有限可燃性电缆 【发明领域】
本发明涉及使用聚偏二氟乙烯和/或其共聚物(“PVDF”)制造符合NFPA 90A标准(空调和通风系统安装标准)中定义的有限可燃性要求的电缆，该标准要求，按照NFPA-259标准测试这些电缆时，其潜热值(“PHV”)低于3500BTU/磅，而且用NFPA-255测试时，其发烟指数(“SDI”)低于50，着火指数(“FDI”)低于25。在工业上也将这些有限可燃性电缆(“LC电缆”)称为Duct电缆，CMD，25/50/8，25/50，CMP-50电缆和/或用其他与有限可燃性材料NFPA 90A标准中要求的PHV，SDI和FDI一致的参数进行命名。
【发明背景】
到目前为止，都是用氟化乙烯丙烯(“FEP”)树脂作为LC电缆的主绝缘层和护套层。申请人没有发现用PVDF作为一个或多个组件的任何工业制造的LC电缆。为了符合对这些产品更为严格的标准要求，可以使用能提供更好特性的替代树脂。PVDF的应用历来被限定在其较差的介电特性不会影响电缆性能的领域。
工业上发现，具有很高有限氧指数(“LOI”)值的PVDF化合物适用于通风级电缆。这种高LOI组合物如美国专利4898906和5919852中所述。本发明发现这些现有技术并不能用于LC电缆。
发明概述
本发明提供了含有PVDF的LC电缆，该电缆中含有占其重量不超过约50重量％的PVDF，这些电缆通常具有大约40到90的LOI，优选大约43到75。与FEP基LC电缆相比，发现用PVDF基部件代替一个或多个FEP电缆部件(比如护套或主绝缘层)时，本发明电缆能提供改进的SDI和/或FDI值，只要该电缆中含有占其重量不超过约50重量％的PVDF即可。在一个优选实施例中，一个或多个LC电缆部件由PVDF，和占PVDF重量约0.02到2.0重量％(更优选是大约0.05到1.0重量％)的一种阻燃剂或防烟剂(也被称为一种促焦剂)所组成的，这种阻燃或防烟剂例如是钨酸盐，钼酸盐或硅酸盐中的一种或多种。
详细描述
令人惊奇地发现，与现有技术相反，由使用具有较低LOI的PVDF制成改进的LC电缆结构，例如可通过使用少量阻燃剂和阻烟剂来达到。测试表明，这些阻燃剂和阻烟剂的量和PVDF的LOI之间存在线性关系，因此，例如当PVDF中所添加的钨酸钙量从0逐渐增加到约1.5重量％时，按照ASTM D2863测得的LOI从约40增大到90，使用高达约0.6重量％的钨酸钙时，LOI可达到大约43-75。
LC电缆结构通常被称为铜(电)缆结构或纤维(光纤)电缆结构。典型电缆结构如美国专利4804702中所述。电缆部件包括护套，主绝缘层，屏蔽带，还可以包括各种次要部件，例如强度部件，薄膜，缓冲件，隔离部件，拉索，副护套，这些都是本领域中众所周知地，其中任意一个或多个部件可以由PVDF树脂制造。
“PVDF”或PVDF树脂或PVDF聚合物不仅指PVDF的均聚物，还指由至少约75重量％的偏二氟乙烯(VDF)单体所制得的共聚物。共聚单体可以包括其他氟化单体，例如：六氟丙烯(HFP)，四氟氯乙烯(CTFE)，四氟乙烯(TFE)，和氟乙烯。优选由VDF和HFP所制得的均聚物和共聚物，其中可以加入少量(不超过约5重量％，优选是约0.01到0.05重量％)PTFE。还可以加入少量其他常规添加剂，比如碳酸钙，颜料，和类似物质。优选的VDF聚合物树脂是以100秒-1的剪切速率在232℃的温度下熔体粘度为大约20到27(按照ASTM D3835)的物质。这些聚合物的例子包括ATOFINA Chemicals，Inc.的KYNAR2851-00(一种由VDF和HFP制得的共聚物，其熔体粘度为23到27)，KYNAR 2801-00(一种由VDF和HFP制得的共聚物，其熔体粘度为23到27)，和KYNAR 3120-50(一种由VDF和FHP制得的多相共聚物，其熔体粘度为21到26)。熔体粘度较低的VDF聚合物树脂的性能令人满意，但是所产生的烟略多。这些聚合物树脂可以用于较低粘度会增加电缆制造能力的应用中。这些VDF聚合物树脂是以100秒-1的剪切速率在232℃的温度的熔体粘度(按照ASTM D3835)在5到23范围内的物质。这些聚合物的例子包括用于制造KYNAR级2900(一种由VDF和HFP制得的共聚物，其熔体粘度为6到12)，2950(一种由VDF和HFP制得的共聚物，其熔体粘度为6到12)，和2850-04(一种由VDF和HFP制得的共聚物，其熔体粘度是5到7.5)的原料树脂。因为纯PVDF具有约6200BTU/磅的PHV，要符合大约3500BTU/磅的PHV限定，LC电缆中PVDF的最大用量是大约50重量％。如果加入添加剂以降低树脂含热量时，可以略微提高PVDF的用量。
