1、背景
电缆广泛应用于电力、建筑、通信、制造等行业，为产业发展、国防建设和重大建设工程等提供重要的配套支持，是现代经济和社会正常运转的基础保障，被称为国民经济的“动脉”与“神经”。近年来，电线电缆的防火安全等级要求越来越受到重视。
国家应急管理部消防救援局发布的2020年火灾情况表明：电气火灾共8.5万起，占总数的33.6%；因电气引发的较大火灾36起，占总数的55.4%[1]。火灾发生时，火焰可能会引燃电缆中的绝缘和护套等材料，特别是火焰将消防设备的控制线路、火灾自动报警系统的信号传输线路、消防广播线路和消防电话线路等电缆损坏后，延误救援时间，造成更大的生命财产损失。此外，根据消防部门的统计，火灾中约有85%的死亡是由于火灾中产生的有害气体毒死、被弥漫的烟气窒息或因看不清路径而无法逃生[2]。火灾条件下因电缆功能失效而引发的二次事故，是造成灾害扩大的主要原因。防火电缆对阻止火灾发生和蔓延，防止数据丢失具有重要意义[3]。因此，世界各国对重要建筑物、重点工程和大型公用设施等的关键线路用电缆都提出了线路完整性要求，即要求此类电缆具有防火特性。
国家规范如GB50045-2005 高层民用建筑设计防火规范、GB50016-2018 建筑设计防火规范、 JGJ16-2008 民用建筑电气设计规范和JGJ242-2011住宅建筑电气设计规范等规定: 火灾自动报警系统保护对象分级为特级的建筑物，其消防设备供电干线及分支干线应采用矿物绝缘电缆；火灾自动报警保护对象分级为一级的建筑物，其消防设备供电干线及分支干线，宜采用矿物绝缘电缆[4-7]。
相对传统的刚性矿物绝缘电缆，BBTRZ是由铜绞线、云母与聚乙烯组合绝缘、矿物质防火泥隔氧层和聚烯烃阻燃护套料构成，如图1所示。由于采用柔性结构，弥补了结构硬、安装不便等缺陷，并且有其他电缆不具有的优点如：不老化、耐火、耐冲击电压、成本低等。BBTRZ采用矿物隔氧层代替了铜护套，不仅继承了防火防爆特性，提高了生产效率和柔韧性使安装敷设更加方便。
图1 柔性矿物质防火电缆（BBTRZ）
一般电缆由于绝缘使用的都是有机高分子材料，因此在火焰条件下极易碳化而失去绝缘作用。BBTRZ主要材料一般都具有1500℃以上的较高熔点，它对绝缘层起到隔火和隔热效果，因此不会因熔化或燃烧而解体的，能通过BS6387 C、W、Z试验。
防火隔氧泥是近年来开发的柔性耐火材料，主要成分是陶土、硅酸钠、氧化镁和水玻璃（硅酸钠），属于无机矿物材料，隔氧防火效果较好，燃烧时基本无烟产生，透光率较高，且具有显著的价格优势，约0.3~0.5万元/吨，在防火电缆中应用广泛。但其作为防火隔氧层材料有如下缺点：1、水玻璃具有导电性，在移动、碰撞或燃烧后容易发生线路短路；2、因水玻璃的流动性和导电性，生产预分支电缆时，也容易发生短路故障；3、水玻璃可与空气中的CO2反应，会逐渐硬化，增加安装敷设的难度，极易导致护套开裂[8,9]。
针对这一现状，我们结合多年来在防火材料及防火电缆领域的全系列产品研发经验及生产经验，开发一种全新的防火隔氧层材料，其不含有机成份，具有环保、难燃耐火、绝缘性能好、不容易硬化等性能。
2、配方设计
材料选型：基材材料遵循无机矿物要求，满足绝缘电气性能和燃烧后陶瓷化要求。选择能够成为绝缘级陶瓷的矿物材料作为基材，在经过反复实验筛选后，确定以下材料为选择范围:氢氧化镁Mg(OH)2,煅烧级陶土AL2O3和SiO2，硅酸钙CaSiO3,玻璃粉；云母粉KAl2（AlSi3O10)(OH)2;氧化锌ZnO,硅烷偶联剂C5H12O3Si,磷酸酯LYCO-P30和硼酸物H3BO3等。对材料的具体选型，以下作具体说明：
氧氧化镁选型：氢氧化镁是一种新型填充型阻燃剂，在受热分解后释放出结合水，吸收大量潜热，以降低其填充组分在火焰中的表面温度。氢氧化镁燃烧过程中产生的氧化镁是一种高强耐热材料，可结壳形成保护层，阻隔火源及有毒有害气体。矿物法制成的氢氧化镁结壳效果相对较好；另外，目数越高，与其他材料混合后，分子结合更好，1250~1500性价比最高；当然氢氧化镁需含量95%以上。
煅烧高岭土选型：煅烧高岭土是一种无机非金属的混合物，煅烧高岭土是将高岭土在煅烧炉中烧结到一定的温度2000℃以上和足够的时间后，使其的物理化学性能产生一定的变化，以满足成为陶瓷的要求。煅烧高岭土大量应用于陶瓷和防火材料原料。煅烧高岭土应选用Al2O3和SiO₂合计含量大于97%，1250目以上的产品，该材料粘性强成瓷细腻。
硅酸钙选型：硅酸钙是一种在燃烧后硬度很高，而且灼烧减量很小的瓷化材料，硅酸钙是一种无机物，化学式为CaSiO3，多为针状结晶，白色粉末。无味、无毒。在加热至680～700℃时脱出结晶水，结晶外形无变化。硅酸钙由碳酸钙和二氧化硅在高温下煅烧熔融而成。
