇酸等類型的電纜防火涂料。電纜防火涂料作為電纜防火保護(hù)的一種重要產(chǎn)品，通過20年來的應(yīng)用，對阻止火焰蔓延、防止火災(zāi)的發(fā)生和發(fā)展、減少電纜火災(zāi)損失、保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全發(fā)揮了積極作用，其應(yīng)用也從不規(guī)范到規(guī)范。到目前為止，國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)已發(fā)展到近50家，遍布20多個(gè)省、市、自治區(qū)，已形成跨行業(yè)跨部門的研究生產(chǎn)體系。

　　三、電纜型防火涂料的阻燃機(jī)理

　　電纜防火涂料的防火機(jī)理大致可歸納如下：

　　①涂料本身具有難燃性，使被保護(hù)的電纜不直接與空氣接觸而延遲電纜著火和減少燃燒的速度；

　?、诜阑鹜苛鲜芑疬M(jìn)行熱分解，產(chǎn)生不燃性惰性氣體，沖淡電纜受熱分解出的可燃?xì)怏w，使之不易燃燒或燃燒速率減慢；

　　③防火涂料受熱分解出NO、NH3等基團(tuán)，與有機(jī)游離基化合，中斷聯(lián)鎖反應(yīng)，減小火勢；

　?、芊阑鹜苛鲜軣崤蛎洶l(fā)泡，形成炭質(zhì)泡沫隔熱層，封閉被保護(hù)的電纜，阻止其著火燃燒。電纜防火涂料成膜后，在常溫下為普通涂膜，在火焰或高溫作用下，膨脹炭化，形成較原涂膜厚度大幾十倍甚至上百倍的不易燃的海綿狀炭化層。這種炭化層是很好的隔熱體，能使被保護(hù)的電纜在一定時(shí)間內(nèi)保持較低的溫度。用熱傳導(dǎo)公式可以表明電纜防火涂料的隔熱效果。

　　Q—AλΔT／L

　　式中Q—傳遞熱量；

　　A—傳熱面積；

　　λ—熱導(dǎo)率；

　　ΔT—熱源與基材的溫度差；

　　L—傳熱距離。

　　涂覆于電纜表面的防火涂料，按要求應(yīng)為1mm，受熱膨脹后，形成的海綿狀泡沫隔熱層可達(dá)60～100mm.據(jù)有關(guān)資料介紹，涂層膨脹發(fā)泡后，形成的海綿狀泡沫炭化層其熱導(dǎo)率較發(fā)泡前的涂層低10倍以上，而涂層與泡沫炭化層的厚度相差近百倍，熱源與被保護(hù)電纜的溫度差將近800℃。不難看出，在傳熱面積基本一致的情況下防火涂料受熱形成的海綿狀泡沫層的隔熱效果是十分明顯的。

