1. 前言

如果没有电力电缆和光纤电缆，现代交通体系将不复存在。电缆传输电能和越来越多的数据，电缆的燃烧测试也包括不同的情景，如在汽车、轨道车辆、船舶或飞机中铺设了大量电缆，这些电缆沿水平方向铺设于地板下面，或者沿水平和竖直方向铺设于侧壁与天花板之间。

在电缆的绝缘材料、护套材料或填料中，使用了大量的可燃性聚合物。考虑到电缆存在于整个交通工具中以及电缆的安装特点，电缆的燃烧会造成严重火灾，通过电缆会使火势在不同的舱室之间传播（例如，从发动机舱传播至客舱）或传播至更远的距离 1。交通工具内的火灾原因包括电气故障、机械故障或过热、纵火、垃圾桶着火或燃料、润滑油泄漏。

防火标准的严格或宽松程度并不一致，具体取决于乘员从发生火灾的交通工具逃生的难易程度。飞机、船舶或轨道车辆逃生比从汽车逃生更困难，因此多个国际和国内标准规定，在飞机、船舶或轨道车辆上使用的材料必须具有更好的防火性能。

电缆的阻燃可以通过多种方式在聚合物组合物中应用无卤阻燃剂（磷氮无机阻燃剂）或低烟无卤（LSFOH）方案，。选择的聚合物和相应的阻燃剂以及关于这些阻燃剂（FR）体系的某些属性总结于下表。

图 1- 含磷氮无机阻燃剂的典型电缆组合物

在含磷氮无机阻燃剂的电缆聚合物组合物中使用的典型阻燃剂、建议这些阻燃剂适用的典型聚合物以及阻燃机理信息

交通工具中的电缆根据使用情况必须达到不同的标准。在选择电缆材料时，必须考虑电缆安装期间和使用寿命期间的机械应力和热应力。不但交通工具中的电缆必须具有阻燃性，铺设电缆的所有配套设施尤其是电缆管道也必须具有阻燃性。电缆管道一般供电缆通过和保护电缆以免受损，因此，必须与电缆一样具有同样的阻燃性能，但是，不必像电缆一样具有柔性。电缆管道通常由热塑性材料制造，例如，采用聚氯乙烯或聚烯烃（主要是聚乙烯或聚丙烯）作为聚合物基质。

电缆管道的聚烯烃组合物大致与电缆材料的组合物相同，使用较高含量的氢氧化铝或氢氧化镁以及如下所述的膨胀型阻燃剂体系。为了保证必要的阻燃性能，例如如图中所示的低释热速率（锥形量热仪在释热速率为 35 千瓦/平方米时测定的结果），无机阻燃剂的填充率必须＞ 50%（重量百分含量）。

无机阻燃剂的阻燃机理基于阻燃剂吸热分解生成水蒸汽和金属氧化物。氢氧化铝和氢氧化镁的主要差异在于热稳定性。氢氧化铝在 200°C 开始分解，而氢氧化镁在高达 320°C 时仍稳定。与通过特定化学反应路径作用的阻燃剂体系相比，为了达到高的阻燃性能，这些阻燃剂需要添加的量相对较高。

图 2- 含磷氮无机阻燃剂的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物组合物释热速率（I） 释热速率与氢氧化镁用量的关系曲线

图 3 – 含磷氮无机阻燃剂的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物组合物释热速率（II） 释热速率与氢氧化铝用量的关系曲线

在 TPE-S、TPE-V 和 TPE-O 热塑性弹性体以及聚烯烃中，使用中等用量的膨胀型阻燃剂体系即可达到 UL-94、UL-62（VW-1，美国电线电缆和软电线耐燃性等级）垂直电缆（UL 1581）或 45° 电缆（ISO 6722/1）的测试标准要求。例如，一类含无卤阻燃剂的新型热塑性弹性体可以替代某些电缆（例如，消费电子产品电缆）的传统柔性乙烯基护套和绝缘材料。这些弹性体可以用于电缆挤塑、波纹管生产、电缆管道生产以及其它应用。膨胀作用机理确保阻燃性能高以及烟密度和烟雾毒性低，例如热塑性弹性体成功地通过了 ABD 0031 标准烟雾毒性测试（空客公司测试标准）。膨胀型阻燃剂体系经过处理表面处理甚至通过了电缆工业严苛的水储存测试。由于阻燃剂的用量适中，磷氮无机阻燃热塑性弹性体既达到非常高的阻燃性能，又具有卓越的美观和触感。

