专利名称：对火焰蔓延和烟雾形成具有超级阻抗力的电缆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种对火焰蔓延和烟雾形成具有超级阻抗力的电缆。
在许多建筑物的结构中，称为吊饰天花板(dropceiling)的终饰天花板间隔安装在例如混凝土的结构楼板的下面。该吊饰天花板支撑灯具固定装置和其它安装在天花板上的物品，而该天花板与悬挂该天花板的结构楼板之间的空间用作加热和冷却系统中部件的回风-通风通道(return-air-Plenum)以及便于对通信计算机和报警系统电缆的安装定位。这些通道很少在每一层的长度和宽度范围内是连续不断的。
当楼板与其下的吊饰天花板之间的区域着火时，该火焰可能为墙和其它包围该区域的建筑部件所包含。然而，当该火焰抵达通风通道，并且如果可燃材料占据该通道时，该火焰会迅速蔓延建筑物的整个楼层，而烟雾可通过该通风道传播到相邻区域。火焰可沿安装在通风道中的通信电缆长度方向传播，该通信电缆包含各自用塑料材料绝缘的、并用一个包含塑料材料的外套所包覆的多根导线。
由于这种火焰蔓延、散发烟雾的可能性，尤其当火焰受助于电缆的可燃绝缘体时情况更为严重，1975年版的国家电气法典(NEC)禁止在通风道中使用电缆，除非这些电缆用金属导管包围。因为刚性金属导管难以在充满其它东西的通风道中选择路由，所以办公室电话的重新布局，这在有些公司几乎是每年都要进行的事，费用极为昂贵。然而，该法典对这种过高费用需求允许某种例外。例如，阻燃的、产生少量烟雾的电缆不装金属导管也是允许的，只要该电缆已经由诸如众所周知的保险业实验室(UnderwritersLaboratories)测试和许可。
同时在建筑物中，也需将电缆用于升降机竖井中。这种电缆不应太重，否则，难以拉覆盖若干楼层的这么长的电缆。合格的升降机电缆也受到由保险业实验室提出的要求的管制。
所需要的是可廉价制造的为建筑物使用的电缆，这种电缆满足NEC对阻燃和发烟的要求并具有优良的机械性能，尤其是机械柔顺性。
在市场上，包含有纸芯包裹并由相当厚金属屏蔽包裹的线芯的电缆是可用的，但这种电缆较为刚性，在通道中多少有点难以操纵而且在安装对必须注意对可能造成的电击的防护，这种电击可能由上述电缆与通风道中暴露的电力设施线路或设备啮合的金属铠装所引起。此外，在上述电缆满足法规的火焰蔓延要求的同时，与包裹导线的金属屏蔽的贴紧防止了可有效封闭火焰周围电缆部分并减少烟雾产生的导线绝缘体的烧焦。含氟聚合物塑料材料已被接受作为通风道电缆的包覆材料而无需使用金属导管，但该材料比较昂贵并且难以加工处理。阻燃的基于聚氯乙烯的材料目前正在作为通风道级材料加以开发，但它们通常比用作绝缘材料的含氟聚合物有大得多的介电常数。
解决火焰蔓延和烟雾形成问题的一个途径是在电缆中加入一个阻挡层。该先有技术包括一种具有由无机的多孔材料制成并包围线芯的阻挡层以及其纵向边缘部分形成接缝的金属阻挡层的电缆。为了能够向外反射幅射热，该金属阻挡层的朝外主表面具有0.039到0.057范围的幅射率。该金属阻挡层覆盖有内胶带和第二胶带，所述内胶带包含至少有半透光度和较低热扩散率的热固材料，该热固材料在最佳实施例中的热扩散率范围大约为0.0008至0.001cm2/秒，所述第二胶带和内胶带相同。该内部和外部胶带围绕金属阻挡层缠卷以形成封闭的重迭接缝。在以C.J.Arroyo，N.J.Cogelia和R.J.Darsey名义于1981年8月18日颁布的美国专利4284842中公开了这样一种电缆。
