B1 級燃燒性能的無鹵型非屏蔽6 類數字通信電纜研制難點探討

倪冬華, 蔡杭列, 沈福良, 林慶雕

(浙江兆龍互連科技股份有限公司, 德清 313215)

0 引言

據消防部門統計,電氣仍是引發火災的首要原因。 在GB 51348—2019《民用建筑電氣設計標準》中規定建筑高度超過100 m 的公共建筑[1],應選擇燃燒性能不低于B1 級[2]、產煙毒性為t0、燃燒滴落物/微粒等級為d0的電纜[1]。 為滿足電纜附加的產煙毒性 t0和腐蝕性a1等方面要求,需要對符合該要求的電纜進行研究。

目前,占據市場份額較大的綜合布線產品為非屏蔽6 類數字通信電纜,特別是低煙無鹵型通信電纜[3],要達到B1 級的阻燃要求是當前亟待解決的技術難題。

本工作對B1 級非屏蔽6 類數字通信電纜的結構設計、關鍵工藝控制等方面進行了討論,并通過不同方案進行B1 級燃燒性能等級的符合性驗證。

1 設計重點

1.1 結構設計對阻燃性能的影響

非屏蔽結構的高阻燃無鹵數字通信電纜在設計上一般采用兩種方式,第一種是與常規非屏蔽6 類結構一樣,該結構較簡單;第二種是在第一種的基礎上,纜芯與護套間加一層具有阻燃功能的包帶,以阻止外部火焰侵入內部造成更大的引燃情況,但與常規結構相比外徑也相對較大,不利于施工,且加工更復雜,成本也較高。 常規非屏蔽6 類數字通信電纜結構示意圖見圖1。 具有阻燃包帶非屏蔽6 類數字通信電纜結構示意圖見圖2。

圖1 常規非屏蔽6 類數字通信電纜結構示意圖

圖2 具有阻燃包帶非屏蔽6 類數字通信電纜結構示意圖

隨著市場競爭的日益激烈,材料成本降低與材料性能提高之間的矛盾不斷加劇,同時高密度、小型化布線產品的趨勢也在不斷推進。 因此,需要盡可能地控制生產成本,便于敷設,以利于市場開拓作為產品開發的設計重點。

基于千兆以太網傳輸介質,產品需要達到B1的燃燒性能,同時對燃燒時釋放氣體的毒性t0和腐蝕性a1,以及滴落物等均有要求[2],故選用最高工作頻率達到250 MHz 的低煙無鹵型非屏蔽6 類阻燃數字通信電纜作為設計產品,且所有材料均需要選用無鹵型材質。 然而,考慮到加工復雜性、敷設方便性、安全性,以及綜合成本等因素,若采用具有阻燃包帶非屏蔽6 類數字通信電纜結構方式,阻燃包帶為無鹵玻璃纖維帶,則加工或敷設時會有扎手的風險,不適合作為設計定型方案。 因此,本工作采用第一種常規非屏蔽6 類數字通信電纜結構設計,但該結構設計因缺少了阻燃包帶的輔助性阻燃效果,在阻燃性能的提升上有一定的難度,需要從其他角度來改善。 非阻燃材料占比的減少和結構尺寸設計即是對策之一,此方案的研究亦是本工作的重點,故擬采用阻燃型填充骨架替代普通非阻燃聚烯烴骨架方案進行驗證。

1.2 填充材料的選用對衰減的影響

衰減是信號傳輸電纜的重要參數之一。 衰減越明顯,表明信號在線路傳輸過程中的損耗越嚴重,從而對電纜的傳輸距離和傳輸效果產生影響。

具有高阻燃特性的電纜在考慮非金屬材料的阻燃性能外,還須考慮材料的用量和材料對電纜傳輸性能的影響,特別是衰減指標。 對于非屏蔽通信電纜,影響衰減因素的主要參數有:絕緣材料的組合介電常數(εr) 和介質損耗角正切值(δ)、導體直徑(d)、絕緣芯線導線間的中心距離(a) (絕緣層厚度大小),以及線對周圍材料介質等。 當導體直徑、絕緣芯線導線間的中心距離確定的情況下,介質損耗角正切值在頻率不高時的影響相對較小。 因此,組合介電常數為重要考慮因素,包括作為中心填充用十字骨架的影響,因十字骨架的填入降低了結構空間內的空氣占比體積,除具有穩定纜芯結構,并增加線對間抗串干擾能力外,其材料本身的介電常數特性也會對電纜衰減傳輸性能有一定的影響。 本工作選用的骨架材料為無鹵阻燃材料,其介電常數大于普通聚烯烴材料。 為確保電纜的衰減滿足要求,減小骨架對衰減的影響將是研究重點。 因此,擬采用不同寬度填充骨架進行驗證。

