浅谈特种线缆塑料绝缘材料的发展

浅谈特种线缆塑料绝缘材料的发展

程宏英*  江苏永鼎股份有限公司

摘要：本文通过对特种电缆的介绍，市场发展的展望及目前使用最广泛以及研究和使用都比较深入的氟塑料进行分析，探讨无卤低烟阻燃特种电缆用塑料材料的发展。

关键词：特种电缆；无卤低烟阻燃；耐高温；改进和改性 

1  引言

特种线缆简单地说就是一系列具有独特性能和特殊结构的产品，相对于量大面广的普通线缆产品而言，具有技术含量较高，使用条件较严格，批量较小，附加值较高的特点，往往采用新材料、新结构、新工艺和新设计。特种线缆大致可分为下列四类：

1.1  耐高温线缆

这类线缆广泛用于航空航天、铁路车辆、能源、钢铁、有色金属冶炼、石油开采、电机等领域。长期工作温度从125℃至1000℃，甚至1300℃。

1.2  用途和结构特殊的线缆

这类典型的线缆有两种：一种是用于各类接触焊机、电弧焊机与气动焊钳连接的水冷式低感电缆。另一种是用于工业、医学、国防等多个领域进行微小信号测量的低噪音电缆，也称防震仪表电缆。

1.3  功能化线缆

这类侠岚典型品种有两个：一类自控温加热电缆广泛用于长效恒温场合。另一种是电致发光线缆，此类产品应用极为广泛，是开创节能、环保、健康显示照明新时代的产品。

1.4  环保线缆

一类是有卤环保线缆，这类线缆阻燃效果可以达到很好。能通过UL最高阻燃等级的电缆的CMP电缆是比较典型的一种。另一类无卤环保电缆，无卤低烟阻燃以聚烯烃为基材的电缆是应用最广泛的一种，也是应该大力研究和开发的一种，这类线缆的阻燃效果不如有卤的。

2  特种线缆发展前景

现在是一个快速进步、高度发达和供大于求的需求经济时代，企业的成功关键就在于，是否能够在需求尚未形成之时就牢牢地及时地锁定并捕捉到它。那些有大成的企业都会倾其毕生的经理和资源搜寻产业的当前需求、潜在需求以及新的需求！随着特种线缆行业竞争的不断加剧，大型企业间的并购整合与资本运作日趋频繁，特种线缆行业企业必将越来越重视对行业市场的研究、对竞争对手的研究、对企业发展环境的研究以及对顾客需求的研究。因此，只有具有远见卓识、恰当定位、即使果断地作出正确的决策，才能抓住机遇快速崛起，并保持良好的发展势头，使企业始终处于行业的有利地位。线缆产品种类繁多，应用领域十分广泛，几乎涉及国民经济的所有领域。尽管线缆行业只是一个配套行业，但却是我国仅次于汽车行业的第二大行业。占据着我国电工行业产值的25%，其产品市场占有率超过90%。

据有关统计，目前我国线缆行业企业有进万家，总体产能严重过剩，产品集中度不高，自主创新能力不强，中低端产品的同质化竞争严重，同行恶意压价低于成本中标屡见不鲜。产品质量总体水品还不高，行业无需过度扩张，市场竞争不规范。有些企业不是在做好质量和信誉的前提下，去获得合理的利益；而是利用不正当的手段去获得利益。这样的企业最终是害人害己，东金明斯克210大马力拖拉机就是典型的例子。 

3  七大市场发展方向概述

3.1  军中市场方面

大多是耐高温含氟塑料产品。其它特种线缆产品的需求也在扩大，某些特缆产品尚需进口。

3.2  民品市场方面

民品市场不但面大，而且面广。主要涉及石油化工、冶金机械、地产建筑、信息通信、汽车舰船等产业。随着高层建筑的涌现建筑用线缆是非常值得关注的产品之一。

3.3  航空航天方面

航空航天是一个朝阳产业，未来的需求必将会不断地扩大。

3.4  机车、电机用特种线缆

机车、电机用特种线缆是一个潜能无限的产业。应该是最有前途和增长比较快的特种线缆应用领域。

3.5  石油平台用线缆方面

随着石油开采走向海外、走向海洋深处。不但海上石油平台的新建和维修，需要大量的电缆，而且就石油行业来说，对深井的探测电缆、深井油泵电缆及加热自控温等多功能电缆现在以及今后很长一段时间的需求量都会很大，也是很值得关注的。