在这里结合参考的、1987年6月2日提交的欧洲专利申请0248404中公开了另一种包括具有增强的阻燃特性的乙烯共聚物的阻挡层材料。该组合物包括乙烯共聚物、铝三水合物和碳酸钙或钙镁碳化物或两者以及磷酸酯的混合物。最好，该组合物可包含硼硅玻璃。磷酸酯增加了该组合物的柔顺性。该材料分解或燃烧时，铝和钙的组分形成具有多孔结构的陶瓷粉灰。在该粉末形成时，该粉灰便成了热的绝缘体。硼硅玻璃用于以比通常活化Ca-Al化合物的温度要低的温度硬化该粉灰。
提供超级阻燃通信电缆的一个问题是满足彼此相对立的特性。绝缘材料的理想特性是较低的介电常数。这在顾客要求的较高传输频率和比特速率的当今世界尤为重要。然而，先有技术的绝缘材料，例如聚乙烯，比如它呈现较低介电常数，但并没有适于阻碍火焰蔓延和烟雾形成的性能。
使用从电特性观点看合乎要求的有机树脂的一种常规解决办法是加入可延迟火焰形成的添加剂。这种解决方案有局限性。阻燃添加剂只能延迟火的发生，并且一旦温度超过临界阀值便会失去效力。同时，使用囟化的和含磷阻燃剂可能散发含有腐蚀性气体的烟雾。此外，添加低分子量的囟化的或含磷组分会导致该组合材料中机械特性的增塑效应。添加提供阻燃特性的矿物填料可兼顾该组合材料的机械特性，最好当然应兼顾电学性能。通常，所用塑性电缆材料的阻燃性越好，由于要求加入添加组分使得介电常数也越高。目前，尚未出现被广为接受的在大火环境内使用具有添加剂百分比较小的聚烯烃绝缘体的途径。
尽管廉价的囟化塑料是阻燃的，但它们并不具备合乎要求的介电性能。例如，聚氯乙烯(PVC)材料可用作通风道电缆，但它们有相当高的介电常数。
绝缘的和外套的组合物两者附加的所需特性是没有内在的或添加基于减少腐蚀性燃烧气体的所需的囟素。例如，在纤维光缆中问题已从介电常数转移到腐蚀性。在这种电缆中，因为并不关心介电常数，而寻求非囟化材料以避免腐蚀性问题。
所需要的和先有技术并未提供的是这样一种电缆，其传输介质覆盖有诸如电气或其它特性所限定的塑性材料，所述特性臂如有呈现合乎要求的低介电常数的特性，这种电缆还呈现适于阻碍火焰蔓延和烟雾产生的性能。所寻求的电缆最好成本合理并且易于加工。
由权利要求书提出的本发明的电缆已克服了先有技术的前述种种问题。
图1为按照本发明构造的并具有阻碍火焰和烟雾性能的电缆的端视图;
图2为一建筑物的一部分的正视图，以示出可用本发明电缆的环境;
图3为本发明电缆的端视图;
图4为本发明一个最佳实施例的端视图;以及图5为本发明另一实施例的端视图。
现参考图1，该图示出了以标号20概括表示的电缆。该电缆可用在用户房屋例如建筑物的通风道21中(见图2)。此外，电缆20可用于建筑物升降机(未示出)。另外，该电缆可用于由NEC指定的不太紧迫的火情范畴中。
如图1所见，电缆20包括缆芯22，该缆芯包含诸如一对或多对24-24绝缘金属导体26-26或光纤(未示出)的一个或多个传输介质。缆芯22的外套29由塑性阻燃材料制成。
每个绝缘金属导线包含纵向延伸的金属导体32和缘缘层34。最好，绝缘层34用例如具有较低介电常数ε的聚乙烯的材料制成。用作绝缘层的可接受材料是聚乙烯或其共聚物。光导纤维缆的应用还包括具有合乎要求的诸如工程热塑性的机械性能的缓冲材料。
如众所周知，聚乙烯并不具有令人满意的阻燃特性。对除了阻燃性能外提供可接受介电常数难题的一种显而易见的解决办法是一种或两种特征的折衷。本发明的电缆不牺牲所需的任一特性。
本发明的电缆是这样克服特性冲突问题的，即，使该电缆包括一个设置在火源和塑料绝缘体之间的阻挡层。图1实施例的阻挡层包括在外套29内。