　　四、電纜型防火涂料原料的選用

　　電纜防火涂料是在飾面型防火涂料基礎(chǔ)上結(jié)合自身要求發(fā)展起來的，因而原料的研究及選用可參考飾面型防火涂料。電纜防火涂料作為特種涂料，除了應(yīng)具有普通涂料的裝飾作用和對電纜基材提供物理保護(hù)外，還需要具有阻燃耐火的特殊功能，這就要求它們在一定溫度下能發(fā)泡形成防火隔熱層。因此對其基料有一個(gè)特殊要求，要求基料能與整個(gè)涂料體系協(xié)和，使涂料既有良好的機(jī)械理化性能，又能在受火時(shí)形成較好的泡沫隔熱層，為了達(dá)到一定的阻燃耐火時(shí)間，要求發(fā)泡層在高溫下也不脫落。另外電纜橡膠類材料是高彈性體，并且電纜需要經(jīng)常檢修移動，這就要求涂層應(yīng)具有足夠的耐伸縮變化的性能，還要求防火涂料對橡膠電纜類材料無腐蝕性能、附著力好、室溫固化性好、涂膜裝飾性好。上述這些要求決定了選擇的關(guān)鍵之一是解決涂料與基材有良好的黏結(jié)性等問題。另外，對所選用的樹脂基料進(jìn)行改性，使其配入各種阻燃添加劑后，既有理想的防火隔熱性，又能適應(yīng)電線電纜地下溝應(yīng)用的環(huán)境條件。在電纜防火涂料的研究中，所選用的樹脂不僅使防火涂料有很好的防火效果，還需要從應(yīng)用的角度出發(fā)，要求防火涂料具有抗水性、抗酸性、堿性、防霉性和電纜防腐蝕性及對電纜基材有較強(qiáng)的黏結(jié)性。電纜防火涂料的基料一般選用氯化橡膠、過氯乙烯、氨基樹脂、酚醛樹脂、丙烯酸樹脂、醇酸樹脂等溶劑型樹脂和丙烯酸乳液、氯乙烯一偏二氯乙烯乳液、乳白膠、苯丙乳液等水溶型樹脂。能用于制備電纜防火涂料的樹脂有很多，在實(shí)際中經(jīng)常采用兩種以上的樹脂混合使用，相互之間取長補(bǔ)短，以獲得理想的涂膜性能。

　　阻燃劑是電纜防火涂料的另一關(guān)鍵組分，它對電纜防火涂料的防火隔熱性能影響是極大的。選擇的阻燃劑必須與電纜防火涂料中的其他組分相互配合，使電纜防火涂料具有上述優(yōu)良的理化性能，而且在受火時(shí)膨脹發(fā)泡形成堅(jiān)固致密的隔熱層。選用阻燃劑時(shí)，需參考國內(nèi)外有關(guān)資料，結(jié)合國內(nèi)資源情況，對預(yù)選適用的阻燃材料進(jìn)行單項(xiàng)性能實(shí)驗(yàn)研究。通過熱重和差熱分析，確定原料的熱分解性和阻燃性，在此基礎(chǔ)上將其分類，再通過配伍實(shí)驗(yàn)觀察協(xié)同效果，這樣經(jīng)過分析和實(shí)驗(yàn)來確定所選用的阻燃材料。由于膨脹型防火涂料的防火隔熱效能是依靠涂層膨脹后形成的發(fā)泡層所具有的低導(dǎo)熱性而實(shí)現(xiàn)的，因此發(fā)泡層質(zhì)量的好壞，直接影響涂料防火隔熱性能的優(yōu)劣。涂層在膨脹發(fā)泡形成阻燃隔熱保護(hù)層的過程中，存在著發(fā)泡率與發(fā)泡層密實(shí)度這一對矛盾，若涂料膨脹發(fā)泡率太低，火源與電纜基材之間的有效隔熱距離近，出現(xiàn)防火隔熱效果差的問題；若涂料膨脹發(fā)泡率太大，則發(fā)泡層強(qiáng)度差，容易被火焰沖破，使其開裂而火焰直接進(jìn)攻電纜基材，失去防火保護(hù)的目的。這就要求掌握發(fā)泡劑的量，找到涂料膨脹發(fā)泡層的一個(gè)最佳高度，當(dāng)在這一值附近時(shí)，發(fā)泡層既有一定的強(qiáng)度，又使火源與電纜基材有一定的隔熱距離，從而獲得高質(zhì)量的發(fā)泡層，取得良好的隔熱效果。由于目前人們在選用阻燃劑時(shí)，首先會選用無公害、無污染、無放射性、在使用過程中無毒的綠色環(huán)保型阻燃劑，無機(jī)阻燃劑不僅有良好的阻燃效果，且無毒，燃燒時(shí)不產(chǎn)生濃煙和毒氣，原料來源豐富，成本亦低。因而在研究中采用加入一定量無機(jī)添加劑以提高涂料膨脹發(fā)泡層的質(zhì)量，從而達(dá)到最佳防火效果。