3.6  海底电缆方面

全球信息一体化的发展及海洋的开发，对综合海底电缆的需求量必将会不断地增加。

3.7  高温超导输电电缆方面

该类电缆前景广阔，随着科学技术的不断进步，损耗低、无火灾隐患的高温超导输电电缆应是最有生命力的产品。

4  对特种电缆用氟塑料的分析

4.1  特缆用典型氟塑料PTFE、FEP、ETFE、PFA基本性能见下表

这类材料在国外已经非常成熟，并且已经达到了很高的水平，也是目前高等级塑料绝缘线缆的首选材料；这类材料在规定的安全使用温度下无害，但在分解后会产生剧毒物质，甚至遇火引起爆燃。有些场合已被其他材料全部或部分代替，但这样的材料能得到公认的也是寥寥无几，综合性能与含氟塑料也相当差距。由于这类材料在使用上国外验证的非常充分，在相当唱的一个时期内含氟塑料在特种线缆种的地位仍是不可撼动的。国内也已经达到了一定的水平，但产品的均匀性和稳定性上还有相当差距。我国PTFE产能占全球产能近50%，30%以上依赖出口；FEP产能占15%左右，并且质量的稳定性和产品的均匀性不能令热满意；而ETFE和PFA两种产品目前国内还没形成产能；因此，后两种产品的价格还非常昂贵。

4.2  特种电缆用氟塑料灿在问题分析

从1938年发现PTFE至今，有没有强大的氟化工业，常被看做一个国家是否拥有现代科技、现代国防、现代产业的重要标志之一；在150℃耐温等级及以上的特种电缆应用方面负聚合物占70%以上，其中FEP占90%以上，并且现在已开发成功了发泡率60-70%的FEP，应用进一步拓宽。交联ETFE的应用不但将ETFE的耐温等级从150℃提高到200℃，耐辐射性能和耐开裂性能更加令人满意。似然氟聚合物在规定的使用温度范围内是无害的和不燃的，但由于氟聚合物一旦分解、就会产生强腐蚀、剧毒和易爆物质，这些物质有HF、COF₂、TFE和PFIB等，这些物质达到一定浓度将会产生灾难性的后果；因此，在有些应用场合也存在致命的弱点，在航空航天真空逸气现象发生和燃烧后造成的二次灾害，不但对人对精密设备也是致命的；再一个就是比重比较大，这也是一个比较大的弱点。 

5  特种电缆用无卤及无卤阻燃材料的探讨 

5.1  个人认为有发展前途的几种用于特种电缆的基本材料性能如下

5.2.1  聚乙烯PE

PE材料除阻燃性和使用温度还不够理想以外是目前所有材料中综合绝缘性能最好的绝缘材料，在低压、中压、高压和超高压电缆及短距离通信电缆的应用方面具有绝对的主导地位，在超高压电缆的应用方面具有无可替代的地位，在高压电缆应用方面具有仅仅乙丙橡胶可与之比美。该材料如果不进行改性使用温度最高不超过80℃，并且还比较容易产生应力开裂，经过各种方法进行改性不但解决了耐应力开裂问题，在耐温等级也有很大的提高，现在125℃及以下的交联聚乙烯绝缘电缆已经成熟的得到了广泛的应用，150℃辐照交联聚烯烃绝缘线缆已基本得到认可使用，据了解国外已开发出180℃辐照交联乙烯绝缘线缆，这是一个很大的突破。如果能开发出符合要求的150℃辐照交联无卤低烟无毒阻燃聚乙烯绝缘线缆，那么该类材料在特种线缆行业就会有广阔的应用前景。现在来看125℃以下的无卤低烟无毒材料已经得到广泛应用但阻燃效率和阻燃效果还不是很理想，在基材改性方面，茂金属改性聚乙烯越来越得到重视，在无卤低烟阻燃方面，纳米阻燃剂的开发积极的进行中，如果耐温达到150℃以上并且能有良好的无卤低烟阻燃性，那么PE在特种电缆方面的应用将会有很大的突破。

5.2.2  聚醚砜PES

该材料是目前用于180℃～200℃最好的无卤无毒阻燃绝缘材料，该材料的阻燃性可达UL94 V-0级（0.46mm）；耐水解，可耐160℃的蒸汽，在高温下也不受酸、碱的侵蚀；在-100～200℃的范围内模量几乎不免，特别在100℃以上比任何一种热塑料性树脂都要好；尺寸稳定性好，线膨胀系数小，而且对温度的依赖性也小是其特点，并且直到200℃时仍可保持与铝的相近；无毒，在卫生方面得到了美国FDA认可、也符合日本厚生省低434号和178号公告要求。国内应很好的去开发生产，该材料由于对缺口比较敏感，优势该缺陷是致命的，因此如果通过基材的改进或制成塑料合金及纳米材料填充改性改善该问题，该材料在特种电缆方面的应用是很有前途的。