下面将更详细讨论在交通工具中使用的某些电缆阻燃剂。

2. 汽车（轿车/卡车/公共汽车）电缆

汽车中使用大量的电缆，这些电缆主要铺设在发动机罩下面。过去几十年来，电子设备在汽车中的应用一直在增加，这些电子设备使用大量的各类电缆，例如传感器和监测系统数据总线电缆。1955 年，一辆乘用车含 45 米电缆，1960 年代增加到 200 米左右，现在取决于车辆类型和设备配置一辆乘用车内安装了数千米不同电缆。现在研究焦点是，开发更薄的电缆绝缘材料和护套、在不影响性能的情况下降低电缆材料的密度，从而减轻汽车内电缆的重量 2。

汽车电缆必须能耐受一定范围的温度，耐热等级从 A 级到 H 级（T1 至 T8 级），具体取决于电缆的使用情况，例如电缆与发动机之间的距离。根据这些耐热等级，使用（含有卤和无卤阻燃剂的）不同聚合物生产电缆绝缘材料和护套材料，以达到这些耐热等级要求。

下面列出了某些聚合物实例及适合此应用的有效阻燃剂。

图 4 - 耐热等级 根据 ISO 6722 标准在汽车中使用的电缆的耐热等级 （3000 小时）温度范围、适用的聚合物和阻燃 3

汽车电缆不仅必须能耐受宽的温度范围，也必须能耐受不同的介质，例如，机油、蓄电池酸液或燃料油，以避免这些侵蚀性流体少量泄漏造成严重损坏。

汽车电缆材料组合物可以基于交联聚乙烯，如下面所述。

图 5 – 含氢氧化镁阻燃剂的交联聚乙烯组合物参考值

在欧盟，耐磨蚀性要求严格，在汽车用交联聚乙烯电缆中，应用的主要无机阻燃剂是氢氧化镁（MDH），但是，在美国更常使用氢氧化铝（ATH）4。

可持续性已成为一个重要的主题，也是各种交通工具的发展趋势，现在，人们关注的焦点是非化石燃料和纯电动或混合动力电动汽车。

纯电动和混合动力电动汽车中，典型的电压比燃油汽车的更高。因此，必须对这些汽车内的电缆进行特别设计，使其能在更恶劣的条件使用，能耐受火花电压。在这些应用中，建议使用基于热塑性弹性体、聚氯乙烯或交联聚乙烯的电缆组合物 5。

在含磷氮无机阻燃剂的热塑性弹性体电缆组合物中，可以使用膨胀型阻燃剂体系和细粒金属次膦酸盐。金属次膦酸盐的用量应控制在 20% - 30%，具体取决于对邵氏硬度和性能要求的综合考虑。与含氮协效剂结合使用可进一步提高阻燃剂体系的性能。添加少量聚四氟乙烯可以防止火灾期间材料燃烧产生熔滴。

热塑性弹性体电缆组合物的某些性质如下：

图 6 - 某些含磷氮无机阻燃剂的热塑性弹性体 电缆组合物 含次磷盐阻燃剂的热塑性弹性体电缆组合物的 典型性质

3. 轨道车辆（火车、地铁）电缆

必须注意的是，在轨道车辆、船舶和飞机等大型公共交通系统中，也不能完全避免火灾。因此，为了让乘员安全地逃生，火焰的传播速度必须慢，产生的烟雾必须尽可能少。这些要求反映在比汽车更严格的标准中。

近年来，欧盟致力于为欧洲轨道车辆用材料制定统一标准。EN 45545-2 标准提出了这些材料的防火要求，详见本手册中关于标准一章。该标准要求测试垂直火焰蔓延速度、烟密度或烟雾毒性以及其它参数。

轨道车辆内部铺设了许多不同用途的电缆，如下图所述。每一节车厢需要不同的电缆，包括照明电缆、控制面板电缆以及满足乘客信息和娱乐需求的电缆。发动机电缆、控制面板电缆和轨道车辆通信电缆铺设于机车内。车厢之间的电缆和跳接电缆保证数据和电力的传输。

图 7 – 轨道车辆内的典型电缆、铺设位置及用途 （图片提供：Huber+Suhner AG, Pfäffikon, Switzerland。）

如前面所述，轨道车辆电缆必须达到严格的防火性和低产烟量标准。为此，与汽车电缆相比，为提高阻燃性、减小烟密度，轨道车辆电缆中需要添加更多的无机阻燃剂。在轨道车辆电缆中，氢氧化铝的典型添加量约 60%（重量百分数），但也可能根据详细的电缆组合物配方有所调整。

