段春來(lái)
(上海凱波特種電纜料廠有限公司,上海201802)
硅烷自然交聯(lián)聚乙烯絕緣料的性能分析
段春來(lái)
(上海凱波特種電纜料廠有限公司,上海201802)
分析了硅烷自然交聯(lián)聚乙烯絕緣料的交聯(lián)時(shí)間和環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、絕緣厚度的關(guān)系;同時(shí),也分析了材料的老化性能和熱收縮性能與交聯(lián)性能的關(guān)系,對(duì)用戶的使用有指導(dǎo)意義。
硅烷;交聯(lián);絕緣
硅烷交聯(lián)聚乙烯絕緣料是目前電線電纜行業(yè)中所采用的三種交聯(lián)聚乙烯絕緣料之一。采用硅烷交聯(lián)聚乙烯生產(chǎn)交聯(lián)電纜,設(shè)備投資少,生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單,故受到國(guó)內(nèi)眾多電纜廠青睞。硅烷交聯(lián)聚乙烯絕緣料包括硅烷溫水交聯(lián)和硅烷自然交聯(lián)兩種:所謂溫水交聯(lián),是指電纜在擠包絕緣以后需在溫水或蒸汽浴中進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的蒸煮,電纜才可以交聯(lián),達(dá)到預(yù)期的耐溫等級(jí);而自然交聯(lián),除了可以按照溫水交聯(lián)的處理方式操作外,還可以在自然條件下交聯(lián),無(wú)需蒸煮。由于自然交聯(lián)料具有交聯(lián)速度快,可在自然條件下交聯(lián),能防止銅導(dǎo)體氧化變色、噴碼標(biāo)識(shí)明顯等特點(diǎn),近年來(lái)被越來(lái)越多的電纜廠所接受。然而,在電纜企業(yè)使用過(guò)程中,對(duì)此材料的性能特點(diǎn)還不甚了解,本文將結(jié)合我公司材料的情況對(duì)此進(jìn)行介紹。
硅烷自然交聯(lián)聚乙烯絕緣料的交聯(lián)狀況受到多種因素的影響,如環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、絕緣層厚度等。目前衡量電纜交聯(lián)性能的指標(biāo)是熱延伸。所謂熱延伸是指試樣在規(guī)定的溫度、時(shí)間和負(fù)載條件下的伸長(zhǎng)率,伸長(zhǎng)率越大說(shuō)明試樣交聯(lián)越差。如果在規(guī)定條件下,試樣斷裂,則說(shuō)明熱延伸不合格,即材料的交聯(lián)性能達(dá)不到要求。對(duì)于硅烷交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜,熱延伸測(cè)試時(shí)要求[1],溫度為200℃,負(fù)荷時(shí)間15 min,負(fù)載應(yīng)力20 N/cm2,負(fù)載下最大伸長(zhǎng)率175%。試樣熱延伸的具體測(cè)試步驟參見GB/T 2951.21[2]。
1.1 環(huán)境溫度
相對(duì)于其他因素,環(huán)境溫度是最重要的,對(duì)交聯(lián)速度的影響最大。圖1是我公司硅烷自然交聯(lián)聚乙烯絕緣料在不同溫度下的交聯(lián)時(shí)間圖。圖1中的數(shù)據(jù)是用單螺桿擠出機(jī)擠出厚度為1 mm的管狀試樣在恒溫恒濕箱中按不同溫度,放置不同時(shí)間的測(cè)試結(jié)果(熱延伸小于175%),測(cè)試時(shí),除0℃的數(shù)據(jù)外,其他數(shù)據(jù)均是在相對(duì)濕度為50%的條件下測(cè)得的。
1.2 環(huán)境濕度
實(shí)際上,環(huán)境濕度對(duì)于材料的交聯(lián)也有影響,但是影響相對(duì)較小。為了驗(yàn)證上述結(jié)論,我們?cè)趧倓倲D出的硅烷交聯(lián)聚乙烯絕緣層上直接擠包一層聚氯乙烯(PVC)護(hù)套,用來(lái)隔絕空氣中的水蒸氣,即改變絕緣層所處的環(huán)境濕度。同時(shí),作為比較,也將一個(gè)無(wú)護(hù)套的絕緣試樣一同放置,一并測(cè)試。絕緣層的厚度為0.8 mm,PVC護(hù)套的厚度為0.9 mm,將其放置在30℃的自然環(huán)境中,其熱延伸的數(shù)據(jù)如表1。
圖1 交聯(lián)速度和溫度的關(guān)系圖
表1 30℃時(shí)交聯(lián)速度和環(huán)境濕度的關(guān)系
