电缆及材料的抗开裂性能分析

1电缆及材料的抗开裂性能分析、探讨及对策摘要：本文对电缆的抗开裂性能做了详细分析，并从材料的角度探讨了电缆开裂的原因和对策，而为了更好地评估材料的抗开裂性能，对抗开裂性能的检测方法进行了总结，并提出了新的高温折弯检验方法，和热冲击法进行了了对比，发现高温折弯法效果更佳。本文的研究对抗开裂性能较好电缆的开发有一定的指导作用。关键词：电缆料、抗开裂、原因分析、对策、检验方法现在人们对电缆的要求越来越高，特别是保证阻燃的同时，不损失其他机械性能，同时又要保证其抗开裂性能。一、电缆的开裂电缆受到光照、温差、潮湿，甚至动物蛀咬，都可能造成开裂。当电缆在高温、辐射等恶劣环境下使用，就更容易开裂。郑琪介绍某变电站敷设的35KV大外径电缆，两次发现外护套有开裂现象[1]。王柏东、程仁良、戴忠华等介绍岭澳核电站例行检查中发现主控室照明电缆（核级K3类）运行不到3年，伸入灯管段的电缆芯线绝缘发生变色脆化开裂[2]。邹东、肖明辉在某地铁运行约一年时发现高架桥上的33kV电缆护套有破损，一年后发现更多破损[3]。试想如电缆的开裂不能及时发现，造成短路、燃烧等事故，必将对生命和财产安全造成很大威胁。二、电缆开裂判断的标准和方法既然电缆开裂风险很大，其抗开裂性能的验证就受到人们的重视。国标GB/T2951-2008《电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法》中介绍了判断电缆开裂的方法。如14部分低温试验介绍了两种方法，1、低温下用电缆绕棒，并观察电缆表面开裂的情况，即冷弯；2、把电缆彻底冷却后，用重锤冲击电缆，观察表面开裂情况，即冷冲击。第21部分弹性体混合料专用试验方法—耐臭氧试验中，也是用电缆绕棒，于臭氧中放置一段时间，观察电缆表面开裂情况。而第31部分：聚氯乙烯混合料专用试验方法—高温压力试验－抗开裂试验中，利用电缆绕棒，在标定温度时间或150℃、1小时，观察电缆表面开裂的情况。其他标准如GB/T19666《阻燃和耐火电线电缆通则》中聚烯烃电缆抗开裂测试也采用相同电缆绕棒方法，只是温度130℃，时间3小时；GB/T18015数字通信用对绞或星绞多芯对称电缆、GB/T17556船用电力和通信电缆护套材料等抗开裂测2试即引用GB/T2951。国外电缆的抗开裂测试也和此方法类似，GB/T2951即参考IEC60811标准。电缆安装、使用中，需弯曲、卷绕等，因此检测电缆卷绕后各种条件下抗开裂性能有一定的合理性。但当电缆表面有伤痕，如电缆拖曳时表面擦伤，会使电缆更易开裂。目前还无对电缆有伤痕情况下做抗开裂的标准测试方法。有些厂家采取直观法检测电缆抗开裂，把成圈的电缆在适当条件下放置，如烘箱中、室外暴晒等，一段时间后观察表面是否有开裂。三、电缆的开裂的原因分析[4-14]电缆发生开裂的被覆材料，多为高分子材质，其特性影响电缆抗开裂性能。聚氯乙烯极性大，无增塑剂难加工，该类电缆开裂主要和增塑剂有关。常用增塑剂低温性能较差，气温太低会失去增塑效果。北方高寒地区冬天达零下30℃或更低，此时增塑效果就会大打折扣。聚氯乙烯电缆中增塑剂可能迁移，高温下迁移速度更快，当增塑剂损失较大，材料性能会大幅度下降。而随着PVC低烟阻燃的要求，需加入大量的填料和阻燃剂，也使聚氯乙烯机械性能下降。当聚氯乙烯性能下降，在内应力或外力的作用下，电缆就很容易开裂。低烟无卤电缆材料多以聚烯烃为基体树脂，并加入大量填料型阻燃剂。该类阻燃剂如氢氧化物、磷氮类等，虽然环保、低烟，但效率低、加入量很大。常用的氢氧化铝、氢氧化镁，加入量50%以上，使材料机械性能下降。阻燃剂表面含有羟基或其他极性基团，和基体树脂相容性差。而填料增加后破坏高分子链间的连续性，减少分子链间的缠绕，使材料强度和韧性都降低。树脂和填料的膨胀系数也不一样，热胀冷缩不均匀而产生结构缺陷。内应力和外力作用下，填料和基体树脂还会发生相分离。因上述原因，低烟无卤电缆更易开裂。