В целях защиты окружающей среды те страны, которые заботятся об экологии, начинают постепенно переходить к применению малодымных безгалогенных огнестойких проводов из сшитого полиэтилена.
Концепция
Проводящими материалами кабелей обычно являются медь и алюминий, другие материалы в основном используются в качестве изоляции. Первоначально изоляционным материалом для проводов и кабелей был поливинилхлорид, но он содержал галогены, а случайное возгорание проводов и кабелей приводило к выделению токсичных паров, что серьезно загрязняло окружающую среду и мешало тушению пожаров и эвакуации людей.
К экологически чистым проводам и кабелям относятся изделия, в которых используются «зелёные» изоляционные материалы. При горении они не выделяют вредных веществ, антипирены не содержат галогенов, не выделяют токсичных газов при повседневной эксплуатации. Кроме того, не используются добавки, содержащие вредные тяжелые металлы, и не добавляются пластификаторы, необходимые для обычного ПВХ, многие из которых являются канцерогенными и тератогенными. Экологически чистые провода – это так называемые зелёные провода, не содержащие вредных для окружающей среды веществ.
Статус разработки
Развитые страны всегда придавали большое значение исследованиям, разработкам и продвижению малодымных безгалогенных огнестойких проводов и кабелей и связанных с ними материалов. Особенно это касается высотных зданий, метро, станций, аэропортов, электростанций, торговых центров и других относительно закрытых и многолюдных зданий и сооружений. В последние годы развитые страны ограничили использование в электрическом и электронном оборудовании тяжёлых металлов, таких как свинец и кадмий, и бромидов, таких как полибромированные бифенилы (ПБД) и полибромированные дифениловые эфиры (ПБДЭ).
Гиганты электронной и электротехнической промышленности в развитых странах сформулировали их собственные «зелёные планы» по запрещению или ограничению использования тяжелых металлов и галогенов, которые вредны для организма человека и окружающей среды, провели много исследований и разработок, а также запустили множество серий «зелёных» проводов и кабелей для электронных и электрических приборов. Некоторые страны, такие как Швейцария и Германия, решительно выступают против применения ПВХ. Они разработали строгие законы, ограничивающие и, в конечном итоге, исключающие применение ПВХ.
В Китае разработка и использование экологически чистых проводов и кабелей и связанных с ними материалов отстают от передовых в этом отношении стран примерно на 10 лет. Лишь после 2000 года КНР постепенно избавилась от ситуации полной зависимости от импорта. В настоящее время характеристики китайских малодымных безгалогенных огнестойких проводов и кабелей и связанных с ними материалов отвечают соответствующим национальным и международным стандартам. Но осведомленность людей о защите окружающей среды и безопасности по-прежнему нуждается в улучшении, а продукты – в активном продвижении на рынке.
Экологические характеристики
По сравнению с обычными кабелями и проводами экологически чистые обладают улучшенными характеристиками. Так называемые зелёные провода содержат меньше вредных веществ и меньше загрязняют почву и источники воды. В то время как обычные провода и кабели – это изделия с содержанием свинца, кадмия, ртути, шестивалентного хрома, полибромбифенилов и полибромдифениловых эфиров, подпадающие под действие правил ЕС RoHS.
Экологически чистые провода и кабели обладают отличными огнестойкими характеристиками. Применение таких проводов может предотвратить быстрое распространение пламени при столкновении с источниками огня, ограничить его площадь, и минимизировать потери.
Улучшенная огнестойкая проволока для защиты окружающей среды относится к безгалогенному типу, который не только полностью соответствует требованиям обычного огнестойкого изделия, но также не содержит галогенов и не будет выделять вредный и агрессивный газ после горения. В соответствии с требованиями охраны окружающей среды производители огнестойкой проволоки гарантируют, что газ, выделяющийся при сгорании, имеет характеристики малодымного, безгалогенного и малотоксичного. При этом не происходит снижения степени огнестойкости изделия.
В случае возникновения пожара у персонала гораздо больше шансов спастись, если в помещении проложен «зелёный» кабель. В то время как изоляционный слой обычного электрокабеля сгорает огнём, качественный экологически чистый провод лишь выделяет небольшое количество белого дыма, представляющего собой водяной пар.
Термостойкость, пропускная способность
Повышается уровень устойчивости к высоким температурам, увеличивается допустимая нагрузка по току. Как правило, уровень термостойкости обычных проводов из ПВХ составляет 70 °C, а термостойкость усовершенствованных проводов – 105 °C, 125 °C и 150 °C, что на 30–60 °C выше, чем у обычных кабелей. После соответствующих испытаний пропускная способность экологически чистых проводов с теми же характеристиками и поперечным сечением может быть увеличена более чем на 30–50% по сравнению с обычными проводами, а степень сшивания может быть увеличена даже более чем на 80%.
Безгалогенные экологически чистые провода, как правило, представляют собой сшитые продукты. В последние годы кабельная промышленность в целом перешла к процессу радиационного сшивания. Благодаря специальной ядерной технологии обработки высокоэнергетическими электронами молекулярная структура полиолефиновых материалов изменяется. Исходная линейная структура преобразуется в сетчатую. Этот процесс улучшает рабочую температуру кабеля и способность противостоять мгновенному высокому потоку во время коротких замыканий, значительно повышает уровень термостойкости.
Хотя стоимость усовершенствованных экологически чистых огнестойких проводов повысилась, они более рентабельны. При той же пропускной способности их стоимость получается ниже.
