非滷化塑料材料建築物纜線的製作方法

2023-07-31 06:11:11

專利名稱：非滷化塑料材料建築物纜線的製作方法
技術領域：
本發明與非滷化塑料材料建築物纜線有關。
在許多建築施工中，完成的天花板稱為頂棚，舉例而言，在混凝土結構樓板下面有一個距離。照明設施及其它設施露在頂棚外面。頂棚與懸掛頂棚的結構樓板間的空間，用作冷暖氣系統的回氣通槽，並作安裝包括電子計算機及警報系統等的通信纜線的便利所在。通信纜線包括用於電話，計算機，控制器，警報器及相關系統的通信，數據及信號纜線。這類通風槽通過樓板的全部長度及寬度的情況並不罕見。並且，計算機室的升高的地板下的空間，如果與通道或通風槽連接，也作通風槽考慮。
樓板與頂棚之間的區域發生火警時，可將火情局限在圈圍這區域的壁和其他建築構件中。但假如火情達到通風槽，並且可燃材料佔據通風槽，則火勢可能迅速蔓延建築的整個樓層。如纜線不屬通槽專用等級，則可能沿纜線的安裝長度傳布。而且煙氣可能經通風槽傳布到鄰近區域或其它樓層。
包圍絕緣銅芯線並僅有傳統的塑料裹皮的非通風槽用纜線護皮體系，沒有合格的防火焰蔓延及防生煙性能。當這種纜線的溫度升高時，裹皮材料開始炭化。然後裹皮內的導線絕緣層分解並炭化。假如裹皮焦炭保持完整，則對芯線有絕緣作用;否則，由於絕緣層炭膨脹，或接觸高溫的絕緣層產生的氣體的壓力使完整體破裂，則使裹皮及絕緣層的潔淨內部暴露於高溫。於是裹皮及絕緣層開始熱解，增加排出的可燃氣體。這些氣體著火，並由於通風槽中的氣流，燃燒到火焰波及範圍以外，使火焰擴大，產生煙氣並可能產生有毒及腐蝕氣體。
全國電器規範(NEC)作為總則規定，通風槽中的限定功率的纜線，必須放在金屬導管內。通風槽用通信纜金屬導管的投資相當大。並且，導管相當軟，在槽中很難維護。而且，安裝時務必注意、防止可能的電擊，因為導管接觸可能暴露的運轉電纜或設備時，便可能發生電擊。但是NEC對這規定允許有些例外，假如這種電纜經獨立的試驗機構，如保險業實驗室(UL)檢驗合格，認為有適當的低速火焰擴散及煙氣產生性能等。電纜的火焰擴散及煙氣發生速度的測量，採用UL910試驗空氣輸送空間用電纜及光導纖維纜防火及防煙性能標準試驗法。參閱S.Kaufman著《1987年全國電器規範關於電纜規定》，原載《1986年國際電纜討論會會議錄》第545頁。
一種有銅芯線的先有技術通風槽電纜在美國專利第4，284，842號中已有揭示。將芯線裹在一層耐熱裹芯材料，一層波紋金屬屏蔽及二層半透明螺旋裹帶內。上述護皮體系特別適合通風槽大直徑銅纜，其芯線傳熱決定於護皮體系熱反射性能。
先有技術領域也已經提到通過採用含氟聚合物電纜裹皮造成的火焰蔓延及煙氣發生的問題。利用上述條件和其它的材料層，控制炭的增長，裹皮的完整性及空氣的滲透，儘管減小對選用芯線內的絕緣材料的限制。已有市售的含氟聚合材料合格作通風槽纜的導線的主絕緣覆蓋層及裹皮材料，而不需使用金屬導管。美國專利第4，605，818號揭示的先有領域的通風槽小直徑纜線，護皮體系有一層織造材料，用碳氟樹脂浸漬，圍裹芯線。織造層的透氣性很低，足以減少通過織造層的氣流，以延緩向芯線傳熱。用一個可擠壓成形的含氟聚合物材料的外裹皮圍裹織造材料層。最新描述的電纜設計使用相當大量的氟，也就是滷素。含氟聚合物較難加工。並且某些含氟材料有相當高的介電常數，作通信導線的絕緣不受歡迎。
