基于文献计量的中国电缆阻燃技术分析

随着中国城市化进程的推进以及城市群的形成，城镇人口密集程度显著增加，导致城镇建筑、交通形势日益复杂。高人口密度产生的巨大用电量使电线电缆在建筑、轨道交通等行业的用量大幅上升，同时，电子电气产品遍布工业生产和日常生活的各方面，大量使用的可燃、易燃高分子材料是众多火灾的根源，其带来的安全问题日益严峻［1-2］。我国公共人员密集场所发生的重大火灾事故中，电气火灾占很大比重，其中，不乏火灾发生后因电线电缆阻燃性能较差而导致的二次短路引发的次生火灾。2000—2015年，电气火灾发生数量从31 933起增长到102 000起，增长了3倍多，其所占比例也从2000年的25%左右增长到30%左右［3］。在以往的电气火灾事件中，很多都是由于电线电缆阻燃性能不达标导致的。因此，阻燃电线电缆的研发、生产成为近年来公共安全保障的一个重要方面。

文献计量学是指用数学和统计学的方法，以文献体系计量特征为研究对象，定量研究文献的分布结构、数量关系以及变化规律，并用来描述和预测学科技术发展现状以及趋势的图书情报学分支学科，被广泛应用于国内外科研评价、科学技术发展态势分析等工作中［4-8］。近年来，国内针对电线电缆的阻燃开展了大量工作，并取得了丰厚的研究成果，但利用文献计量学的方法对电线电缆阻燃技术领域开展的研究和分析工作甚少。因此，本文以国内研究论文发表和专利技术申请情况为基础，通过文献计量方法，对近30 a中国电缆阻燃技术研发应用状况定量地进行综合分析。

1 中国电缆阻燃技术研究论文发表状况

研究论文代表着中国电缆阻燃技术在每一阶段的研究进展，本文主要以期刊论文、学位论文以及会议论文为检索目标。为保证数据完整性，文献检索范围是1986年1月1日至2018年12月31日，其中，年度统计数据的起止日期从当年1月1日至12月31日。

1.1 科技文献分析样本构成

以中国知网为数据源对国内阻燃相关文献进行检索，近30 a发表的关于阻燃电缆方面的文献共1 529篇。研究论文检索时根据相关技术领域，在主题中分别采用“阻燃”“电线”“电缆”作为主要检索关键词；当检索内容包含了具体阻燃电线电缆所采用的基材或阻燃剂时，同时使用相关基材或阻燃剂作为关键词。

1.2 阻燃电缆研究科技文献总体发表情况

从图1可以看出：1986—1999年，国内阻燃电缆相关论文发表量处于低水平波动状态，年均发表量为21篇，2000年以后，论文发表量稳步上涨。

将年度发表量数据以中华人民共和国国民经济和社会发展五年规划纲要（五年规划）的时间节点划分后，“七五”至“九五”三个阶段的论文发表量分别占总发表量的7%，6%，10%，占总发表量的23%。进入21世纪后，学术界充分认识到阻燃电缆的研究价值，研究成果逐年增长。从“十五”至今，4个“五年规划”期间发表的文献数量占比分别增长到16%，19%，26%，16%，占总发表量的67%，根据近几年的趋势预测，这一占比在“十三五”结束时将高于75%。

关键词是用以表达文献主题概念的自然语言词汇。通过对某一时期内某一学科的关键词进行统计分析可以全面地把握该学科发展的现状，并预测学科的发展方向［9-10］。除检索时所用的关键词，研究论文中排名前十的研究热点关键词占比见图2。