本发明的阻挡层包括一个有机基树脂和一添加剂物系。基树脂可包含聚合物材料、聚氯乙烯(PVC)或橡胶。该聚合物材料可以是有机聚合物，例如聚乙烯，或者是带有选自丙烯、丁烯、戊烷、己烯、C1到C6丙烯酸烷基酯或甲基丙烯酸烷基脂、丙烯酸、甲基丙烯酸和乙酸乙烯酯的一种或多种共聚单体的乙烯共聚物。
添加剂物系至少包括有具有较低熔点的第一无机氧化物组分和具有较高熔点的第二无机氧化物结晶组分。添加剂物系的低温熔化的第一无机氧化物组分在比常规玻璃低得多例如350℃到450℃的温度下开始熔化。参见本文引入作为对比文件的英国专利GB2220208。该无机氧化物组分可称为玻璃原料。在一最佳实施例中，本发明的组合物包括含有大量玻璃状和陶瓷材料的添加剂物系。
可用作添加剂物系的低熔点第一无机氧化物组分的玻璃包括磷酸盐玻璃，例如具有以下克分子(摩尔)百分比的组合物的无机氧化物玻璃1.2%到3.5%的B2O3，50%到75%的P2O5，0%到30%的PbO，0%到5%选自Gu、Ag、Au、Sc、Y、La、Ti、Zr、Hf、V，Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Tc、Re、Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Th、Pd和U的至少一种氧化物，该玻璃包括至少一种选自碱金属氧化物，和至少一种选自碱土金属氧化物和氧化锌的氧化物。当氧化铝含量范围为10到30摩尔百分比，和组合物中P2O5含量范围50到58摩尔百分比时，便形成最佳的含玻璃的氧化铅。参见美国专利4079022，该专利在此结合作为参考。
较高熔点的第二无机氧化物组分是失去光泽的玻璃原料，该玻璃原料在650℃到1000℃间的温度从玻璃态到结晶状态而结晶，并形成封闭该电缆内部的壳层。最好是，该第二无机氧化物组分维持刚硬直到高达约1100℃温度。该第二无机氧化物组分可以是破碎的陶瓷纤维和(或)玄武岩纤维。最佳陶瓷纤维是多晶高铝红柱石纤维(Al2O3/SiO2)。参见英国专利GB2220208。
市场上可以得到的大量玻璃状和陶瓷材料是称为Ceepree纤维阻挡层的填料，该材料由ICI所销售。在A.S.Piers所写的，题为火灾情况下组合物材料的增强特性”的论文中描述了这样一种材料。该论文发表在1991年10月23-24日在伦敦的海洋环境聚合物的会议上。在1991年5月14-16日举行的“阻燃聚合材料最近进展”的第二次会议论文集第11卷中的一篇论文也描述了这样一种材料，该论文集由M.Levin和G.S.Kirshenbaum编辑，由保留版权的Buruss通信公司1991年出版。同时，该论文收入1990年5月由ISISodaAshProducts分发的小册子中，该小册子记录了1990年1月17-18日在英国伦敦发表的文献。
该添加剂物系也可包括其它组分。例如，可包括二价或三价金属的水合物组分或氢氧化物或碳化物。该组分在分解时吸热并释放水蒸汽或二氧化碳，该组分通过冷却基质及冲淡可燃气体来阻止火焰蔓延。同时还可包括诸如无机硼酸盐或用于增强炭的形成的有机硼酸酯的添加剂。该硼酸盐由于加有发泡剂可膨胀，即随着烧焦引起的膨胀。可加入的其它组分是可释放水蒸汽并且可在减少烟雾形成的同时用作形成密封剂的附加屏障的硼酸锌、提供热的屏障的云母以及形成与水合金属组合物协同阻燃的传输金属络合物(transitionmetalcomplexes)。添加的这些其它组分当承受强热和高温时分解，形成(例如)是由微孔体构成的陶瓷灰粉的刚硬泡沫体。该微孔有助于形成对热传导的屏障。