擴大使用光導纖維作從迴路向建築物用具系統的傳遞媒介的動向，使通風槽纜線設計的合格問題變得較為複雜。不僅必須保證光導纖維的傳輸性能不下降，而且它的性能與銅導線性能相差很大，要求特殊處理方法。光導玻璃纖維機械性弱，在拉載荷下出現低應變斷裂，相當小的彎曲半徑的彎曲便會降低光的傳導。彎度造成的導光性減低稱為微彎損耗。這種損耗可以裹皮與芯線耦合時發生。在裹皮冷卻收縮時，或在裹皮材料的熱性能與其中的光導纖維的性能差異大時的溫差收縮，便會造成這種耦合。
用含氟聚合物作通氣槽光導纖維纜線裹皮，無論有無內保護層，都要求對材料性能作特殊考慮，諸如結晶性，裹皮及光導纖維芯線耦合等，都對光導纖維有有害作用。假如裹皮與光導纖維芯線耦合，擠壓成形後，半結晶的含氟聚合塑料材料收縮，壓迫光導纖維，便造成纖維的微彎損耗。此外，其熱脹係數大於玻璃，在熱態運轉條件變化下，危及導光性能的穩定性。並且，在目前的價格下，使用含氟聚合物過多增高纜線成本，並且加工時有特殊要求。
並且含氟聚合物是一種滷化材料。雖然已有含滷材料的纜線存在，並通過了UL910試驗要求，但仍希望能克服在使用諸如氟聚合物和聚氯乙烯等囟化材料方面現仍存在的某些問題。這些材料有不利水平的腐蝕性。如果使用氟聚合物時，在熱影響下產生氟氫酸，造成腐蝕及高度毒性。至於聚氯乙烯則形成氯化氫。
一般講，有若干滷化材料可通過工業試驗。但是，假如滷化材料出現達不到美國工業標準要求的理想性能，則有理由了解為何沒有使用非囟化材料作纜料。先有技術領域認為非囟化材料不合格，因為按照一般規律，這類材料不能阻延火焰，而如能阻延火焰便又可能太軟。通信纜用的材料必須能使製成的纜線通過工業標準試驗。例如如果是通風槽纜線，則須通過UL910試驗。試驗用所謂斯坦納隧道(SteinerTunnel)進行。許多非囟化塑料不能通過這試驗。
美國以外的其化國家使用非囟化材料。有人建議用作導線絕緣材料的非囟化材料之一例，是聚苯撐氧塑料材料。由於這種材料不能順利通過美國工業標準試驗作通風槽用，現有人正在進行的工作謀求取得一種非囟化材料，其合格性能範圍很寬，並且價格合理，而能通過UL910通風槽纜線試驗。這種纜線應能受類型廣泛的用戶注意。
追求的目標是使當前使用的纜線，其中包括滷化材料，不僅應顯現適當的低火焰擴散及低生煙性能，而且能取得範圍廣泛的理想性能，諸如腐蝕及毒性的合格水平。這種纜線尚不屬先有領域範圍。焦點是提出一種符合美國通風槽用纜線標準的滷化纜線。進一步追求的是一種纜線，其特點為有相當低的腐蝕性，毒性合格，而生煙水平低，並易於用合理成本加工。
這種纜線之一是將傳輸介質圍裹在一類覆蓋材料中，這類材料包括聚醚醯亞胺，矽氧烷聚醯亞胺共聚物，和二者的混合物。圍裹傳輸材料的裹皮是一種塑料材料，含聚醚醯亞胺成分。上述用途的纜線符合UL910通風槽纜線要求，顯示相當低的腐蝕性和合格毒性水平。但是用作絕緣及裹皮的材料，比諸如聚乙烯及聚氯乙烯等傳統纜線材料，有較多的加工要求。
現在還在尋求的一種通風槽纜線是價格較低的纜線，其材料較易加工。由於許多纜線用聚烯烴，並由於已經發展了將其加工的先進技術，如果能將一種聚烯烴材料用於可覆蓋傳輸介質及裹皮的材料中，則很有利。
