一种梯度协同耐火电缆及其制造方法与流程

本发明涉及电线电缆，特别是涉及一种梯度协同耐火电缆及其制造方法。

背景技术：

1、耐火电缆是火灾场景下保障应急供电、消防联动及关键信号传输线路完整性的核心部件，广泛应用于高层建筑、轨道交通、医疗建筑、数据中心等对消防安全要求严苛的领域。现有主流耐火电缆普遍采用单一耐火模式，核心技术路线主要分为两类：一类是云母带绕包的无机耐火结构，凭借云母材料的高熔点与绝缘特性成为行业主流方案；另一类是陶瓷化硅橡胶、陶瓷化聚烯烃等高分子材料挤包的有机-无机转化耐火结构，通过高温陶瓷化相变形成刚性保护层，加工性能优异。除此之外，刚性矿物绝缘电缆等重型耐火方案仅应用于少数极端特殊场景，未形成规模化普及。

2、随着全球消防安全标准的持续升级，以bs en 50200:2015为代表的国际标准对耐火电缆提出了更为严苛的复合工况考核要求，其中ph120等级要求电缆在842℃火焰环境、周期性机械冲击及额定电压持续加载条件下，保持120分钟的线路完整性，以模拟真实火灾中建筑构件坍塌的极端工况。面对这一高等级测试要求，现有单一耐火模式的固有缺陷逐渐凸显，集中体现为以下四项技术短板：

3、一是纯金属丝编织增强存在导热与短路双重风险。为提升高温机械性能，现有耐火电缆多采用纯不锈钢丝编织作为增强层，其虽能提供充足的径向箍紧力，但金属材料导热系数高，在842℃火焰中会快速向内部导体传导热量，加速绝缘层性能衰减；同时在高压线路完整性测试中，若外侧陶瓷壳体局部碎裂，裸露的金属丝易与内部导体接触引发短路，介电安全性不足。

4、二是纯玻璃纤维编织增强存在高温软化与结构塌陷问题。为规避金属编织的导热缺陷，部分方案采用纯玻璃纤维编织增强层，其虽具备绝缘隔热优势，但常用e-玻璃纤维的软化点约为830℃，与842℃的测试温度接近，高温下抗拉强度保持率不足20%，无法提供机械冲击测试所需的径向支撑力，陶瓷壳碎裂后编织层易整体松弛塌陷，直接导致线路断路。

5、三是单一陶瓷化层存在热应力集中引发的贯穿开裂风险。现有陶瓷化耐火方案多采用单层结构设计，在842℃快速升温过程中，陶瓷层外侧已完成陶瓷化脆化而内层仍处于热塑性状态，内外相变不同步引发的热应力集中，易使陶瓷壳体产生贯穿性裂纹，火焰与熔融物可沿裂纹直接侵入导体区域，造成线路失效。

6、四是产气型隔氧层存在高温鼓包破坏问题。传统隔氧层多采用氢氧化铝、氢氧化镁等分解产气型填料，通过高温分解释放水蒸气或惰性气体实现隔氧阻燃，但在密闭火焰测试环境中，分解产生的大量气体易造成层间鼓包、开裂，反而破坏耐火结构的致密性，成为火焰侵入的通道。

7、除上述四项核心缺陷外，现有耐火电缆还普遍存在性能维度的矛盾与场景适配的不足。在柔性与高温机械性能方面，为保障高温结构强度，多数产品采用硬铜导体，电缆弯曲性能差，难以适配狭小空间敷设与反复弯曲的使用场景；若直接采用软铜导体提升柔性，则高温下导体机械强度衰减过快，机械冲击作用下易发生断裂。而在多芯电缆适配方面，线芯之间的间隙会形成火焰蔓延与热传导的通道，机械冲击下线芯相互挤压易引发局部结构塌陷，现有技术缺乏针对多芯场景的系统性耐火设计，整体耐火可靠性不足。

8、针对上述技术痛点，行业内已开展了多方向的改进探索。在耐火结构领域，有方案提出设置多层不同陶瓷化温度的耐火材料，试图通过堆叠多层结构提升耐火极限；在增强结构领域，也有技术尝试采用金属与非金属组合的增强形式，以期结合两类材料的性能优势。但这些改进方案仍未突破现有单一耐火模式的核心瓶颈，存在诸多难以解决的技术问题：存在增强结构力学性能与隔热性能难以兼顾、陶瓷化结构热应力集中易开裂、隔氧层易鼓包破坏、常温柔性与高温机械性能矛盾，以及多芯场景缺乏系统性耐火设计等。

