电缆绝缘及护套材料多为易燃性聚乙烯、聚氯乙烯、交联聚烯烃、乙丙橡胶等,应用时极易因短路、过热、暴露于其他火源被引燃,燃烧中火焰将沿外层材料迅速蔓延传递至周边设施与建筑物,相关数据显示,火焰沿电缆垂直线路方向的蔓延速度可达20m/min,同时伴随大量熔融滴落物与毒性气体的形成,造成不可估量的经济损失与人员伤亡[1-2]。鉴于电缆材料的易燃性及其火灾危险性,国内外研究机构开发了大量阻燃、防火产品与系统以提高电缆防火性能,抑制其表面火焰蔓延,如涂覆防火涂料,敷设防火电缆桥架、采用防火电缆、包覆阻燃或防火材料、电缆贯穿部位实施防火隔墙、封堵等措施,其中涂覆电缆防火涂料为具经济效益的方法。
1电缆防火涂料的性能及其防火机理
电缆防火涂料由饰面型防火涂料结合自身需求发展而来,相较于常见的钢结构、木结构防火涂料而言,电缆防火涂料保护基材多为橡胶等有机树脂,故其黏结和力学性能要求存在差异,而多用于变电站、电缆沟的封闭、潮湿的环境,促使对其环保、耐湿热及燃烧烟气低毒性更应着重考虑。因此,电缆防火涂料除需具备普通涂料装饰和防火作用,还应有良好的力学性能、耐伸缩变化性,对电缆外层材料无腐蚀性,同时黏结性、室温固化性、涂膜装饰性好,并能适应电缆地下沟的应用环境条件,具备较高的耐水性、耐酸性、耐碱性、防霉性、耐候性,燃烧时烟气生成量及毒性低等特点,为一款需高度兼顾涂覆基材与应用环境要求的功能性涂料。
防火涂料的防火机理复杂,具体可归纳为[6-7]①利用涂料自身不燃或难燃性,保护基材在火灾高温下不与空气直接接触,延缓温升,避免燃烧;②涂料高温下分解产生性气体,稀释可燃气体浓度,降低燃烧温度;③防火涂料遇热形成自由基减缓并终止燃烧连锁反应;④防火涂料遇热产生膨胀隔热性炭层,从而阻止基材燃烧及热解。防火涂料往往利用多种机制共同作用送到阳火、隔热效果,如现阶段市面常见的膨胀型电缆防火涂料则以固相机理为主,遇火时生成均匀致密的海绵状泡沫隔热层,具有显著的隔热防火效果。
2电缆防火涂料的研究进展
国家防火建筑材料质量检验检测中心收集具有代表性的电缆防火涂料进行了燃烧性能与自然老化、人工加速老化试验。研分表明,防火效率低、燃气释放不达标、耐候性差是长期制约产品应用与发展的关键性问题[4,8]。基于此现状,国内外研究机构和企业开展了大量工作。
在提升涂料防火性能方面.南钰等9向分别以聚氨酯、聚丙烯酸为成膜物,混合氯化铝、三聚氰胺磷酸盐,季戊四醇等为膨胀体系的水性电缆防火涂料中添加自制片状六方氮化硼(BN)改性剂,有效改善广防火涂料性能、力学性能、燃烧性能:美国联合碳化化学及塑料技术有限责任公司研发了一种膨胀型弹性涂料,包括成膜物(如聚氨酯等热塑性弹性体)及共混成膜物(烯烃聚合物如乙烯一醋酸乙烯共聚物)、基于氮和/或磷的膨胀体系(如多聚磷酸盐)、非基于磷的协同剂(如炭黑或金属氧化物)、二氧化钛、UV稳定剂等,涂覆手电缆外层后具有优异的防火性能[10];Lang[11]研发了一种以硫醇-烯为成膜物的电缆防火涂料,直其施工过程简便、快速,较低的涂层厚度即可获得良好的防火效果。
在改善涂料耐候性方面,石家庄市油漆厂研发了以内烯酸乳胶为成膜物的新型水性电缆防火涂料,添加包覆型聚磷酸铵、双季戊四醇、三聚氰胺典型P-C-N膨胀体系,加入氢氧化铝、钛白粉等作为增效填料,涂层耐油性、耐盐水性、耐湿热性、耐冻融循环满足国标要求:浙江天华防火材料有限公司采用丙烯酸酯弹性乳胶,膨胀体系(聚合度>500的晶体Ⅱ型聚磷酸铵、季戊四醇、三聚氰胺等),70氯化石蜡和三氧化二锑(协效剂),氟碳表面活性剂,有机硅防水剂制备了防火涂料。当P-C-N膨胀体系与乳液质量比达3.6:1时,涂层浸泡75h后仅出现微小气泡,耐冻融循环15次[13]。
在抑制涂料燃烧烟气毒性方面,邹奇峰14研发了以水性苯丙乳液为成膜物,添加钛白粉、空心玻璃微球、多聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇等的水性膨胀型电缆防火涂料,涂层燃烧时无烟雾或少烟雾;Sharma等[15]合成乙酰丙酮钼引入膨胀型电缆防火涂料,该钼基有机配合物能有效抑制电缆护套燃烧,降低烟气生成量及速率。