先有技術中的上述問題，已可用本發明克服。本發明的纜線至少有一個傳輸介質。作通信用時，傳輸介質可有光導纖維或金屬導線。傳輸介質用一種塑料材料圍裹，一種塑料材料裹皮圍裹至少一個傳輸介質。圍裹至少一個傳輸介質的塑料材料，及作裹皮材料是一種塑料材料，可用填充的聚烯烴，聚醚醯亞胺，矽氧烷聚醯亞胺共聚物，或後二材料的混合物。並且纜線有一個絕熱層，放在至少一個傳輸介質與該裹皮之間。絕熱層是一種層壓材料，有適當的金屬材料，如鋁等，和選自一個類型的塑料材料，類型中包括聚醚醯亞胺，矽氧烷聚醯亞胺共聚物，聚醯亞胺和聚醚醯亞胺及矽氧烷聚醯亞胺共聚物。
本發明用於建築物通風槽及/或立管有利。符合UL910關於防火焰擴散及生煙的規定。並且，顯現適當的低毒性水平和相對低的腐蝕性。


圖1為本發明有絕熱層的纜線透視;
圖2為圖1中纜線的端部剖視，誇張表示成對導線之間的間隙;
圖3為有通風槽的建築物前視，表示本發明的纜線使用情況;
圖4為圖1及2中纜線絕熱層一部分細節;
圖5及6為本發明另一實施方案的透視及端部剖視。
現參看圖1及2，示號20標示的纜線整體，纜線可用於建築物通風槽。典型建築物通風槽21如圖3所示。有一根本發明的纜線20放在通風槽內。從圖1及2可見，纜線20有芯線22，其中至少有一個傳輸介質。傳輸介質可以是絕緣金屬導線，或光導纖維。並且，芯線22可用芯線裹皮(未示)圍裹。芯線22可以是適用於數據，計算機，警報器及信號器等的網絡，以及音頻通信設備等的芯線。
為在下文中作說明，傳輸介質為絕緣金屬導線26-26的絞合線對24-24。雖然用於通風槽中的某些纜線，可以有25個以上的導線對，但許多纜線有少到六個，四個，二個，乃至至一個導線對。
為使纜線20有阻燃性，低毒性，低腐蝕性和低生煙性能，用有這些性能的塑料材料將金屬導線絕緣。金屬導線可設絕緣層27，材料選自一個類型，其中包括填充聚烯烴，聚醚醯亞胺，矽氧烷聚醯亞胺共聚物，或聚醚醯亞胺及矽氧烷聚醯亞胺共聚物的混合物。理想實施方案用填充聚烯烴材料絕緣的導線。
聚烯烴為一種聚合材料，主要含氫及碳。適用於本發明纜線的聚烯烴的例子，含有聚乙烯乙烯酯，和乙烯及丁烯的共聚物。可用於聚烯烴以提高材料的阻燃性的填料;舉例如三氧化銻及金屬氫氧化物。適合作填充聚烯烴成分的金屬氫氧化物，舉例如氫氧化鎂及氫氧化鋁等。在一種填充聚烯烴中，組分中含三氧化銻約佔重量5%，而在另一種中，含氫氧化鎂約佔重量的20%至70%。此外，填充聚烯烴的組分可含聚烯烴，三氧化銻及金屬氫氧化物，三氧化銻及金屬氫氧化物合共重量，不超過填充聚烯烴組合成分的約70%。
聚醚醯亞胺是一種非晶形熱塑樹脂，通用電氣公司以ULTEM樹脂名稱出售。樹脂的特性在264磅/每平方英寸時，高的撓曲溫度為200℃，有相當高的抗拉強度和彎曲模量，高溫時保持機械性能的能力極好。不用其化添加劑便有本身的阻燃性，極限氧指數為47。
取醚醯亞胺是一種聚醯亞胺，有其它的鍵結合在聚醯亞胺的分子鏈中，提供足夠的柔性可作適宜的熔化加工。保持有優良機械性及耐熱性的芳香醯亞胺特性。聚醚醯亞胺在R.O.Johnson及H.S.Burlhis的文章中有敘述，文名《聚醚醯亞胺一種新高性能熱塑樹脂》，文章原載1983年《高聚合物學雜誌》，第129頁。
如上所述，絕緣層可用一種矽氧烷聚醯亞胺共聚物，這是一種含矽氧烷及醚醯亞胺的適當的共聚物材料。有一種矽氧烷聚醯亞胺的共聚物，諸如SILTEM共聚物，是通用電氣公司出品，是一種非含囟的阻燃性熱塑塑料。抗拉強度為2.8×107的帕斯卡，加德納衝擊指數為13.6牛頓-米。此外，矽氧烷聚醯亞胺的氧指數為46。