9、因此，需开发一种能够同时兼顾多维度性能的新型耐火电缆技术，以稳定满足高等级耐火线路完整性的要求。

技术实现思路

1、基于此，本发明的目的在于，提供一种梯度协同耐火电缆及其制造方法，该电缆具有梯度时序耐火防护、结构稳定性强、高温绝缘性能优异、层间结合可靠的优点。

2、一种梯度协同耐火电缆线芯，其特征在于：由内至外依次包括导体、复合耐火绝缘层、第一陶瓷化层、隔氧层、陶瓷化粘结层、混编增强层和第二陶瓷化层；

3、其中，所述混编增强层由玻璃纤维和不锈钢丝按股数比1:1混编而成，编织密度不低于95%；所述玻璃纤维为经硅烷偶联剂处理后的玻璃纤维；

4、所述陶瓷化粘结层由低熔点玻璃粉与硅溶胶按质量比3:1～5:1复合而成，厚度为0.1mm～0.2mm，预涂于所述隔氧层与所述混编增强层之间；

5、所述第一陶瓷化层的陶瓷化起始温度t1为480℃～580℃，所述第二陶瓷化层的陶瓷化起始温度t2为680℃～880℃，且t2比t1高100℃～300℃。

6、相较于现有技术，本发明基于各功能层材料的固有相变温度特性与层间热传导规律，通过第一陶瓷化层与第二陶瓷化层的陶瓷化温度梯度设计，配合隔氧层的熔融封填、陶瓷化粘结层的界面键合以及玻纤-钢丝混编增强层的力学支撑，实现各层功能按温度时序依次激活、协同作用，整体构建出“先承载—后约束—再修复”的分级响应耐火机制，从根本上改善传统单层陶瓷化结构热应力集中、易开裂剥落的缺陷。

7、在火焰升温初期的初级承载阶段，第一陶瓷化层凭借480℃～580℃的较低陶瓷化起始温度t1率先达到相变条件，完成陶瓷化转变并形成刚性初级陶瓷壳体。该壳体一方面在内侧快速建立起第一道刚性耐火屏障，阻挡火焰与热量向内部绝缘层传导；另一方面为后续进入熔融状态的隔氧层提供稳定的内侧承载基底，避免隔氧层高温熔融后因缺乏支撑而发生流失、鼓包、流淌等结构破坏，为后续隔氧功能的稳定发挥提供结构基础。随着温度持续升高进入隔氧约束阶段，隔氧层进入其熔融温度区间，由于其熔融时机晚于第一陶瓷化层的陶瓷化时机，此时内侧已形成刚性陶瓷壳体，外侧又有编织密度不低于95%的混编增强层形成围挡约束，熔融态的隔氧层被限定在两层之间的空间内充分铺展，形成连续致密的玻态隔氧膜。该膜既可以填充第一陶瓷化壳体的微观孔隙与晶界间隙，阻断氧气向电缆内部渗透，抑制内部材料的热氧化降解；又可以作为柔性缓冲层吸收部分层间热应力，缓解不同材料间热膨胀系数差异导致的层间失配，提升界面结合的稳定性。

8、当温度进一步升高至高温修复阶段，第二陶瓷化层达到其陶瓷化起始温度t2并完成陶瓷化相变，且t2与t1保持100℃～300℃的温度梯度，确保其响应时机晚于内侧两层结构。该阶段一方面利用陶瓷化相变伴随的体积膨胀效应，自动封闭、修复外层陶瓷壳因高温热应力、周期性机械冲击产生的微裂纹与细微缺口，提升陶瓷壳的整体完整性；另一方面在混编增强层外侧形成连续的次级耐火屏障，与内侧第一陶瓷化层、中间混编增强层共同构成多层防护结构，进一步阻挡热量与火焰向电缆内部侵入，延缓内部温升速率。

9、在整个升温响应过程中，混编增强层与陶瓷化粘结层全程发挥结构保障作用。混编增强层由经硅烷偶联剂处理的玻璃纤维与不锈钢丝按股数比1:1混编而成，其中玻璃纤维组分凭借低热导率特性发挥隔热缓冲作用，延缓热量向内传导；不锈钢丝组分提供高强度力学骨架，全程为各陶瓷化层提供稳定的径向箍紧力，抑制陶瓷壳在高温下发生开裂、剥落与层间错位。陶瓷化粘结层由低熔点玻璃粉与硅溶胶按质量比3:1～5:1复合而成，厚度为0.1mm～0.2mm，预涂于隔氧层与混编增强层之间，高温下可与两侧材料发生界面烧结键合，有效抑制各层之间发生滑脱、分离，保障各阶段功能的有序执行与结构的整体稳定性。综上，通过上述温度梯度设计与时序化功能分工，各功能层并非简单的结构堆叠，而是在不同温度阶段依次承担结构承载、隔氧封填、缓冲补强和裂纹修复的功能，各环节相互配合、层层递进，形成协同增效的整体耐火体系，能够有效提升高温与机械冲击耦合工况下电缆的陶瓷壳结构完整性与线路绝缘可靠性。