3牵引方向弯曲应力弯曲应力图一：电缆加工中受力情况电缆中应力普遍存在，图一为电缆为加工时产生的应力。左图当电缆挤出时，受到牵引，特别是高速牵引，分子链拉伸取向，纵向抗拉强度大于横向抗拉强度，此时沿电缆纵向易开裂；电缆在圆周方向也存在弯曲应力；右图为电缆弯曲成盘后受力情况，内外侧分别产生压、拉应力，外径越粗拉应力越大；内部绝缘弯曲后有侧压力，电缆弯曲后绝缘线芯沿纵向位移所产生的力也是不均匀的，局部可能出现集中，对护套形成向外挤的应力，使外护套挤破。加工时电缆要用水冷却，此时产生内应力甚至微孔。上述种种原因，都有可能使电缆开裂开裂。电缆敷设中因走向的需要、空间的限制，要弯曲和捆扎，存在弯曲应力和外力作用。电缆在夏季酷暑暴露于阳光下，向阳面温度很高，温差造成热胀冷缩所产生的应力与拉应力综合作用，会加速护套开裂。电缆长期和液体接触也会造成应力开裂，该测试依照GB/T2951-2008第41部分进行检测。环境应力开裂主要是材料和溶剂接触，溶剂沿着细小裂纹进入材料内部，造成表面能下降，并进一步引起开裂。铠装电缆弯曲时内部钢带会产生更大的侧应力，或存在飞边、缺口、划伤或切入护套使护套受伤，且钢带会与护套粘连等，都会产生局部应力集中，因此铠装电缆的外护套更容易发生开裂。上述开裂多受应力影响，无化学反应。而室外电缆或恶劣环境下使用的电缆会发生化学键断裂：1、光线中紫外光能量高，日光强烈地区，室外电缆因光氧老化造成高分子链的裂解；2、高分子材料高温情况下会发生降解，特别是氧气存在更易产生热氧老化，使高分子链裂解；3、环境中含高能辐射粒子，攻击高分子链造成裂解。这些高分子链裂解，必然使材料性能下降，造成电缆开裂。四、从材料角度判断电缆的开裂性能做成电缆后再检测其抗开裂性能，耗费周期长，因此从材料本身预先考察电4缆抗开裂性能，利于电缆料的开发与生产。电缆的开裂从材料来说有以下原因：1、分子链断裂，此和材料本身特性有关，包括强度、韧性、是否含有容易受自由基攻击的基团，如双键、叔基等。2、应力下相分离而开裂，含同相和异相分离：同相分离是分子链取向，在垂直取向方向，受力会发生撕裂；异相分离是因电缆料中含有多种树脂材料以及无机填料，因相容性差，在力作用下产生。3、材料变性，电缆料是多种材料的混合物，在电缆的加工、使用过程中，如某种成分改变性状或损失，将会使电缆料性能下降，造成开裂。和电缆抗开裂性能有关的材料性能，主要有以下几项：1、低温冲击低温脆化冲击是评估电缆料低温性能的重要指标。如GB8815-2008中聚氯乙烯绝缘低温脆化冲击要求是通过-15℃到-20℃，护套通过-20℃到-25℃。JB/T10707-2007中对热塑性低烟无卤聚烯烃电缆料低温脆化冲击要求是绝缘-25℃，护套-40℃。聚氯乙烯电缆料因含增塑剂，低温性能略差。聚烯烃电缆料的低温性能较好，纯的聚烯烃材料低温脆化冲击温度都要在-70℃以下，低烟无卤聚烯烃电缆料基本上都可以通过-40℃低温脆化冲击。刘荣德、王晶等人[15]研究了PVC材质的汽车电缆的冷弯和PVC材料低温冲击之间关系，发现护套材料的低温冲击脆化温度在-21℃时，电线可以通过-40℃冷弯试验。可见材料的低温脆化冲击和电缆低温抗开裂性能有一定关系。2、老化热老化是把材料放入热老化箱中，考察一定温度、时间内，机械性能的变化。热老化后材料性能一般都会下降，热老化是电缆料的重要指标，也是判断电缆耐温等级的依据。如电缆的耐温等级70℃、90℃、105℃、125℃等就是依据热老化的条件而区分。老化性能较差或不符合耐温等级，做成的电缆就会开裂。电缆材料根据其使用场合及特性要求，还会考察其耐油老化，耐泥浆老化，耐紫外老化，耐盐雾老化等不同老化指标。3、热冲击热冲击是考察电缆开裂的方法之一，研究工作者在此基础上建立检验方法，考察材料的抗开裂性能，以及和电缆抗开裂的关系。如项健认为GB/T2951热冲击方法针对聚氯乙烯材料，并不能完全反应低烟无卤阻燃护套的抗开裂性能，他5在卷绕时加上7Kg负载，如图二所示，130℃加热3小时，观察表面是否有开裂。通过该实验的材料，制成的电缆抗开裂性能不错[16]。