在混合組分中，聚醚醯亞胺可在佔組分重量的0%至100%範圍內。矽氧烷聚醯亞胺也可在成分中佔重量的0%到100%範圍內。
在絕緣導線周圍放置一個絕熱層30。絕熱層30為有高反射性金屬材料32的疊層材料(見圖4)，舉例如鋁，並有塑料材料層34。塑料材料層34為非囟化材料，選自一種類型，這類型包括聚醚醯亞胺，矽氧烷聚醯亞胺共聚物，聚醯亞胺，及聚醚醯亞胺與矽氧烷聚醯亞胺共聚物的混合物等。在理想實施方案中，疊層材料無波紋，金屬厚度為0.003公分，塑料層厚度0.003公分。
絕熱層30放在芯線周圍，包圍芯線。從圖1可見，疊層材料裹在芯線周圍，形成縱向搭接接縫38，或在芯線周圍螺旋纏繞。在理想實施方案中，將疊層材料30放在芯線周圍，使疊層材料的金屬部分向外。
為將熱反射出去，疊層材料的大部表面的輻射率約在0.039至0.057範圍內。絕熱層有效容納芯線，防止壓迫芯線。這是一個理想特點，光導纖維受到不利的壓迫會造成不可容許的損耗。
而且，纜線有繃帶40，圍繞縱向圍裹有絕熱層。繃帶用於將絕熱層與芯線綁在一起，可用玻璃纖維或卡夫拉(KEVLAR)紗線。
將裹皮48放在芯線及絕熱層周圍。裹皮48用塑料材料，諸如填充聚烯烴，用作金屬導線的絕緣層。對可預計到的線對尺寸，裹皮48典型厚度約0.05公分。
應注意裹皮可用填充聚烯烴塑料以外的其它材料。例如，絕緣層及/或裹皮的成分，可含有聚醚醯亞胺，矽氧烷聚醯亞胺共聚物，或聚醚醯亞胺和矽氧烷聚醯亞胺共聚物的混合物，各組分佔組合成分重量約0%到100%。在理想方案中，裹皮為填充聚烯烴材料。
雖然至此揭示的本發明纜線有絞合金屬導線對，但設置有光導纖維54-54構成芯線52的纜線50(見圖5及6)也屬於本發明的範圍。光導纖維54-54圍線中心組織件55排列。圍繞裡面的光導纖維54-54設有緩衝層56的光導纖維光纜，最好用矽氧烷聚醯亞胺共聚物作緩衝層材料。矽氧烷聚醯亞胺共聚物比聚醚醯亞胺有較大的柔性，從而可減少造成光導纖維微彎損耗的可能性。芯線52放在裹皮62中的絕熱層60中的加強件體系58內。在理想方案中，加強件體系舉例為由諸如卡夫拉紗線的加強件層構成。和金屬導線電纜20相似，絕熱層60有一個高反射性金屬材料層64，例如鋁和非囟化材料膜66。適合作膜66的材料，包括聚醚醯亞胺，聚醯亞胺，矽氧烷聚醯亞胺共聚物，或聚醚醯亞胺及矽氧烷聚醯亞胺共聚物的混合物。裹皮用非囟化材料構成。至於裹皮62，則用填充聚烯烴，聚醚醯亞胺，矽氧烷聚醯亞胺共聚物，或聚醚醯亞胺及矽氧烷聚醯亞胺共聚物的混合物。
過去，美國制纜業明顯在避免使用非囟化材料作通風槽纜線。有理想阻燃性和生煙性能的非滷化材料，似乎太軟，不適用於這類製品，而那些具有理想柔性的非囟化材料，又不符合相當高的美國通風槽纜標準。出乎意料的是本發明纜線絕緣及裹皮材料包括非滷化材料，而能符合國家電器規範的關於通風槽用途的全部規定。此外，至少理想方案的纜線，有足夠的柔性，滿足纜線業標準的低溫彎析試驗。