图2 研究热点关键词占比
Fig.2 Hotspot keywords of flame retarded wire and cable research

注： PVC为聚氯乙烯。下同。

为实现电缆的高阻燃性，在保证力学性能的前提下，除了调整电缆结构外，主要通过提高绝缘和护套材料阻燃性的方式；而且电线电缆产品中除钢芯铝绞线、电磁线等裸线产品外几乎都需要绝缘层［11-12］，因此“电缆料”这一关键词相关的研究论文最多，高达17%。同时有16%相关度的关键词为“无卤阻燃”，是因为欧美国家《关于在电子电器设备中限制使用某些有害物质指令》、《关于化学品注册、评估、许可和限制法案》和我国《电子信息产品污染控制管理办法》等相关法律法规，以及社会对于环境保护、安全方面日益提高的要求，促进了无卤低烟阻燃电缆料的研究。而在阻燃电缆料的研究中，阻燃剂的研究成为重中之重，占12%；同时，为了满足无卤阻燃要求而被广泛使用的无卤环保阻燃剂成为现阶段的研究热点，在阻燃剂市场占据主要份额的氢氧化镁、氢氧化铝，分别占8%，5%。

1.3 不同聚合物基材在阻燃电缆中的研究情况

从图3看出：PVC相关的研究论文自1986年起，始终有着很高的发表数量，2000年以前几乎每年占年发表量50%以上；但2000年后，阻燃电缆材料研究的聚合物基材呈现多样化，如聚乙烯（PE）、聚丙烯、乙丙橡胶、硅橡胶等。

图3 不同基体聚合物相关文献发表数量的年度趋势
Fig.3 Annual trend of number of published papers on different polymer matrix

乙烯-乙酸乙烯共聚物（EVA）； PE； 聚丙烯； PVC氯化聚乙烯；
乙丙橡胶；聚氨酯；氯丁橡胶硅橡胶

PVC因其聚合物链上氯元素带来的本质阻燃特征，自始至终是电缆使用的主要聚合物；但随着环保意识的逐渐提升，国际趋势正以PE替代PVC，使PE的消耗量逐年增加，同时也促进了阻燃电缆专用PE的研究［13］。PE因具有较高的体积电阻率、介电强度及较低的介电损耗被作为电线电缆专用树脂进行研制，如高密度聚乙烯（HDPE）、低密度聚乙烯（LDPE）等，而PE与弹性体共混后也可作为基体树脂，其重要的应用价值使PE成为目前的研究热点。

除PE外，EVA也是近年来阻燃电缆应用研究领域的热点基材。从2000年起，EVA便受到持续关注，每年均有多篇研究论文发表。EVA由具有结晶性和非极性的乙烯与具有强极性的乙酸乙烯两种单体共聚得到，具有良好的弹性、柔韧性、耐候性等，且与各种填料有良好的相容性。因此，EVA非常适合作为高阻燃剂填充量的阻燃电缆专用树脂的基体聚合物；EVA无论是与传统聚合物混合以提升性能或单独作为基体聚合物，都具有显著的研究、应用前景。

针对关注度最高的PVC，PE，EVA这三种聚合物，为了分析其研究工作中的侧重点，将各基材研究相关的前四个热点关键词绘制了图4，圆环中不同关键词所占面积代表关键词词频比例。从图4可以看出：PVC扇区中，聚烯烃与PE占很大比重，与图3相对应。PVC链上的氯元素使PVC本身具有很好的阻燃性，极限氧指数可达45%以上，但软质PVC中大量添加的增塑剂使其极限氧指数大幅下降，因此提升软质PVC的极限氧指数成为PVC研究热点之一。此外，PVC燃烧后产烟量大、烟气毒性大的特点也使研究工作向降低产烟量这一方向发展。

图4 主要聚合物相关热点关键词占比
Fig.4 Hotspot keywords related with major polymers

PE和EVA的关键词中均出现了氢氧化镁，体现了这两种聚合物本质阻燃性能较差的特性，需要大量填充无机阻燃剂提高阻燃性。而填料的高填充会使材料力学性能明显下降。由于多种功能性电缆均属于移动电缆，有柔软、弯曲的要求，除了增加电缆线芯的柔软性外，护套材料也必须具有相当好的弹性，因此寻求提升材料力学性能的手段成为了研究热点［14］，而EVA，LDPE和HDPE的复配使用与交联等对力学性能有益的技术方法也出现在热点关键词中。