由表1熱延伸數(shù)據(jù)可知,擠包PVC護(hù)套的絕緣層,交聯(lián)時(shí)間比直接暴露于空氣中的交聯(lián)速度相對(duì)慢一些,但差別不明顯。
如果直接將硅烷交聯(lián)聚乙烯絕緣料擠成的管狀試樣分別放置在相對(duì)濕度為20%和80%的60℃的恒溫恒濕箱中,熱延伸的結(jié)果會(huì)出現(xiàn)較大差異,其結(jié)果如表2所示。表2中寫的時(shí)間是試樣測(cè)試時(shí)放到烘箱中斷裂的時(shí)間,表示熱延伸不合格。
表2 60℃時(shí)交聯(lián)速度和環(huán)境濕度的關(guān)系
由2表可知,在較高溫度下,材料的交聯(lián)速度較快,在幾小時(shí)內(nèi)就可以交聯(lián),而且濕度對(duì)交聯(lián)時(shí)間的影響較大。原因可能是在較高溫度下,水分在材料中的滲透起到了決定性作用,濕度越大,水分滲透越快,交聯(lián)速度也就相應(yīng)地增加較快。
1.3 絕緣厚度
絕緣厚度對(duì)交聯(lián)的影響也比較大,且交聯(lián)時(shí)間和絕緣厚度不是線性關(guān)系。由于條件所限,無(wú)法對(duì)所有的絕緣厚度做對(duì)比試驗(yàn)。僅以厚度為1 mm和2 mm的管狀試樣為例,在溫度23℃,相對(duì)濕度30%的條件下,放置不同時(shí)間后,測(cè)試熱延伸數(shù)據(jù)如表3所示。
表3 交聯(lián)速度和絕緣厚度的關(guān)系
1.4 蒸汽浴
很多電纜企業(yè)在冬天使用硅烷自然交聯(lián)聚乙烯絕緣料時(shí),由于交聯(lián)時(shí)間較長(zhǎng),采用蒸氣浴的方法進(jìn)行交聯(lián)。一般來(lái)說(shuō),1.2 mm厚度的電纜,蒸汽浴時(shí)間不超過(guò)6 h,有的甚至只有2 h,這和不同廠家所用蒸汽的溫度及實(shí)際濕度有關(guān)。但值得注意的是,在對(duì)纏繞較緊密的小線盤進(jìn)行蒸氣浴交聯(lián)時(shí),有時(shí)候因蒸汽很難透入到線盤內(nèi)部,就常出現(xiàn)線盤表面的線已交聯(lián),而線盤內(nèi)部的線還沒(méi)有完全交聯(lián)的情況,遇到這種情況,應(yīng)延長(zhǎng)蒸汽浴時(shí)間。
對(duì)于硅烷自然交聯(lián)聚乙烯絕緣料的老化性能,有些廠家測(cè)試不合格,原因不是材料的耐老化性能不好,而是材料在老化測(cè)試過(guò)程中又出現(xiàn)了交聯(lián)現(xiàn)象,從而導(dǎo)致試樣的斷裂伸長(zhǎng)率降低,其表現(xiàn)是老化后的伸率變化率過(guò)大,老化性能不合格。為驗(yàn)證上述結(jié)論,筆者做了如下試驗(yàn)。
首先將同一批號(hào)的材料在雙螺桿擠出機(jī)中擠出成管狀試樣(厚度1 mm),對(duì)此試樣分別自然放置不同天數(shù)、煮水0.5 h、煮水4 h后測(cè)試材料的斷裂伸長(zhǎng)率。同時(shí),又進(jìn)一步對(duì)煮水0.5 h和煮水4 h的樣品在135℃條件下處理4 h,也測(cè)試了材料的斷裂伸長(zhǎng)率,測(cè)試結(jié)果如表4。
表4 不同處理?xiàng)l件下材料老化后的伸率變化率(單位:%)
由表4的結(jié)果可以看出,材料老化后的最終斷裂伸長(zhǎng)率差別不大,伸率變化率的差異完全取決于原始的斷裂伸長(zhǎng)率,而原始斷裂伸長(zhǎng)率和材料的交聯(lián)度關(guān)系密切。材料交聯(lián)越充分,則斷裂伸長(zhǎng)率越小,相應(yīng)的老化后的伸率變化率就越小,老化的合格率越高。而在135℃的老化條件下,材料會(huì)進(jìn)一步交聯(lián),進(jìn)而產(chǎn)生伸率變小的狀況,這一變化幾乎不是老化引起的,僅僅是交聯(lián)引起的。
同時(shí),按照GB/T 2951.11-2008[3]中9.1.3條款的規(guī)定,試樣需要高溫處理和環(huán)境處理。對(duì)于硅烷自然交聯(lián)聚乙烯絕緣料,高溫處理的條件為70℃×24 h。
因此要想真正測(cè)試材料的老化性能,必須要使材料充分交聯(lián)后測(cè)試,否則測(cè)試的結(jié)果是不準(zhǔn)確的。對(duì)于自然交聯(lián)料,為了達(dá)到較為準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果,一定要等材料在自然條件下充分交聯(lián)或者將材料充分煮水后再進(jìn)一步測(cè)試。