出乎意料的是，本發明的有符合阻燃性及生煙合格標準的非滷化絕緣及裹皮材料的纜線，還有相當低的腐蝕性及合格水平的毒性。這收穫很出意料，因為長期以來，認為非滷化材料至少不能提供滷化材料所提供的符合美國工業標準的阻燃性與生煙性能。導線絕緣層與裹皮材料配合，形成一種體系，可延緩向傳輸件傳熱。由於延緩破壞導線絕緣的熱傳導，使生煙及火焰蔓延受到控制。
試驗證明向纜芯線22的傳熱，主要由於輻射，其次是傳導，最後是對流。絕熱層30的向外的表面，與裹皮配合，形成一個輻射體系。有利的是金屬絕熱層不僅在爆燃點將熱消散，而且起將通過裹皮向內傳遞的熱輻射的作用。
圖1中的絕熱層30有裹皮48延緩向芯線的熱傳導。並且絕熱層30向芯線外輻射能量，增加延緩作用。通過延緩破壞導線絕緣的熱傳導，便要控制火焰蔓延和生煙。
纜線的火焰蔓延及生煙性能，可用美國試驗材料學會(ASTM)規範E-84中的聞名的斯坦納隧道(SteinerTunnel)試驗來說明，試驗規範修訂作通信纜線用，現已改編號為UL910試驗。上述UL試驗在前面提到的S.Kaufman文章中有敘述，是測定安裝在導管，通風槽及其他用於周圍空氣空間中的纜線的相對火焰擴散及生煙性能的試驗方法。
在斯坦納隧道試驗中，對火焰擴散觀察一段預定的時間，用排氣管中的光電元件測量煙氣。通風槽等級纜線，即國家電器規範的CMP類，火焰擴散不準超過五英尺。生煙測量以光密度測定，即用測光器測量一段時間中的阻光率(陰暗度)的量度。光密度越低生煙性也越低，生煙性能也越理想。標定為CMP的纜線要求最大的煙密度不超過0.5，平均煙密度不大於0.15。
纜線的低產毒性能，可用匹茲堡大學制定的毒性試驗方法測定。在這試驗中測量稱為LC50的參數，這參數是在燃燒材料時，產生的氣體使動物群落50%致死的致死濃度，舉例如試驗動物四個中有兩個致死。LC50是材料燃燒時生煙造成的材料毒性的指示。LC50數值越大則毒性越低。數值越大，表示殺死同數量試驗動物必須燃燒的材料越多。明了對無金屬導線的纜線塑料材料作LC50測量是重要的。本發明纜線的LC50數值，大於有囟化絕緣及裹皮材料的同類型通風槽纜線。
纜線的低腐蝕性能，可通過測量燃燒纜線產生的酸性氣體的百分比表明。產生的酸性氣體的百分比越高，則圍裹傳輸介質的塑料材料的腐蝕性越大。這方法現正用於美國政府軍用船舶纜線規範。在該規範中，單位重量纜線產生相當於2%氯化氫的酸性氣體為最高極限。本發明通風槽纜線除一特例外，都產生0%酸性氣體，而該特例為0.3%。
以本發明的及相似的有滷化材料的絕緣層及裹皮的通風槽纜作試驗，結果列於下表Ⅰ。作為通風槽類型，表Ⅰ中之纜線均通過於UL910試驗的火焰擴散及生煙性能。
舉例的纜線按上述UL910試驗規定，接受了斯坦納隧道試驗，經受了溫度904℃，或63千瓦/平方米的衝擊熱流。
表Ⅰ滷化材料非滷化材料通風槽纜線1234性能A.生煙性最大光密度0.2760.3000.1340.180平均光密度0.1120.0570.0260.031B.腐蝕性酸性氣體產生%42.2030.7900.29C.LC50(克) 25±7 12±2 41±7 31±8D.外徑(公分)0.350.360.470.53E.裹皮厚度(公分)0.0250.0300.0580.053表Ⅰ中每一纜線包括四對24號銅導線，各有0.015公分的絕緣覆蓋層。3號樣品中的絕緣層及裹皮為填充聚烯烴。4號樣品的絕緣層的成分，聚醚醯亞胺及矽氧烷聚醯亞胺共聚物各佔重量50%，而裹皮用填充聚烯烴。3號中的絕緣層的填充聚烯烴，為聚醋酸乙烯酯，氫氧化鎂約佔重量的50-70%。至於3及4號中的裹皮材料，填充聚烯烴為聚醋酸乙烯酯的混合物，氫氧化鎂約佔重量的50-70%，三氧化銻約佔重量的0-5%。在3及4號中，絕熱層為一個0.003公分的鋁層，和0.003公分的聚醯亞胺膜。