1.4 不同阻燃剂体系在阻燃电缆中的研究情况

按照不同基材将检索结果分类后，使用同样的方法对不同阻燃剂体系分类并进行年度数据统计，得到图5。尽管美国苹果公司、韩国三星电子集团等企业自21世纪起才对电子电器的阻燃提出了不含卤素的要求，但对环保型阻燃剂氢氧化镁和氢氧化铝的应用研究一直保持非常活跃的状态。无机阻燃剂的阻燃机理一般为冷阱效应、稀释效应、阻隔效应，其阻燃机理决定了需要较大填充量才能达到较为满意的阻燃性能。高填充量的缺点是材料密度高、力学性能差、加工性能差，因此，针对此类阻燃剂的研究从最初的粗犷式添加应用，已经缓慢发展到现在的精细化性能提升。尽管填充型无机阻燃剂始终是研究热点，但因其阻燃效率较低，研究人员逐渐开始关注膨胀型阻燃剂在阻燃电缆中的应用。传统的化学膨胀型阻燃剂是以磷、氮为主要元素的无卤阻燃剂，由碳源、酸源、气源组成，是20世纪70年代中期在阻燃涂料基础上发展起来的新型阻燃剂。从图5可以看出：电缆膨胀阻燃技术的相关成果从1990年起才开始有论文发表，且逐渐在当今电缆阻燃技术体系中占据重要地位。至于同属无机磷系阻燃剂的红磷，因与传统的无机阻燃剂能够产生协同作用也持续受到关注，不过由于颜色、吸水和迁出等问题，应用受到了一定限制。

图5 不同阻燃体系相关文献发表数量的年度趋势
Fig.5 Annual trend of number of published papers on different flame retardant system

氢氧化铝；氢氧化镁； 膨胀型阻燃剂 纳米材料硼酸锌； 红磷； 含溴阻燃剂

除此之外，纳米复合材料技术的应用也是解决填充型阻燃剂缺点的一种有效途径。从图5还可以看出：自2002年第一篇电缆的纳米阻燃技术相关文献发表后，这一技术的应用研究便日益活跃。除了氢氧化铝、氢氧化镁纳米超细化处理外，纳米二氧化硅、高岭土、蒙脱土、水滑石、碳纳米管等纳米材料都在电缆阻燃研究中得以应用。主要是通过将无机纳米固体粒子在基体中分散，利用纳米粒子表面效应、量子尺寸效应来增强界面作用，改善无机物与聚合物的相容性，从而减少阻燃剂用量并提高阻燃性能、力学性能［15-16］。

2 中国电缆阻燃专利技术现状

2.1 专利技术分析样本构成

以国家知识产权局专利数据库为数据源分析国内阻燃材料相关专利，进行近30 a的申请专利的检索，获得了关于阻燃电缆方面的专利共19 829篇。专利文件数据检索时，根据相关技术领域，在关键词中采用了“阻燃”“电线”“电缆”作为主要检索关键词，当检索内容包含具体阻燃电线电缆所采用的基材或阻燃剂时，同时使用相关基材或阻燃剂作为关键词。

2.2 专利申请总体情况

从图6可以看出：1986—1998年，每年申请专利数量不超过10件，而图1中相应年份的文献发表数量均高于专利申请量，说明当时技术转化较少，国内阻燃电缆生产不多且水平不高，自有知识产权不足；1998—2006年，专利申请数量开始缓慢增长；2006年后，专利申请数量呈倍数增长趋势，远超相应年份的文献发表数量。这意味着2006年后，我国电缆阻燃技术的研究开发取得了大量成果，并大量应用到生产实际中。

检索结果以“五年规划”进行划分后显示，“七五”至“十五”期间的专利申请数量仅占总数的3%，而“十一五”增加到11%；进入“十二五”后，专利申请数量倍增，整个“十二五”期间，申请专利件数达到了“十一五”期间的6倍，并且“十二五”和“十三五”期间专利申请总件数占近30 a来全部申请数的86%，而同阶段发表的研究论文仅占论文发表总数的43%。

