Exploring the extrusion process of flame retardant polyolefine cable insulation and sheath
摘要：本文从电缆料品种，挤出设备、模具和工艺等几个方面，对阻燃聚烯烃电缆绝缘及护套挤出工艺进行了探讨，以获得圆整和光洁的绝缘及护套表面，提高产品的质量。 Abstract: This paper explores the extrusion process of flame retardant polyolefine cable insulation and sheath from the point of view of material type , extrusion equipment , die and process in order to obtain a round and smooth insulation or sheath surface and improve product quality .
Key words: flame -retardant polyolefine cable; extrusion equipment ; screw ; die ; process
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1 引言
近年来，随着电缆阻燃技术的发展，以及对电线电缆火灾事故认识的加强，对电缆阻燃要求
也越来越高。当然，电缆阻燃技术中，电缆的结构设计及阻燃带、阻燃填充等阻燃措施的采用对电缆阻燃性能起着较为关键的作用，但作为绝缘和护套的电缆材料的阻燃性也不容忽视。从阻燃机理而言，电缆料阻燃可分为含卤和无卤两大类。作为传统的阻燃方式，在材料体系添加含卤材料是最有效的，但是当它们与火焰接触及燃烧的热分解过程中，会产生大量烟雾和有毒的腐蚀性卤化氢气体，而无卤阻燃则主要选择在聚烯烃体系中实现，其使用范围广泛，发展迅速，引人注目。
阻燃聚烯烃电缆料按含卤量可分为以下三类：普通阻燃聚烯烃电缆料、低烟低卤阻燃聚烯烃电缆料、低烟无卤阻燃聚烃电缆料。以下从几个方面对其挤出工艺进行探讨。
2 挤出设备
电线电缆挤出成型设备大多是单螺杆挤出机。螺杆是挤出机的最主要部件，关系到挤出机的应用范围和生产效率。为适应不同塑料的加工，螺杆种类很多，结构上也有些差异。表示螺杆的基本参数除螺杆类型外，还有直径、长径比、压缩比、螺距、螺槽深度、螺旋角、螺杆与料筒间隙等。螺杆结构特征的基本参数对塑料混炼、成型效果影响都较大。螺杆直径越大，加工能力越大。长径比越大，能改进物料温度分布，有利于塑料的混合和塑
化，并能减少漏流和逆流，提高挤出机生产能力，适应性较强，能用于多种塑料的挤出，但长径比过大时，会使塑料受热时间增长易引起降解，并增大挤出机的功率消耗；长径比过短，易引起混炼的塑化不良。经过实践表明，普通阻燃及低烟低卤阻燃聚烯烃电缆料使用目前通用的长径比L / D 为20 或25 的螺杆都可以得到理想的挤出表面，差别不明显；低烟无卤阻燃聚烯烃电缆料使用L / D 为20 或25 的螺杆也可以得到较为理想的表面，但相比而言L / D 为20 的螺杆挤出表面更加光洁。这是因为低烟无卤阻燃聚烯烃电缆料中含有高填充的氢氧化镁或氢氧化铝，在L / D 为25 的螺杆中受热时间较长后无机阻燃剂分解造成挤出表面变差。就螺杆压缩比、螺槽深度、螺旋角、螺杆与料筒间隙等方面而言，压缩比越大、螺槽深度越浅、螺旋角越小、螺杆与料筒间隙越小对塑料产生的剪切作用和挤压力增大，物料在螺杆中的剪切生热也越大，容易引起物料机械热分解，这些都对阻燃聚烯烃电缆料的挤出不利，易造成不良挤出表面。所以，挤制PVC 用的螺杆（压缩比较小、螺槽深度较深、螺旋角较大、螺杆与料筒间隙较大）比挤制聚乙烯螺杆更适合于阻燃聚烯烃电缆料的挤出成型，对低烟无卤阻燃聚烯烃电缆料更是如此。一般挤出低烟无卤阻燃聚烯烃电缆料时，螺杆压缩比为1:1-2.5:1 之间比较适宜。
挤出设备中另一影响阻燃聚烯烃电烯烃电缆料挤出性能的因素是挤出机的冷却装置。因阻tsf过载保护
燃聚烯烃电缆料都含有一定数量的填充，在挤出过程中会摩擦生热，这就要求挤出机要有较好的冷却装置才能保证稳定地控制工艺温度。相比之下，低烟无卤阻燃聚烯烃电缆料摩擦生热量最大；低烟低卤阻燃聚烯烃电缆料其次，而普通阻燃聚烯烃电缆料最小。因此，低烟无卤阻燃聚烯烃电缆料更加要求挤出机要有良好的冷却装置，这是不容忽视的一个问题。经多次实践表明，热塑性低烟无卤阻燃聚烯烃电缆料要求挤出机最起码要做到各温控区都有风冷，才能保证控温良好，挤出表面稳定，这是由该类材料的本性所决定的。很多使用过这类材料的电缆生产厂家都有这种经验。
3 挤塑模具