如前所述，本发明电缆的玻璃纤维或颗粒在受到大约350℃范围的温度时开始熔化。这是对1500℃范围内熔化的典型玻璃公式的一种变化。而且，该玻璃纤维在正常火焰温度下不会再熔化。
这种熔化会造成燃烧基树脂周围的玻璃状材料的流动。燃烧的树脂或其尚未分解的部分被密封。这种密封的结果是阻止了缆芯接触氧气，从而杜绝了含碳分解产物作为烟雾发散出来。提供了一种非常稳定的炭化结构并减少了烟雾的产生。第一无机氧化物组分密封并融化于可燃材料、炭、加强纤维和任何填料。
同时，如前所述，在大约650℃或更高温度时，较高熔点的第二无机氧化物组分失去光泽，即从玻璃态变至结晶态。结果，添加剂粘度增大，组合物固化成固态。当第二玻璃原料硬化时，便与来自有机基树脂的炭结合在一起。其结果形成硬的，保护性的阻挡层。该硬壳层阻止了烟雾毒气和火焰的通过。因此，禁止了火焰蔓延和烟雾扩散。该阻挡层这样密封并与可燃材料，炭、加强纤维和任何填料相熔合。所产生的结晶结构提供温度高达1100℃左右的热防护作用。
玻璃状和陶瓷材料的混合体并不延迟燃烧，而是与基树脂结合抵抗热能侵入并维护该电缆的电路完整性。燃烧的延迟目的可通过加入前述炭化和水合物添加剂来实现。
可用其它任何形式在电缆20中实现玻璃陶瓷混合物，例如，该混合物可包括在浸过粘着材料的玻璃纤维或颗粒的胶带中以将玻璃结合在一起。另一方面，该玻璃细纤维或颗粒可与用在该电缆的另一塑料材料进行双面挤压。例如，在纤维光缆中玻璃可与缆芯管共同挤压，该缆芯管包括包围纤芯的管状塑料件。
其它实施例包括在图3、4和5中所示的实例。在图3中，示出了总的以标号40表示的本发明电缆的一个实施例、电缆40包括缆芯42，该缆芯42包括多对绝缘导线26-26，每根绝缘导线包括金属导体32和绝缘壳体34。以螺旋或纵向(未示出)围绕缆芯缠绕以形成纵向重叠接缝46的胶带44，将该缆芯42包裹其内。包含例如阻燃聚乙烯或其共聚物或聚氯乙烯的塑料材料的外套管48封闭胶带44。当然，本发明的电缆可包括带有或不带有金属导体的光导纤维(未示出)。
胶带44提供阻止可燃气体和烟雾通过的阻挡层。胶带44包含诸如热塑聚乙烯或其共聚物，聚氯乙烯的基质树脂或诸如环氧树脂的典型固化以及添加剂物系。添加剂中含有诸如前面所述在大约350℃开始熔化的低熔点玻璃原料以及结晶并提供硬壳层的较高熔点的晶化玻璃原料。
图4示出本发明电缆的另一实施例。总的用标号50表示的电缆包括含有一绝缘金属导线26-26或光纤(未示出)的一对或多对24-24的缆芯52。缆芯上设有外套管54，该外套管54由例如聚乙烯或其共聚物，聚氯乙烯或EPDM橡胶等的塑性材料制成。塑料外套管54四周设有一受到至少350℃温度便固定的层56以形成阻挡层。阻挡层56可为施加的涂层或者可与外套管54一起挤压成层。对特定应用来说，包括缆芯62和外套管64的电缆60(见图5)可包括挤压成的与外套管内表面啮合的阻挡层66。
对图1实施例而言，外套管含有聚合基材约占重量10%到50%，无机氧化物组分除外的添加物系约占重量5%到60%，以及约5%到40%的无机氧化物组分。如使用图3的胶带，该胶带包括约占重量1%到30%的聚合基材，大约5%到60%的添加剂，以及5%到50%的无机氧化物组分。当使用例如图4或图5所示的涂层或挤压层时，每一种组分的重量百分比取决于电缆特性，例如，所希望的机械特性。共挤压阻挡层的典型成份包含大约10%到50%的聚合基材，大约5%到70%不含无机氧化物组分的添加剂物系以及大约5%到60%的无机氧化物组分。