5.2.3  聚醚醚酮PEEK

该材料是目前用于260最好的无卤无毒阻燃绝缘材料，至20世纪80年代由VICTREX（前身ICI）推出，首先是作为军用尖端材料在使用，一直由该企业独家垄断生产经营20多年，21世纪才进入我国，到目前为止该公司无论在产品质量上还是在技术上都处于世界领先地位，该材料目前是热塑料性塑料中耐辐照性能最好的，即使承受10⁷Gy的辐照剂量业务影响；阻燃性也非常稳定可达UL 94 V-0（0.46mm）；非常油量的耐腐蚀性，与镍钢相近；耐水解，几乎不受高压水蒸汽的影响；无毒害，已经得到了么过FDA的认可。该产品的开发和改进各发达国家都还在热烈的进行中，现在第三代产品已经投放市场，该材料除了非常昂贵以外，是目前综合性能最好的热塑性塑料，如果在发展新品种和进行合金改性方面在抗撕裂和对缺口敏感性方面得到进一步的提升，该材料在开发太空和国防军事方面的应用将有不可限量的前途。我国在该材料的研究方面也有了很大的突破，但量产和应用力度还不够，应花大力气去量产和推广应用。

5.2.4  聚酰亚胺PI

该材料是可耐温到300℃的最好电缆绝缘材料，甚至短时可到300℃以上，是迄今为止热稳定性最好的聚合物之一，分解温度高达500℃，耐低温性也及其油量，即使在绝对温度4K（-269℃）的液态氦中仍不会脆裂；电绝缘性能优良，且对温度不敏感；阻燃性号，低烟无毒，耐辐照。致命的缺点是不耐水解，不耐串弧。现在主要是与氟塑料制成符合薄膜在航空航天电缆中使用，人们正在大力开发热塑性的改性品种，过重应在品质和改性上下功夫。这也是很有前途的材料。

6  对特种线缆塑料绝缘材料应用的看法 

6.1  特种电缆的应用领域应重点考虑一下几方面

1）航天的应用

2）航天和航宇的应用

3）国防军事的应用

4）高铁、城际铁路和地铁等的应用

5）通信、探测、测量

6）载波，光电复合，传输、通信、测量和控制一体化

7）海洋资源开发和利用等

6.2  特种电缆材料研发问题的看法

特种线缆大多没有形成国家标准和恒业标准，有的甚至连企业标准也没有形成。有的有标准，但国内的材料根本没有，甚至香葱国外进口根本找不到能出口到中国的企业。有的国家标准规定的指标高于行业标准的指标，行业标准基本上就没有多大的用处。有的行业标准另起炉灶，使国家标准成了摆设。有的客户用国外产品时小心翼翼，用国内产品时就随意操作，有的将对设备的要求一并纳入到对电缆的要求，有的性能质量要求过高过全电缆寿命终结了也没起作用。对于真正的高性能优质材料基本被美、英、德、日等几个老牌发达国家把持着，我们国内即使有类似产品制造，产品质量和性能（不但是产品本身的稳定性、均匀性、一致性，就是加工性能）也是差强人意。人家真正的好材料根本不卖给你，有的好材料即使卖给你也对你进行限制。希国内的材料研究单位和制造商加油！客户在符合其使用条件的情况下尽量宽容！线缆制造商必须下苦功夫努力辨清和实现客户的需求，为材料研究单位和制造商提供适宜的改进方向！只有客户、线缆制造商、材料研究单位和制造商合作好了，在加上政策上的支持，我国在线缆材料的开发和生产肯定会有所突破。

【参考文献】

[1] 王春江、徐应麟等，电线电缆手册第2版，机械工业出版社，2001.

[2] 王文广等，塑料材料的选用，化学工业出版社，200.

[3] 张玉龙、石磊，塑料品种及选用，化学工业出版社，2011.

[4] Nomura Hideo. Perspective on Japanese plastics industry in 2000.Polythersulfone.Japan Plastics,2000,51(1):99-102.

[5] Tayasu Fumio.Perspective on Japanese plastics industry in 2000.PEEK.Japan Plastics,2000,51(1):103-107.

[6] 王凯等，热塑性聚酰亚胺研究进展，高分子通报，2005，（3）：25-32.

[7] 方省众、严庆，高性能聚酰亚胺热塑性树脂的工业化进展，高分子通报，2008，（6）：49-51.

[8] 王永强，阻燃材料及应用技术，化学工业出版社，2003.