Безопасность
После воспламенения обычных проводов и кабелей образуется большое количество густого ядовитого дыма. В прошлых пожарах из-за него пострадавшие не могли определить направление для выхода и паниковали. Это продлевало время, проведенное на месте возгорания. Кроме того, большинство жертв пожара погибали от удушья из-за вдыхания ядовитого газа. Именно он является убийцей номер один при пожаре.
Развитые страны разработали безгалогенные и малодымные кабели в 1980-х гг. и настоятельно рекомендуют использовать такие безвредные провода и постепенного отказываться от использования изделий из токсичного ПВХ. Токсичность, выделяемая галогенсодержащими кабелями при пожаре, очень высока. Если индекс токсичности концентрации газа, способной вызвать смерть через 30 минут, равен 1, то индекс токсичности ПВХ равен 15,01. Индекс токсичности безгалогенных полиолефинов – 0,79. Люди могут выжить только в течение 2 минут в дыму от горения ПВХ, но с материалами, не содержащими галогенов, выживание людей в дыму может быть увеличено до 40 минут, что значительно продлевает время эвакуации в случае пожара.
Кроме того светопроницаемость дыма, излучаемого ПВХ-кабелем, составляет менее 15%. Это означает, что расстояние видимости невооруженным глазом человека при такой концентрации дыма равно примерно двум метрам. При пожаре сильный и рассеянный дым вызывает у пострадавшего головокружение и неспособность различать направление, продлевая время пребывания в огне, что приводит к дальнейшему вдыханию дыма и ядовитых газов и, как следствие, удушью.
В ходе многочисленных испытаний было обнаружено, что плотность дыма и количество улетучивающегося галогенокислотного газа, выделяющихся при сжигании материала с полиолефином в качестве основного материала и гидратированного соединения металла Al(OH)3 или Mg(OH)3 в качестве антипирена (огнезащитного состава), соответствуют требованиям стандартов IEC. Al(OH)3 или Mg(OH)2 представляет собой неорганический гидроксид, обладающий отличной огнестойкостью, а также низкой токсичностью, способностью к подавлению дыма и стойкостью к коррозии. Антипиреновые свойства и хорошее подавление дыма одинаково важны.
В общей сложности 370 человек погибли в пожарах в театре «Карамай» в Синьцзяне и видеостудии в Цзяозуо, провинция Хэнань. Наиболее вредными факторами при этих пожарах были ядовитые газы и дым. Безгалогенные малодымные негорючие экологически чистые провода и кабели решают эту проблему. Они используются в закрытых помещениях, где собирается много людей, а также в высотных зданиях и строениях средней высоты. Провода Nancian, произведенные Guangdong Nancable Cable, успешно применяют в метро Гуанчжоу, телебашне в Гуанчжоу (Canton Tower), аэропорту Цзеян Чаошань, отеле Гуанчжоу Shangri-La, метро Шэньчжэня и других местах, где требуется высокий уровень безопасности во всех сферах жизни.
В 2004 году началась разработка малодымных безгалогенных огнезащитных материалов. Их преимущества – малодымность и нетоксичность. При горении открытым пламенем образуются оксиды металлов и водяной пар. Малодымный безгалогенный огнезащитный полиолефин создан на основе безгалогенного полиолефина, а в полиэтиленовую матрицу замешано большое количество гидроксида магния или гидроксида алюминия, активированного EVA (сополимер этилена и винилацетата). Когда гидроксид сжигается и нагревается, он разлагается на оксиды металлов и воду. Формула реакции выглядит следующим образом:
Mg(OH)2→MgO+H2O эндотермический
2Al(OH)3→Al 2O3+3H2O эндотермический
Малодымный безгалогенный полиолефин является огнезащитным за счёт:
- эндотермической изоляции кислорода и оксида металла. В результате реакции поглощается много тепла в окружающем воздухе и снижается температура поверхности провода и кабеля;
- образующихся молекул воды, которые также поглощают много тепла на поверхности провода и кабеля, а водяной пар изолирует кислород;
- образующихся оксидов металлов корки, которые препятствуют повторному контакту кислорода с органическим веществом.
Срок службы
Основываясь на опыте международных экспериментальных исследований и эксплуатации полимерных материалов на протяжении нескольких десятилетий, был сделан вывод, что химическая реакция термической долговечности провода и кабеля в определенном диапазоне рабочих температур в большинстве случаев соответствует формуле:
lnS=a+bT,
в которой S – срок службы изделия при условии температуры T; T – рабочая температура; a, b – неопределенные коэффициенты.
Эта формула использовалась в течение десятилетий, она верна во многих случаях. При заданной рабочей температуре неопределенные коэффициенты a и b могут быть рассчитаны экспериментально и логическим путем. Используя эту формулу, можно рассчитать срок службы S. Если значение больше, чем ожидаемое значение, требование расчетного срока службы выполнено.
Инспекционный центр провел долгосрочные испытания на термическое старение нескольких видов жил с изоляцией из сшитого полиэтилена (или сшитого полиолефина) в Китае и за рубежом. В результате выяснилось, что предполагаемый срок службы составляет от 40 до 60 лет при рабочей температуре 90 ℃ и более 100 лет при комнатной температуре или ниже 50 ℃.
При написании данного материала использовались следующие статьи:
«Краткое обсуждение экологически чистых проводов и кабелей» («Вестник научно-технических инноваций»);
«Дискуссия о важности предотвращения пожаров в электрических краевых кабелях в строительстве» («Китайский академический журнал», электронное издательство China Academic Journal);
«Испытание на термическое старение и оценка срока службы низковольтных кабелей из сшитого полиэтилена»;
«Пропускная способность одиночного морского кабеля» и другие документы.