1.3 護套材料對阻燃性能的影響

對于阻燃類電纜的設計,主要的影響因素有以下幾方面:①非金屬材料體積在整個電纜體積中所占的比例;②電纜的整體結構設計布局,如屏蔽層與非屏蔽。 電纜設計時需要考慮電纜性能,因而前兩個因素很難改變,只能通過調整材料阻燃性能和優化擠出工藝的方式來提升電纜的阻燃效果。 因考慮數字通信電纜的傳輸性能,絕緣材料一般首選氟塑料或聚乙烯,然而全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)材料價格高,密度大,性價比不高,故在非特殊阻燃要求的情況下(如CMP 電纜),一般采用高密度聚乙烯材料(HDPE),而聚乙烯材料一般不具備阻燃性,因此護套材料選用就非常關鍵。 為滿足高阻燃,且燃燒時產煙毒性t0和腐蝕性a1的要求,須采用無鹵護套料,但該材料所采用的是無機阻燃劑。 與有機阻燃劑相比,無機阻燃劑的阻燃效果有一定的下降,導致阻燃性能低或不穩定。 因此,具有高阻燃特性的低煙無鹵護套材料的選擇將是本工作產品設計制造中的重中之重。 故本工作擬采用氧指數大于42%的無鹵阻烯護套料進行設計驗證。

2 關鍵設計、控制及試驗方案

2.1 優化結構尺寸設計對衰減的影響

根據GB/T 18015.1—2017《數字通信用對絞或星絞多芯對稱電纜 第1 部分:總規范》標準規定,裸銅線的性能應符合TR 型軟銅圓銅線的要求[3]。 因此,選用含銅量為99.95% 及以上的電工無氧銅進行拉制。 考慮到十字填充骨架為阻燃材料,對產品衰減會產生一定的影響,故導體規格采用23AWG的線規作為本工作中心導體尺寸。 絕緣材料采用相對介電常數為2.3 的高密度聚乙烯。 根據標準要求,以及理論計算公式,結合以往普通非屏蔽6 類數字通信電纜的絕緣尺寸,導體采用23AWG 線規的設計,絕緣外徑設定值控制在0.98 ～1.04 mm 之間。

在非屏蔽6 類纜的非金屬材料中,除了絕緣料和護套料外,還有中心填充用的十字骨架。 為減少非阻材料的占比,滿足B1 級阻燃要求,填充骨架采用阻燃型材料。 市場上用于阻燃骨架的材料一般有氟塑料、阻燃聚乙烯和無鹵阻燃聚烯烴幾種。 但是,氟塑料不但價格高,而且電導率大于10 μS·mm-1,且pH 小于4.3;同樣,阻燃聚乙烯采用溴類阻燃劑,其電導率和pH 也是超標的,且燃燒時發煙量大,故阻燃骨架選用無鹵阻燃聚烯烴類材料。

考慮到無鹵阻燃聚烯烴類成本、常規聚烯烴類的骨架成本,以及阻燃骨架對電纜燃燒性能的影響,試驗考察了骨架寬度分別為3.5,4.0 mm 時對電纜燃燒性能的影響,結果見表1。

表1 不同骨架尺寸試驗方案測試結果

由表1 可知,骨架寬度分別為3.5,4.0 mm 時,火焰蔓延高度和燃燒增長指數性能結果差異性不大。

2.2 優化結構尺寸設計對阻燃性能的影響

從普通聚乙烯材料更換為無鹵阻燃聚烯烴后,其材料的相對介電常數由2.3 升至4.2,電纜衰減增大。 為了降低骨架的高介電常數對電纜衰減的影響,結合不同骨架尺寸對電纜燃燒性能影響的結果,本工作采用3.5 mm 寬度的骨架進行衰減性能試驗,與YD/T 1019—2023《數字通信用聚烯烴絕緣水平對絞電纜》標準規定進行對比,其結果見表2。

表2 衰減典型頻點測試值

由表2 可知,衰減實測值符合標準要求。

2.3 高阻燃護套材料的選用與燃燒性能對比

非金屬材料阻燃性能的衡量指標一般采用氧指數作為主要手段。 本工作為B1 級阻燃電纜,具有高阻燃特性。 因此,采用普通阻燃護套料明顯不可取;兩種不同等級的非屏蔽6 類數字通信對稱電纜材料的結果比對見表3。