根据电缆的铺设和使用场景，电缆的机械性能和耐环境因素能力必须加以调整，例如，在流体装置附近安装的电缆应能耐受这些流体介质的侵蚀。

下图中给出了轨道车辆电缆的两个示例，一条电缆安装于车厢或机车内，另一条电缆为跳接电缆。

如图所示，布设于轨道车辆内的电缆通常由多层组成。绝缘层保护导线，护套保护电缆以免受环境因素影响。可以根据用途调整聚合物组合物的组成，例如，与电缆的其它层相比，护套中的阻燃剂含量常常更高。

在公共交通工具的电缆中，金属导线或玻璃纤维绝缘材料的典型聚合物改性料通常基于交联聚乙烯、聚氯乙烯或乙烯丙烯橡胶（EPR），但是也可以使用聚酰胺、热塑性弹性体、硅橡胶或含氟聚合物。在护套材料改性料中，典型聚合物为聚烯烃、聚乙烯、聚丙烯、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物或聚氯乙烯。

与热塑性材料相反，交联材料的优点是，受热后不会软化或熔融，因此不会产生燃烧熔滴，能更好地防止火灾蔓延。

然而交联聚合物增加了交联工序，增加了电缆生产工艺的难度。

4. 船舶电缆

在船舶上，尤其在潜水艇上，减小烟密度甚至更加受到关注。另外，船舶电缆可能与高盐分海水等侵蚀性介质接触，因此，护套必须在整个电缆的生命周期内能耐受这些介质。

一种含氢氧化铝阻燃剂，基于过氧化物交联型弹性体乙烯-醋酸乙烯共聚物的改性料可应用在海洋船舶上的电缆改性料，该改性料的配方描述如下。

图 10 - 海上船舶电缆乙烯-醋酸乙烯共聚物组合物 含氢氧化铝阻燃剂的组合物

市场上供应的氢氧化铝产品种类非常多，为调整改性料配方开辟了多种途径。例如，经过面处理的氢氧化铝可以将最优的机械性能与阻燃性能相结合。

根据英国海军国防标准 Def Stan 61-12 或德国海军 VG 95218-28/29 标准，在不同介质中的抗老化性能对船舶电缆改性料非常重要。老化作用通常影响改性料的物理尺寸和机械性能参数。根据上述标准，这些参数的改变不得超过一定限值。

同样，适用的磷氮无机阻燃剂种类也有很多，可以通过多种方式调整电缆改性料配方，从而满足特定的要求。

5. 飞机电缆

飞机电缆材料不仅必须满足阻燃性和燃烧释热的严格要求，还必须满足烟密度和烟雾毒性的要求，在本手册中关于标准的一章列出了这些要求。另外，必须考虑所有材料的重量。含氟聚合物常常用于飞机电缆的绝缘和护套材料改性料。一般来说，这些聚合物具有固有的阻燃性，不要求另外添加任何阻燃剂。

含膨胀型阻燃体的磷氮无机阻燃剂热塑性弹性体改性料也通过了相关标准（例如，ABD 0031 标准）的烟雾毒性测试。膨胀型阻燃剂的阻燃效率高和产烟量低，因此，电缆改性料仅需要中等用量的阻燃剂，既能获得优异的阻燃性能，又能优化机械性能和表面性能。

参考文献：

1. 电缆燃烧性能报告，电缆的燃烧性能 – 新的测试方法和测量技术 – Interscience 通信有限公司，2000 年

2. a）Karl Brown (Equistar Chemicals LP, LyondellBasell) AMI Conference Cables, 9-11 March 2010, Cologne (Germany); b) White Paper Automotive, February 2007, Nexans

3. a）Kabelbuch 2003, Automobilleitungen Coroplast Fritz Müller GmbH & Co KG. Huber+Suhner AG, Pfäffikon, “Automotive Products”, Edition 2009. Leoni Kabel GmbH, Roth, “We keep on moving” Business Unit Automotive Cables. White Paper Automotive, February 2007, Nexans

4. Karl Brown (Equistar Chemicals LP, LyondellBasell) AMI Conference Cables, 9-11 March 2010, Cologne, Germany.

5. Leoni Kabel GmbH, Roth, “We keep on moving” Business Unit AutomotiveLeoni Kabel GmbH, Roth, “We keep on moving” Business Unit Automotive Cables