熱收縮是硅烷交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜的一個(gè)重要指標(biāo)。其測(cè)試方法參見GB/T 2951.13-2008中第10章,其中標(biāo)志間長(zhǎng)度L為200 mm,測(cè)試時(shí)間為1 h,測(cè)試溫度為130℃,要求收縮率小于4%。此指標(biāo)是小規(guī)格擠管式硅烷交聯(lián)聚乙烯電線很難達(dá)到的一個(gè)指標(biāo)。然而隨著檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)此項(xiàng)目的抽檢越來(lái)越嚴(yán)格,電纜廠也對(duì)材料的要求越來(lái)越高。我公司用硅烷自然交聯(lián)聚乙烯絕緣料生產(chǎn)的電纜,熱收縮可以全部合格。但在熱收縮的測(cè)試中,也會(huì)遇到一些問(wèn)題,主要表現(xiàn)仍然是材料交聯(lián)不充分的時(shí)候測(cè)試。為此,筆者也做了多組對(duì)比試驗(yàn),如表5。試樣是用擠出機(jī)擠出的管狀試樣,并非電纜,管狀試樣的外徑約4 mm,壁厚約0.8 mm。
表5 熱延伸和熱收縮的關(guān)系 (單位:%)
由表5的測(cè)試結(jié)果可以看出,隨著材料交聯(lián)時(shí)間和交聯(lián)度的增加,材料的熱收縮會(huì)逐漸減小,直至小于4%,所以建議使用者在測(cè)試電纜的熱收縮時(shí),應(yīng)使其絕緣層充分交聯(lián),必要時(shí)需要煮水達(dá)到充分交聯(lián),然后再測(cè)試熱收縮。
硅烷自然交聯(lián)聚乙烯絕緣料,較傳統(tǒng)的溫水交聯(lián)料有著不可比擬的優(yōu)勢(shì),但是其交聯(lián)時(shí)間也受到多種因素的影響,用戶在使用時(shí)需特別關(guān)注,不能盲目地認(rèn)為自然交聯(lián)料在任何條件下都可以快速交聯(lián)。對(duì)線纜進(jìn)行測(cè)試時(shí),應(yīng)使其充分交聯(lián),必要時(shí)需要煮水后測(cè)試,不能認(rèn)為熱延伸小于175%就已經(jīng)是充分交聯(lián)了,其他性能也都能全部合格。只有充分了解了材料的交聯(lián)特性,才能切實(shí)減少生產(chǎn)工序,降低生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率。
[1] GB/T 12706.1-2008 額定電壓1 kV(Um=1.2 kV)到35 kV(Um=40.5 kV)擠包絕緣電力電纜及附件[S].
[2] GB/T 2951.21-2008 電纜和光纜絕緣和護(hù)套材料通用試驗(yàn)方法第21部分:彈性體混合料專用試驗(yàn)方法-耐臭氧試驗(yàn)-熱延伸試驗(yàn)-浸礦物油試驗(yàn)[S].
[3] GB/T 2951.11-2008 電纜和光纜絕緣和護(hù)套材料通用試驗(yàn)方法第11部分:通用試驗(yàn)方法-厚度和外形尺寸測(cè)量-機(jī)械性能試驗(yàn)[S].
Analysis of the Properties of the Silane Crosslinable under Ambient Conditions Polyethylene Insulation
DUAN Chun-lai
(Shanghai Kaibo compounds Co.,Ltd.,Shanghai201802,China)
The relationships between the crossling time and the temperature,the humidity and the thickness of the silane crosslinable under ambient conditions polyethylene insulation are analysed.And the relationships between the crosslinking property and ageing,shrink ness properties are also analysed.This is very important for the customer to use the compound.
silane;crosslink;insulation
TM215.1
A
1672-6901(2014)06-0018-03
2014-08-05
段春來(lái)(1978-),男,工程師.
作者地址:上海市嘉定區(qū)南翔鎮(zhèn)永樂(lè)村 271號(hào)[201802].