笔者考察材料在不同温度、不同负载、不同时间下的抗开裂性能，发现前20分钟如没开裂，以后就不会开裂。这可能是高温条件下，高分子链段重排，对应力进行了消解。图二：热冲击试验卷绕后的样品目前该方法及在此基础上改进的方法[17-19]，已成为一些电缆或材料生产厂家评估电缆料抗开裂性能的方法。为了模拟验证电缆表面产生伤痕后的开裂性能，笔者还尝试在样条表面人为制造伤痕来测试，一种为压痕，一种为划痕，各为深0.1毫米。测试后发现：压痕对开裂性能影响不大；而划痕对开裂性能影响很大，绝大多数都在划痕处断开，少数几个比较柔软的材料没有断掉，但裂痕增大。这是因为划痕处是个应力集中点，在此处更易发生撕裂。4、耐环境应力开裂GB/T2951-2008第41部分聚乙烯和聚丙烯混合料专用试验方法-耐环境应力开裂试验的方法，是评估表面有刻痕的方法。该方法是制备一个长方形的样条，在样条上长度方向刻出划痕，然后弯曲180℃置于铜槽中，放在Igepalco-630（一种表面活性剂）溶液中（如图三），在一定温度和时间内，观察其刻痕的发展方向，并判断耐环境应力开裂性能。图三：耐环境应力开裂试验样品5、高温折弯为了评估电缆有伤痕后的抗开裂性能，我们对GB/T2951-2008第41部分聚乙烯和聚丙烯混合料专用试验方法-耐环境应力开裂试验方法进行改进，使其更6加符合电缆料。如图所示原试验方法刻痕是沿着折弯方向，刻痕本身不受力。我们在该方法的基础上，使刻痕垂直于折弯方向。折弯后，刻痕伤口更容易受到应力损伤。同时我们可以模拟电缆实际使用的环境，进行受热、低温或其他条件的测试，观察表面开裂情况。图四：改进前后样品上划痕对比试样尺寸参考GB/T2951-2008第41部分规定，改进如图四，厚度可以使用1mm、2mm、3mm，在试样上划痕深度0.1mm，弯曲好的试样固定在标准要求的黄铜槽中，放入模拟环境中测试其抗开裂性能，主要考察受热下是否会进一步延伸、扩大，以模拟电缆表面受伤后是否进一步造成开裂。五、如何从配方角度抗开裂对于聚氯乙烯电缆料，避免开裂就要选择适合的增塑剂。如加入低温性能好的DOS，提高电缆在低温下抗开裂性能。加入不易挥发的聚酯类增塑剂等，可以避免聚氯乙烯电缆在高温环境中因增塑剂迁移挥发而造成开裂。另外聚氯乙烯电缆料应避免加入过多填料，造成性能大幅度下降而开裂。交联可在材料内形成三维网状结构，增强电缆的抗开裂性能。最初的交联即橡胶硫化，目前的以橡胶为包覆材料的电缆仍然使用。现常用的交联方式有化学交联、硅烷交联、辐照交联等，交联后的电缆其机械性能有一个较大幅度的提高，应力可以分散到网络状的结构中，抗应力开裂性能增强，且耐油性能也有相当的提升。但交联后的电缆料在抵抗光、热、辐照等方面[20]仍有欠缺。为避免电缆料因受到光和热发生氧化反应使高分子链断裂，需加入适量的抗氧剂或稳定剂。为避免阳光中紫外线对分子链的破坏，可加入UV吸收剂或炭黑作为紫外光淬灭剂。7低烟无卤阻燃电缆料因高分子的基体树脂和无机填料的两相体系，相容性较差，如发生两相分离就会开裂。为此需要对两相材料进行处理：氢氧化铝、氢氧化镁等无机填料用偶联剂等对表面进行处理，降低极性，提高和基体树脂的相容性；利用接枝、共聚的方法在高分子链上引入马来酸酐、丙烯酸及酯等极性基团，可以增加基体树脂和无机填料的相容性。低烟无卤阻燃电缆料发展至今已较为成熟，主要由总量30-35%左右基体树脂如EVA（或EEA等）、PE、POE等中数种，50-60%左右无机填料如氢氧化铝、氢氧化镁、含磷化合物、其他协效阻燃剂一种或数种组合，适量相容剂如聚烯烃马来酸酐接枝料等，少量加工助剂如抗氧剂、润滑剂等和色粉等，为了某些特殊的性能还会加入一些特性材料[17,21-22]。常规的机械性能、一般的防开裂性能很好满足，但随着低烟无卤阻燃电缆在大线径电力电缆、铠装电缆上的应用，其抗开裂要求越来越高。在目前配方基本成熟的条件下，科研工作者可以在理论指导下进行配方设计，开发抗开裂低烟无卤阻燃电缆料。如EVA，高VA含