表3 兩種無鹵阻燃級護套材料阻燃特性比較

除了護套材料的選用,護套厚度的大小對電纜阻燃性能也有很大的影響。 考慮到電纜成本、外徑大小,以及松緊度等因素,護套厚度根據電纜外徑不大于6.6 mm 進行設定。 根據上述設計要點,通過綜合考慮,在螺桿、模套、阻燃骨架和護套厚度尺寸相同的條件下,采用了氧指數分別為38%,43%,45%等3 種護套材料進行樣品試制并測試,結果見表4。

表4 不同氧指數護套試驗方案測試結果

由表4 可知,氧指數為45% 的護套料具有更好的阻燃性能,不僅在火焰蔓延高度有較好的阻止效果,燃燒熱增長速率指數也滿足GB 31247—2014《電纜及光纜燃燒性能分級》技術要求。 由表4 還可以看出,熱釋放速率、燃燒熱增長速率指數隨氧指數變化的趨勢不一致,是由于非屏蔽結構電纜對于該燃燒熱增長速率有一定的不穩定因素,如護套料的阻燃與結殼穩定性、電纜捆綁時的松緊度等,故不一定與氧指數變化趨勢一致。 表4 結果表明,與低氧指數普通低煙無鹵護套料相比,高氧指數的低煙無鹵護套料明顯適用于本工作產品,如果再結合護套料結殼性能和結構尺寸方面的優化,相信會起到更優的效果。

3 關鍵擠出工藝控制

B1 級數字通信電纜制造過程中的工序質量控制與普通數字通信對稱電纜一樣,在此不作具體表述;但是,對于阻燃型非屏蔽數字通信電纜來說,除了絕緣尺寸及對絞合成纜節距的設計需要滿足傳輸性能外,在相關材料機械物理滿足相關要求的情況下,關鍵的是護套相關工藝的控制,特別是護套厚度、擠出均勻性,以及牽引速率等對阻燃性能有很大的影響。

滿足成束燃燒性能的高阻燃無鹵聚烯烴材料的價格比普通低煙無鹵材料高近一倍甚至一倍以上。因此,在選擇材料與護套厚度等方面須進行綜合考慮。 如果厚度設計過大,線纜外徑也隨之增大,且電纜硬度也會偏硬,不利于布線施工;如果設計厚度偏薄,燃燒結殼過程中會引起結殼層裂開,從而導致內部聚乙烯等可燃物流出而造成燃燒試驗的失敗。 因此,從綜合角度出發,護套厚度及擠出均勻性與材料應進行選型匹配,既考慮電纜外徑,亦控制電纜的制造成本。

高阻燃的低煙無鹵料配方具有阻燃劑高填充量、流動性差,以及配方中潤滑劑的添加比例與擠出螺桿匹配性等問題,容易引起擠出過程的不均勻性,使得護套厚度縱向不均勻;另外,如果選用的擠出機螺桿不合適,會導致對材料的剪切力過大,造成溫度升高過快,以致無機阻燃劑分解,在護套中產生氣孔,嚴重影響護套的阻燃性能。

由此可見,材料的阻燃等級越高,其熔融指數就越差,加工難度也越高。 為消除材料分解對阻燃結果的影響,可采用更低壓縮比的專用螺桿。 建議螺桿的長徑比為1 ∶25,壓縮比為(1.1 ～1.2) ∶1,在減小剪切力的同時也可提高生產效率。 因此,除了應該注意螺桿壓縮比,還需要根據各材料廠家的材料特性進行匹配。

4 結束語

本工作介紹了B1 燃燒等級數字通信電纜的骨架材料和高阻燃低煙無鹵護套的設計選型關鍵,以及工藝控制等。 在設計B1 級燃燒性能的6 類數字通信電纜時,需要綜合考慮護套與骨架的材料、尺寸,以及護套料的氧指數等,同時選擇合適的護套厚度進行設計;在阻燃護套料選擇時,除了氧指數外,還可以同時考慮護套料在燃燒時的結殼性以提升電纜的阻燃性能;在生產時,應考慮擠出機配套螺桿的壓縮比與模具尺寸的設計,盡量減小擠出剪切力和壓力,避免因擠出過程中使用不當的擠出工藝造成護套料中的阻燃劑分解而使阻燃性能下降;另外,高阻燃低煙無鹵護套料的硬度相對較硬,數字通信電纜在彎折、擠壓等情況下容易對回波損耗指標有一定的影響,因此,建議采用盤裝方式,確保電纜得到較好的回波損耗性能。 本工作為如何通過材料和工藝的改進來制造性價比高的B1 級燃燒性能的6 類數字通信電纜提供了可靠經驗。