　　由于非膨脹防火涂料涂層較厚，難以滿足電纜的彎曲要求，因此電纜防火涂料的成膜物質(zhì)主要以高氯聚乙烯、氯化橡膠、丙烯酸樹脂、醇酸樹脂、苯丙乳液、氯偏乳液等為主。脫水成炭催化劑可選擇磷酸銨鹽和偏磷酸銨鹽，為提高涂層的抗水性，通?？蛇x用在水中溶解度較小的聚磷酸銨。炭化劑有季戊四醇、二季戊四醇、多季戊四醇、淀粉、糊精等，炭化劑的選擇不僅要考慮其分解溫度，還要考慮和脫水炭化溫度的匹配，通常選用季戊四醇。常用的主發(fā)泡劑是三聚氰胺，輔助發(fā)泡劑有聚磷酸銨、氯化石蠟等。為進(jìn)一步提高炭化層的強(qiáng)度，在涂料配方中應(yīng)加入炭化層補(bǔ)強(qiáng)劑，炭化層補(bǔ)強(qiáng)劑的作用與膨脹劑相反，用量應(yīng)適當(dāng)，如一定量的石棉粉和酚醛纖維。著色劑可選擇遮蓋力強(qiáng)、著色力高及化學(xué)性能穩(wěn)定的鈦白粉和有機(jī)顏料。堿性的顏料能中和高溫下脫水成炭催化劑分解出來的磷酸，影響涂層的膨脹發(fā)泡效果，不宜采用。對溶劑型電纜防火涂料，選擇的溶劑不能破壞電纜絕緣護(hù)套料的性能，根據(jù)電廠和變電站的施工防火要求，可選用醋酸丁酯。在GA181-1998中，抗彎性與阻燃性同為A類缺陷指標(biāo)，與阻燃性同等重要。在其他材料基本確定的情況下，可通過填加增塑劑的方法來解決。一般小分子的增塑劑對炭化層有破壞作用，較大分子的增塑劑在提高涂膜韌性的同時(shí)基本不對其他性能造成負(fù)面影響。如磷酸酯類阻燃增塑劑，當(dāng)以一定的配比加入涂料中攪拌均勻后，所制得的涂料柔韌性大大提高，能滿足電線電纜彎曲的要求。同時(shí)由于這種增塑劑兼具阻燃的性能，不會影響涂料的防火性能。

　　五、發(fā)展方向

　　無機(jī)防火涂料隔熱性、耐候性均差，進(jìn)入20世紀(jì)80年代后基本已被淘汰，現(xiàn)在所使用的電纜防火涂料均是膨脹型防火涂料。一般來說，溶劑型電纜防火涂料的理化性能及耐侯性能均優(yōu)于水性電纜防火涂料，所以目前我國電纜防火涂料主要以溶劑型電纜防火涂料品種居多。但是溶劑易燃，施工時(shí)的火災(zāi)隱患也相當(dāng)大，加之溶劑對人體有不同程度的傷害，因此特別是在電纜豎井、電纜溝、電纜隧道等空間狹窄或不易通風(fēng)的場所使用時(shí)應(yīng)加強(qiáng)安全防護(hù)措施。從環(huán)保的角度考慮，努力開發(fā)研制對電纜外皮有良好附著力、柔韌性好、耐彎曲、無毒、阻燃性能好的水溶性防火涂料來代替溶劑型防火涂料是必然的趨勢。

　　此外，人們對研究開發(fā)電纜的防火保護(hù)技術(shù)也給予了高度重視，近20年來陸續(xù)出現(xiàn)了阻燃電纜、耐火電纜、阻燃包帶、電纜槽盒、電纜橋架及耐火隔板等多種電纜防火保護(hù)產(chǎn)品，正確地選擇這些防火產(chǎn)品，并與防火涂料有機(jī)地結(jié)合起來必將有效地抑制電纜火災(zāi)的發(fā)生。