对检索数据进行进一步分析得知，阻燃电缆申请专利类型主要以发明专利和实用新型专利为主，几乎各占50%，外观设计专利极少。申请人则以各类企业为主，院校以及科研单位的专利申请不足10%；申请企业大多分布在中国南方，其中，多数在华东地区，以安徽、江苏、上海为主，特别是“中国十大电缆品牌”中的一些企业的专利申请数量名列前茅。

2.3 不同聚合物基材在电缆阻燃专利申请中的状况

从图7看出：与论文研究内容不同，自1986年至2018年，PE为专利申请的重点，PVC则与硅橡胶、乙丙橡胶等聚合物基材的专利申请数量相当，EVA的情况差别不大。另外，EVA、聚丙烯、氯化聚乙烯、氯丁橡胶这四种聚合物相关的专利中，大部分为发明专利，实用新型专利极少；余下几种聚合物的发明专利与实用新型专利数量相当。

图7 不同基体聚合物相关专利申请量的年度趋势
Fig.7 Annual trend of number of patent application on different polymer matrix

EVA； PE； 聚丙烯 PVC； 氯化聚乙烯；乙丙橡胶；聚氨酯 氯丁橡胶硅橡胶

为了更加直观地体现不同基材在研究、开发两个维度上的热度，图8给出了研究论文、专利发表数量气泡图。气泡大小代表专利数量与文献数量的总和。PE的气泡最大最高，代表与PE有关的专利申请数量远高于其他基体聚合物，且总和最大，关注度最高。PVC的气泡最远，其相关的研究论文发表的数量最多。其余基体聚合物的气泡较小，关注度较低，且文献发表数量差别不大。显然，在阻燃电缆的研究中，PE和PVC是最受关注的聚合物基体。

2.4 不同阻燃剂体系相关专利申请状况

从图9可以看出：由于无机氢氧化物阻燃体系具有环保和经济的优点，电缆阻燃技术主要仍采用传统的无机填充型阻燃剂氢氧化镁和氢氧化铝，两者占据了阻燃剂用量的一半以上。同时，纳米技术、纳米材料自21世纪在科技领域开始扮演重要角色，使纳米技术在阻燃电缆中的应用也明显增加。特别是2011年后，电缆纳米阻燃技术发展迅速，成为阻燃专利申请热点，对于电缆阻燃技术效率的提高产生了深远影响。

图8 文献、专利发表数量气泡图
Fig.8 Bubble chart of amount of papers and patents

EVA PE；聚丙烯； PVC； 氯化聚乙烯；乙丙橡胶 聚氨酯； 氯丁橡胶； 硅橡胶

图9 不同阻燃体系相关专利申请量的年度趋势
Fig.9 Annual trend of number of applied patents on different flame retardant system

氢氧化铝； 氢氧化镁； 膨胀型阻燃剂； 纳米材料；硼酸锌； 红磷；

3 结语

以中国知网以及国家知识产权局专利为数据库，使用文献计量学相关方法对国内电缆阻燃技术发展趋势进行综合分析。1986—2018年，随着“五年计划”的推进，我国阻燃电缆相关研究论文及专利技术发表数量总体呈增长趋势，说明我国对于电缆阻燃技术的研究热度持续上升。从关键词数据中发现，阻燃电缆领域的研究热点主要集中在电缆料，无卤阻燃，阻燃剂，防火，低烟无卤，聚烯烃，PE，PVC，氢氧化镁和氢氧化铝等方面。从阻燃电缆料的聚合物基材研究方面分析，研究仍以PVC，PE为主，PVC因其良好的阻燃性在工业、研究上仍具有惯性影响，EVA、硅橡胶、乙丙橡胶等新兴的基体以及交联技术也处于蓬勃发展中，仍需加大研究力度。从阻燃剂体系的相关研究情况可以看出，无卤阻燃体系已成为研究焦点，并且已经由简单粗放式的无机填充型阻燃发展到多种阻燃体系共同发展，高效的膨胀型阻燃剂在阻燃体系中占据越来越重要的位置，纳米技术与传统的无卤阻燃技术的协同也日益受到关注。