本發明纜線也適用於建築物的立管。立管為建築物中的垂直管道，裡面放置纜線等等。纜線可從地下室檢修入口開始，伸到樓板，舉例如與通風槽纜線連接。UL1666試驗用於立管鑑定，要求不及通風槽等級嚴格。例如火焰高度不得超過12英尺，熱柱頂部不得超過454℃。立管纜線沒有生煙規定。
表Ⅱ列示一種有囟化絕緣層及裹皮的纜線，和一種有非滷化材料的纜線的生煙，腐蝕及毒性數據的比較。
表Ⅱ滷化材料非滷化材料性能最大光密度3.300.28酸性氣體產生%34.571.60LC(克)24±1149±6立管環境中纜線試驗也用四對24號金屬導線。滷化絕緣層及裹皮材料為聚氯乙烯，而非滷化材料為填充聚烯烴。
本發明的纜線包括有各種厚度的傳輸介質覆蓋層及裹皮。但在每一情況下，纜線均須通過目前UL910試驗關於阻燃性及生煙性的規定，並有相當低的腐蝕性及可允許的低毒性。
應理解上述安排僅為對本發明作說明。熟悉本領域者可設計其它安排，實現本發明的原理，而仍屬本發明的精神與範圍。
權利要求
1.一種通信纜線有至少由一個傳輸介質構成的芯線，一種塑料材料包圍該至少一個傳輸介質，一個裹皮由塑料材料構成，包圍該至少一個傳輸介質，該纜線特徵如下包轉該至少一個傳輸介質的該塑料材料，與該裹皮的塑料材料，是從下類材料中選出的塑料材料，這類材料包括填充聚烯烴，聚醚醯亞胺，矽氧烷聚醯亞胺共聚物，和聚醚醯亞胺與矽氧烷聚醯亞胺共聚物的混合物；一個絕熱層放在該至少一個傳輸介質與該裹皮之間，該絕熱層是一個疊層材料，有一個金屬材料層和一個從下類材料中選出的塑料材料層，該類材料包括聚醚醯亞胺，矽氧烷聚醯亞胺共聚物，聚醚醯亞胺，與聚醚醯亞胺與矽氧烷聚醯亞胺共聚物的混合物。
2.如權利要求1之纜線，而特徵為該填充聚烯烴為一種聚烯烴塑料材料，與一種從下類材料中選出的一種填料的組合物，該類材料包括三氧化銻，金屬氫氧化物，和三氧化銻及金屬氫氧化物的混合物。
3.如權利要求2中之纜線，而特徵為該填料為佔該填充聚烯烴重量5%的三氧化銻組成。
4.如權利要求2之纜線，而特徵為該填料含由一種約佔該填充聚烯烴重量的20至70%金屬氫氧化物組成。
5.如權利要求1之纜線，而特徵為該絕熱層的該金屬材料面向外。
6.如權利要求5之纜線，而特徵為該疊層材料絕熱層的該金屬材料輻射率約在0.039至0.057範圍內。
7.如權利要求1之纜線，而特徵為該纜線還有繃帶，圍繞該絕熱層。
全文摘要
一種用於建築物隱閉區域，諸如通風槽或立管中的纜線有一個芯線，芯線至少有一個傳輸介質用非滷化塑料包圍。包圍芯線的裹皮也用非滷化塑料製造。非滷化塑料選自填充聚醚醯亞胺，矽氧烷聚醯亞胺共聚物，及二者的混合物等一組材料。放在芯線及裹皮間的絕熱層間的塑料膜，也用從上述一組中選出的材料。
文檔編號G02B6/44GK1045000SQ9010047
公開日1990年8月29日 申請日期1990年1月25日 優先權日1989年1月27日
發明者湯米·格蘭·哈丁, 貝魯茲·A·科拉米安 申請人:美國電話電報公司