10、进一步的，所述导体为第5类或第6类软铜绞合导体。这类导体兼具优异的导电性能与弯曲柔韧性能，适配复杂敷设场景。

11、进一步的，所述隔氧层为低熔点玻璃粉与可陶瓷化填料复合挤包层，在600℃～800℃下熔融形成致密玻态隔氧膜。匹配两层陶瓷化层的相变时序，实现界面密封与隔氧阻热。

12、进一步的，所述复合耐火绝缘层为双层复合结构，内层为云母玻璃带，外层为纳米al2o3/微米云母改性聚酰亚胺（pi）复合薄膜。双层协同延缓导体侧温升，强化导体侧绝缘防护能力。

13、进一步的，本发明还提供一种单芯梯度协同耐火电缆，包括上述梯度协同耐火电缆线芯和设置在所述线芯外部的外护套层。

14、进一步的，所述外护套层由陶瓷化低烟无卤阻燃材料挤包而成。

15、进一步的，本发明还提供一种上述单芯梯度协同耐火电缆的制备方法，包括如下步骤：

16、s1：制备导体；

17、s2：在所述导体表面依次形成复合耐火绝缘层、第一陶瓷化层，控制所述第一陶瓷化层的陶瓷化起始温度t1为480℃～580℃；

18、s3：在所述第一陶瓷化层表面形成隔氧层；

19、s4：在所述隔氧层表面预涂陶瓷化粘结层并烘干，所述陶瓷化粘结层由低熔点玻璃粉与硅溶胶按质量比3:1～5:1复合而成；

20、s5：将经硅烷偶联剂处理的玻璃纤维与不锈钢丝按股数比1:1混编，在所述陶瓷化粘结层表面形成编织密度不低于95%的混编增强层；

21、s6：在所述混编增强层表面形成第二陶瓷化层，控制所述第二陶瓷化层的陶瓷化起始温度t2为680℃～880℃，且t2比t1高100℃～300℃；

22、s7：在所述第二陶瓷化层表面形成外护套层，即得所述单芯梯度协同耐火电缆。

23、进一步的，本发明还提供一种多芯梯度协同耐火电缆，包括线芯单元以及依次包覆在线芯单元外部耐火包带层与外护套层；所述线芯单元由至少两根权利要求1~7任一项所述的梯度协同耐火电缆线芯绞合成缆，缆芯间隙填充陶瓷化耐火填充条。

24、进一步的，所述陶瓷化耐火填充条由陶瓷化硅橡胶或陶瓷化低烟无卤聚烯烃材料挤制而成，截面呈扇形或圆形，填充率不低于90%。

25、进一步的，本发明还提供一种上述多芯梯度协同耐火电缆的制造方法，包括如下步骤：

26、s1：制备导体；

27、s2：在所述导体表面依次形成复合耐火绝缘层、第一陶瓷化层，控制所述第一陶瓷化层的陶瓷化起始温度t1为480℃～580℃；

28、s3：在所述第一陶瓷化层表面形成隔氧层；

29、s4：在所述隔氧层表面预涂陶瓷化粘结层并烘干，所述陶瓷化粘结层由低熔点玻璃粉与硅溶胶按质量比3:1～5:1复合而成；

30、s5：将经硅烷偶联剂处理的玻璃纤维与不锈钢丝按股数比1:1混编，在所述陶瓷化粘结层表面形成编织密度不低于95%的混编增强层；

31、s6：在所述混编增强层表面形成第二陶瓷化层，控制所述第二陶瓷化层的陶瓷化起始温度t2为680℃～880℃，且t2比t1高100℃～300℃，制得单根梯度协同耐火电缆线芯；

32、s7：将至少两根所述梯度协同耐火电缆线芯绞合成缆，形成线芯单元；

33、s8：在所述线芯单元的缆芯间隙填充陶瓷化耐火填充条；

34、s9：在所述线芯单元外部绕包形成耐火包带层；

35、s10：在所述耐火包带层外部形成外护套层，即得所述多芯梯度协同耐火电缆。

36、为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。