阻燃聚烯烃电缆料与非阻燃聚烯烃电缆料不同之处在于前者含有阻燃剂填充，其中低烟无卤阻燃聚烯烃电缆料填充量甚至高达150 phr 以上，这就导致了其在熔融状态下熔体强度、拉伸比、熔体粘度与非阻燃聚烯烃电缆料存在较大差异，从而要求挤出成型时模具的选配也有所不同。一般地说，以上阻燃聚烯烃电缆料均适用于挤压式（多用绝缘挤出）、半挤管式及挤管式模具（多用护套挤出）。使用挤压模时，因阻燃聚烯烃电缆料熔体粘度大使得机头压力增加、挤出制品压得较密实，导致离模时会有所膨胀，可选用模套内径尺
寸比成品的标称直径小5 ％左右；使用半挤管式或挤管式模具时，必须考虑到阻燃聚烯烃电缆料的拉伸比。笔者经过对多种阻燃聚烯烃电缆料进行工艺试验发现，普通阻燃及低烟低卤阻燃聚烯烃电缆料拉伸比可达6～7 左右，低烟无卤阻燃聚烯烃电缆料拉伸比可达2.5～3.2 左右。当然，模具选配拉伸比越小，挤出表面会愈光洁，但这在实际生产中是不大可能的，也不可取。针对阻燃聚烯烃电缆料通常挤包于绕包层外作为阻燃护套的特点，经摸索认为挤制低烟无卤阻燃烯烃电缆料时，模芯、模套采用如下配比较合理：模芯内径＝绕包层外径＋（0.6～1.5）mm , 模套内径＝电缆标称外径＋（2～7) mm 。普通阻燃及低烟低卤阻燃聚烯烃电缆料模芯内径、模套外径可适当放大。
4 挤塑工艺
挤塑工艺主要包括挤出温度及螺杆转速的设置。随配方体系不同各种阻燃聚烯烃电缆料的挤出温度也有所不同。另外，同一种阻燃聚烯烃电缆料在不同的挤出设备上挤出温度也不同，主要随挤出机螺杆结构不同而相异。因这类电缆料均含有一定数量的填充，挤塑过程中均会摩擦生热从而引起温升，但在有外界风冷或螺杆冷却的条件下，经过一段时间温升后会趋于平衡。所以，挤塑时初始温度可设定比正常挤出温度低5～10℃ 左右，这样可以IT维保
保证当挤塑趋于稳定时，温度正好位于材料正常挤出温度范围之内，可以较好地控制挤出的工艺温度，不致造成生产过程中挤塑质量出现波动。一般情况下，低烟无卤阻燃聚烯烃电缆料比低烟低卤及普通阻燃聚燃烃电缆料摩擦升温快、工艺温度范围窄。对于阻燃聚烯烃电缆料来说，挤塑时螺杆转速的设置也是一个不容忽视的问题。基于其配方特点，挤塑时它不可能达到非阻燃聚烯烃电缆料那样快的螺杆转速，其原因主要为：（1）螺杆转速快后物料受到的剪切作用大，易引起其中的阻燃剂机械热分解；（2）螺杆转速快后物料摩擦生热也大，温度难于控制，易造成阻燃剂受热分解。例如：对低烟无卤阻燃聚烯烃电缆料而言，在普通Φ90 挤出机上，当螺杆转速超过20～22 r/min 时，即使在较低挤出温度下也会造成无卤阻燃剂分解，导致挤出表面毛糙。而且在这种情况下对于只有风冷的挤塑设备来说，其工艺温度是难于控制的，会一直往上升。但对于低烟低卤及普通阻燃聚烯烃电缆料来说，温度难于控制的情况比较少见，只是有可能造成阻燃剂机械热分解，引起挤出表面毛糙。一般这类电缆料在Φ90 挤出机上挤出时螺杆转速可达35～40r / min 甚至更高。另外，对于低烟无卤阻燃聚烯烃电缆料来说，因其挤塑过程中主机电流一般比较大，当螺杆转速过快时很容易引起主机电流过大，导致电机超负荷运转。图1为几类聚烯烃电缆料在Φ45 挤出机上挤塑时主机电流比较情况。
图1 聚烯烃电缆料挤塑时主机电流的比较
谈到主机电流，值得一提的是，对低烟无卤阻燃聚烯烃电缆料来说，还存在螺杆选型的问题。L/D为20 或24 的普通单螺纹螺杆最适合于这类电缆料，而剪切作用较大的双螺纹螺杆、屏障式螺杆、带密炼块螺杆等则很难适应。使用这些螺杆挤塑低烟无卤阻燃烯烃电缆料时，一方面会出现以上提到的温度难控、挤出表面不太理想等情况，另外还会出现螺杆扭矩、主机电流较大的现象。电缆生产厂家在使用低烟无卤阻燃聚烯烃电缆料时必须注意到这一点。5 结论
( 1 ）阻燃聚烯烃电缆料适宜使用剪切作用及挤压力较小的螺杆进行挤塑，并要求挤出设备
有较好的冷却装备（例如：各温控区均有风冷，大规格螺杆其芯部应有冷却）。
( 2 ）阻燃聚烯烃电缆料拉伸比比非阻燃聚烯烃电缆料小，对挤塑模具的选配有一定要求。
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( 3 ）阻燃聚烯烃电缆料与非阻燃聚烯烃电缆料相比，挤塑时工艺温度范围较窄、主机电流较大，要求螺杆转速较低。这一点，低烟无卤阻燃聚烯烃电缆料表现尤为明显。
[参考文献]
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[3] 成都科技大学编．塑料成型模具[M]．轻工业出版社，1982
[4] 耿孝正，张沛．塑料混合及设备[M]．中国轻工业出版社，1992
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