本发明的阻挡层系允许在电缆材料的缆芯中使用，该电缆材料有相当好的介电特性，并相当便宜，但没有象例如TEFLON塑料那样理想的阻燃特性。好处在于，利用本发明的阻挡层系可在缆芯中使用相当好的介电材料，同时外套管或胶带或共挤压外套管形成了阻挡层以封闭缆芯从而防止火焰蔓延及烟雾扩散。当然，如使用外套管上的共挤压层或涂层，可密封包括外套管的整个电缆。
优点在于本发明电缆阻挡层的功能不同于阻燃添加剂的功能。它并非总是延迟燃烧，而是引起主材料即聚合材料能阻止火焰渗透以及伴随的烟雾和可燃物的释放，从而减少对整体性和相关机械特性的损
权利要求
1.一种阻燃通信电缆，所述电缆包括含有至少一种传输介质的缆芯，该通信电缆的特征在于阻燃装置，该装置包括一种含有以受到至少大约350℃温度时便熔化为其特征的第一无机氧化物组分、和在650℃左右开始结晶的第二无机氧化物组分以及有机基树脂的混合材料，所述阻燃装置可在所述电缆处在大约350℃到1000℃范围温度内时形成将所述缆芯与热能隔绝并使可燃气体和烟雾的散发减至最少的硬壳层。
2.如权利要求1所述电缆，还包括外部的外套管，所述外部外套管包括其中散布有所述第一和所述第二无机氧化物组分的有机塑性树脂基材。
3.如权利要求2的所述电缆，其中，所述外部外套管的所述塑性树脂选自由聚氯乙烯、聚烯烃、聚氨基甲酸(乙)酯及其共聚物。
4.如权利要求3的所述电缆，其中，所述聚烯烃选自由聚乙烯和聚丙烯构成的组中。
5.如权利要求3所述的电缆，其中，所述共聚物包括选自由丙烯、丁烯、戊烯、己烯、C1到C6丙烯酸烷基脂或甲基丙烯酸烷基酯，丙烯酸、甲基丙烯酸和乙酸乙烯酯构成的组中的共聚单体。
6.如权利要求1的所述电缆，其中，所述阻燃装置包括选自由水合金属组分、二价或三价金属氢氧化物或碳化物，无机磷酸盐、有机磷酸盐、硼酸锌、云母和传导金属络合物构成的组中的附加添加剂。
7.如权利要求1所述的电缆，其中，所述第一无机组分包含大约1.2%到3.5%的B2O3，50%到72%的P2O5，0%到30%的PbO，0%到5%的至少一种氧化物，该氧化物选自Gu、Ag、Au、Sc、Y、La、Ti、Zr、Hf、V，Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Tc、Re、Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Th、Pd和U的氧化物构成的组。
8.如权利要求1所述的电缆，其中，所述电缆包括一外部外套管，该外套管包括塑性材料和已围绕所述缆芯缠绕的纵向延展的胶带，所述纵向延展的胶带包括所述阻燃装置。
9.如权利要求8所述的电缆，其中，所述外部外套管由塑性材料组成，该塑性材料选自包含聚乙烯，聚乙烯共聚物、聚氯乙烯共聚物和EPDM橡胶构成的组。
10.如权利要求1所述的电缆，还包括外部外套管和与所述外部外套管邻接的阻挡层，所述阻挡层包括所述阻燃装置。
全文摘要
有较低介电常数的通信电缆(20)其每一传输介质外设有塑料。该电缆因含有机树脂及第一第二无机氧化物混合的阻燃化合物而呈现极低的火焰蔓延和烟雾散发性并维持电路完整性。该第一无机氧化物组分的熔点大约为350℃范围。第二无机氧化物组分包含大约650℃开始结晶的较高温溶化的结晶玻璃原料，当电缆处于高温时，第一和第二无机氧化物组分混合物溶化并形成介于包覆塑料和其它电缆组分之间的硬壳层。
文档编号H01B11/00GK1077050SQ93102638
公开日1993年10月6日 申请日期1993年3月5日 优先权日1992年3月6日
发明者P·R·迪金森 申请人:美国电话电报公司