优选的火焰和烟尘减少配方中将钨酸钙以PVDF重量大约0.02到2.0％的量混入PVDF中，制得产品的LOI在大约40和90之间。更优选，向VDF聚合物中加入约0.05到1.0％的钨酸钙，制得产品的LOI在大约40和81之间。优选向VDF聚合物中加入大约0.3到0.5％的钨酸钙，使LOI在67和71之间。向PVDF中掺入钨酸钙已在上述美国专利5919852中所述。优选使用高纯度粉末状合成钨酸钙，例如从Chem-Met Company购得的产品。可以使用常规的聚合物研磨和混合设备，将添加剂混入聚合物中，使添加剂很好地分散在原料聚合物中。还可以使用其他阻燃剂和阻烟剂来制造用于LC电缆的PVDF化合物。例如，美国专利4898906中所述的钼酸钙是适用的。还可以使用美国专利4881794中所述的硅酸铝。
通过以下非限制性实施例进一步说明本发明，证明在结构中使用PVDF能加强所制造LC电缆的超低烟特性。
本发明优选实施方式
制备两种PVDF组合物，并用其制造样品电缆，评价电缆的燃烧特征。第一种组合物是用VDF-HFP共聚物(95/5重量比)和0.5重量％的钨酸钙的粉末料制备的。第二种组合物是用VDF-HFP共聚物(90/10重量比)和1.0重量％的钨酸钙粉末料制备的。将粉末料混合并造粒之后，使用这两种PVDF组合物和FEP使铜导体绝缘。通过加压挤塑方法施用绝缘层。将两个一组的绝缘导体扭曲在一起，制成“双绞线”型绝缘体。然后采用电缆套管方法，用表1中所示的FEP或PVDF组合物给双绞线套上护套。电缆结构包括以下部件：FEP绝缘层/FEP护套，FEP绝缘层/PVDF护套，和PVDF绝缘层/PVDF护套。按照NFPA-225对电缆进行SteinerTunnel试验，测定SDI和FDI。表1说明，可以使用PVDF获得非常低的SDI和/或FDI，远远低于从所有FEP电缆上观察到的值。
表1 NFPA-255 PVDF对FEP 电缆结构 SDI FDI PVDF LOI 测试号 主体 护套 1 PVDF与10％HFP和1％钨酸钙 PVDF与10％HFP和1％钨酸钙 23.5 0 80 2 PVDF与5％HFP和0.5％钨酸钙 PVDF与5％HFP和0.5％钨酸钙 4.8 0 70 3 FEP FEP 21.6 1.6 4 FEP PVDF与5％HFP和0.5％钨酸钙 2.9 0 70 5 FEP PVDF与10％HFP和1％钨酸钙 9.7 0 80
按照上述相同方法，制备其他电缆并进行测试，以验证上述结果。制备两种PVDF组合物，并用其制造样品电缆，评价其燃烧特征。用VDF-HFP共聚物(95/5重量比)和钨酸钙的粉末料制备组合物。第一种粉末料中含有0.5重量％的钨酸钙，第二种粉末料中含有1.0重量％的钨酸钙。将粉末料混合并造粒之后，用这两种PVDF化合物和FEP使铜导体绝缘。用加压挤塑方法施用绝缘层。将两个一组的绝缘导体扭曲在一起，制成“双绞线”型绝缘体。然后采用电缆套管方法，用表2中所示的FEP或PVDF化合物给双绞线套上护套。电缆结构中包括以下部件：FEP绝缘层/FEP护套，FEP绝缘层/PVDF护套和PVDF绝缘层/PVDF护套。按照NFPA-225对电缆进行SteinerTunnel试验，测定其SDI和FDI。结果如表2中所示，再次表明，含有PVDF的结构在阻燃和阻烟性质上优于使用FEP的结构。这些数据的汇总列于表2。
表2 NFPA-255 PVDF对FEP验证测试 电缆结构 SDI FDI PVDF LOI测试号 主体 护套 6 FEP FEP 1.6 21.6 7 PVDF与5％HFP和1.0％钨酸钙 PVDF与5％HFP和1.0％钨酸钙 0 10.7 80 8 PVDF与5％HFP和0.5％钨酸钙 PVDF与5％HFP和0.5％钨酸钙 0 2.9 70 9 FEP PVDF与5％HFP和1.0％钨酸钙 0 9.7 80 10 FEP PVDF与5％HFP和0.5％钨酸钙 0 4.8 70
重复测试7和8，区别在于用钼酸钙代替钨酸钙作为阻烟剂和阻燃剂。结果虽然不如钨酸钙好，但仍然是令人满意的(SDI分别为13.6和10.5)。
按照NPFA-259对本发明的电缆结构组合物(一种95/5 VDF/HFP共聚物，与测试8一样含有0.5％的钨酸钙)进行其他测试，证明其潜热值(“PHV”)低于3500BTU/磅。所测试的电缆中包括2个导体(一个双绞线)或12个导体(6个双绞线)。这两种电缆都符合要求，单根双绞线电缆具有3288BTU/磅的PHV，6根双绞线的电缆具有2098BTU/磅的PHV。
对同轴结构也进行测试，同轴结构由包括一个发泡FEP介电层的单个铜导体组成。在FEP导体上应用一个导电编织物，然后在该编织物上施用一个具有测试8组合物的PVDF护套层。按照NFPA-255进行测试，证明该电缆的SDI值很低(低于15)，按照NFPA-259进行测试，证明其PHV仅为2918BTU/磅。
因此，本发明开发出不同于现有工业应用的由PVDF所制造的LC电缆，这些电缆可以被用于要求有限可燃性电缆或Duct电缆和/或要求使用通风级产品的场合。要求特别好的物理和机械特性时，可以特别选择用作护套的PVDF，PVDF的电性质不会影响电缆性能。PVDF还具有极佳的耐磨性，耐切割性和抗蠕变性。