玻璃粉选型：选择适合在熔点为400℃玻璃粉，其在配方材料中起到坚固和增加强度的作用功效。低熔点玻璃粉主要元素：硅、铝、锌、钙，是由非金属矿经严格选矿、清洗、磨粉、浮选、提纯、高纯水处理、特殊干燥、熔融结晶及造粉分级等多道工艺加工而成的微粉。其具备低熔点、高透明度（或乳白色）、耐温性好、耐酸碱腐蚀、高绝缘、低膨胀、化学性能稳定、硬度优良的性能。其细度目数要在3000目以上，需与其他材料充分混合。
云母粉选型：云母是一种防火阻燃性能特别优秀的材料，也有很种类，云母化学式为KAl2(AlSi3O10)(OH)2，其中SiO2 45.2%、Al2O3 38.5%、K2O 11.8%、H2O 4.5%，属于铝硅酸盐矿物，具有连续层状硅氧四面体构造。云母具有很好的绝缘和耐高温性能，选用是应选择1250目以上的白云母或金云母。
氧化锌选型：氧化锌在该新材料配方中起到与硼酸氧化反应后吸收硼酸根离子的作用，同时生成的硼酸锌还是一种起阻燃作用的材料，氧化锌是一种无机物，化学式为ZnO，是锌的一种氧化物。氧化锌是一种常用的化学添加剂，广泛地应用于塑料、硅酸盐制品、合成橡胶、阻燃剂等产品的制作中。
硅烷偶联剂A-171选型：因为配方中存在大量的无机矿物填充物质，其分子之间的结合力学不一定很好，容易产生分子断链，所以适当添加少量的硅烷处理剂后使分子之间结合力更好，A-171硅烷处理剂乙烯基三甲氧硅烷，分子式：C5H12O3Si，其可使材料在使用过程中得到更好的工艺性能，采用无色透明液体含量≥98.0%的乙烯基三甲氧基硅烷171对粉体进行表面处理。
磷酸酯增塑阻剂选型：为了使更多的无机矿物材料粘合在一起，LYCO-P30磷酸酯阻燃增塑剂作用较好，不但具有粘合阻燃，还具有非常好的电气绝缘性能，绝缘电阻大于100兆欧，击穿电压为3500V/5min，可满足防火矿物材料的绝缘要求。
配方设计：根据以上材料选型，综合隔氧层的加工性能、耐火性能，低温成瓷性能，设计出配方如下：Mg(OH)2含量18.7%，CaSiO3含量26.9%，低温玻璃粉3.14%，石英粉11.6%，煅烧陶土9.0%，云母粉6.0%，偶联剂A-171含量0.75%，硼酸物H3BO3含量11.2%，氧化锌3.7%，铂金化合物0.03%，磷酸酯9.0%。
通过上述配方设计，使该无机防火隔氧层材料具有低热值、高透光率、625℃成瓷等特点，击穿电压超3500V，且整个配方成本与原有技术相当。解决了原有技术硅酸钠不绝缘，容易硬化，不易敷设等缺陷。
3、材料加工工艺技术要求
经过配方好的矿物材料，工艺采用捏炼机进行捏合，使不同的矿物质材料能够有效的充分混合到一起，以便于在燃烧后分子之间的产生结合力，使成瓷坚硬均匀，注意点在捏炼过程中不能掺入任何其他材料杂质，并采用特殊工艺吸附和清除在混炼过程中产生的小分子，若有杂质或小分子存在，就会使得混合的材料的经过燃烧成瓷后产生裂纹或开裂，同时对混炼的时间和温度要求要加以控制，经过混炼捏合完成的新材料可以通过挤出工艺挤包在电缆的绝缘或成缆线芯上，达到防火的标准要求，保证材料成瓷后的力学性能和电气绝缘性及耐压性能等，提升了防火电缆各项性能指标。
4、结束语
目前，我国基于电缆用防火材料的研究生产，在中高端领域虽已取得一定成效，如陶瓷硅橡胶和陶瓷聚烯烃等，但这些材料都是由有机材料作为基材料制作，在燃烧时会产生较高的热值和烟密度，且价格是普通防火泥的8-10倍，市场应用推广量不大。本项目突破“高性能、低成本”的技术瓶颈。在研发的无机矿物质电缆用防火材料过程中，通过基材、增塑体系和低温成瓷体系三大体系的科学组合，以低成本实现了优异的防火性能、隔热性能和加工性能，还具有绝缘性好、不含卤素、发烟量低、阻燃耐火的特点。
本文根据实际应用中，以硅酸钠为溶剂的矿物电缆隔氧层出现的各种不良问题，开发出绝缘级、不硬化的防火电缆用的无机矿物隔氧层材料，希望本文能对矿物电缆的性能提升起到抛砖引玉的效果，新型无机矿物质防火隔氧料的研发，在电缆行业具有“金盅罩”的作用。
参考文献
[1]https://www.119.gov.cn/article/41kpo4CAQyv
[2]于永康.电线电缆检测与质量控制要点分析[J].中国设备工程, 2020,(18):124-125.
[3]李金梅.火灾条件下电缆失效特性及其预测方法研究[D].北京:北京科技大学, 2018.6.
[4] GB-50045-2005高层民用建筑设计防火规范
[5] GB50016-2018 建筑设计防火规范
[6] JGJ16-2008 民用建筑电气设计规范
[7] JGJ242-2011住宅建筑电气设计规范
[8]李兵,闵泽宇.一种柔性防火电缆用隔氧层耐火泥材料及其制备方法[P].中国, ZL201810231939.7,2018.3.20.
[9] http://tengruina.com/
