1、精選優質文檔-傾情為你奉上電纜及材料的抗開裂性能分析、探討及對策摘要：本文對電纜的抗開裂性能做了詳細分析，并從材料的角度探討了電纜開裂的原因和對策，而為了更好地評估材料的抗開裂性能，對抗開裂性能的檢測方法進行了總結，并提出了新的高溫折彎檢驗方法，和熱沖擊法進行了了對比，發現高溫折彎法效果更佳。本文的研究對抗開裂性能較好電纜的開發有一定的指導作用。關鍵詞：電纜料、抗開裂、原因分析、對策、檢驗方法現在人們對電纜的要求越來越高，特別是保證阻燃的同時，不損失其他機械性能，同時又要保證其抗開裂性能。一、 電纜的開裂電纜受到光照、溫差、潮濕，甚至動物蛀咬，都可能造成開裂。當電纜在高溫、輻射等惡劣環境下使用

2、，就更容易開裂。 鄭琪介紹某變電站敷設的35KV大外徑電纜，兩次發現外護套有開裂現象1。、等介紹嶺澳核電站例行檢查中發現主控室照明電纜（核級K3類）運行不到3年，伸入燈管段的電纜芯線絕緣發生變色脆化開裂2。鄒東、肖明輝在某地鐵運行約一年時發現高架橋上的33kV電纜護套有破損，一年后發現更多破損3。試想如電纜的開裂不能及時發現，造成短路、燃燒等事故，必將對生命和財產安全造成很大威脅。二、 電纜開裂判斷的標準和方法既然電纜開裂風險很大，其抗開裂性能的驗證就受到人們的重視。國標GB/T2951-2008電纜和光纜絕緣和護套材料通用試驗方法中介紹了判斷電纜開裂的方法。如14部分低溫試驗介紹了兩種方法，

3、1、低溫下用電纜繞棒，并觀察電纜表面開裂的情況，即冷彎；2、把電纜徹底冷卻后，用重錘沖擊電纜，觀察表面開裂情況，即冷沖擊。第21部分彈性體混合料專用試驗方法耐臭氧試驗中，也是用電纜繞棒，于臭氧中放置一段時間，觀察電纜表面開裂情況。而第31部分：聚氯乙烯混合料專用試驗方法高溫壓力試驗抗開裂試驗中，利用電纜繞棒，在標定溫度時間或150、1小時，觀察電纜表面開裂的情況。其他標準如GB/T19666阻燃和耐火電線電纜通則 中聚烯烴電纜抗開裂測試也采用相同電纜繞棒方法，只是溫度130，時間3小時；GB/T 18015數字通信用對絞或星絞多芯對稱電纜、GB/T 17556船用電力和通信電纜護套材料等抗開裂

4、測試即引用GB/T2951。國外電纜的抗開裂測試也和此方法類似，GB/T2951即參考IEC60811標準。電纜安裝、使用中，需彎曲、卷繞等，因此檢測電纜卷繞后各種條件下抗開裂性能有一定的合理性。但當電纜表面有傷痕，如電纜拖曳時表面擦傷，會使電纜更易開裂。目前還無對電纜有傷痕情況下做抗開裂的標準測試方法。有些廠家采取直觀法檢測電纜抗開裂，把成圈的電纜在適當條件下放置，如烘箱中、室外暴曬等，一段時間后觀察表面是否有開裂。三、 電纜的開裂的原因分析4-14 電纜發生開裂的被覆材料，多為高分子材質，其特性影響電纜抗開裂性能。 聚氯乙烯極性大，無增塑劑難加工，該類電纜開裂主要和增塑劑有關。常用增塑劑低

5、溫性能較差，氣溫太低會失去增塑效果。北方高寒地區冬天達零下30或更低，此時增塑效果就會大打折扣。聚氯乙烯電纜中增塑劑可能遷移，高溫下遷移速度更快，當增塑劑損失較大，材料性能會大幅度下降。而隨著PVC低煙阻燃的要求，需加入大量的填料和阻燃劑，也使聚氯乙烯機械性能下降。當聚氯乙烯性能下降，在內應力或外力的作用下，電纜就很容易開裂。低煙無鹵電纜材料多以聚烯烴為基體樹脂，并加入大量填料型阻燃劑。該類阻燃劑如氫氧化物、磷氮類等，雖然環保、低煙，但效率低、加入量很大。常用的氫氧化鋁、氫氧化鎂，加入量50%以上，使材料機械性能下降。阻燃劑表面含有羥基或其他極性基團，和基體樹脂相容性差。而填料增加后破壞高分子

6、鏈間的連續性，減少分子鏈間的纏繞，使材料強度和韌性都降低。樹脂和填料的膨脹系數也不一樣，熱脹冷縮不均勻而產生結構缺陷。內應力和外力作用下，填料和基體樹脂還會發生相分離。因上述原因，低煙無鹵電纜更易開裂。圖一：電纜加工中受力情況電纜中應力普遍存在，圖一為電纜為加工時產生的應力。左圖當電纜擠出時，受到牽引，特別是高速牽引，分子鏈拉伸取向，縱向抗拉強度大于橫向抗拉強度，此時沿電纜縱向易開裂；電纜在圓周方向也存在彎曲應力；右圖為電纜彎曲成盤后受力情況，內外側分別產生壓、拉應力，外徑越粗拉應力越大；內部絕緣彎曲后有側壓力，電纜彎曲后絕緣線芯沿縱向位移所產生的力也是不均勻的，局部可能出現集中，對護套形成向

7、外擠的應力，使外護套擠破。加工時電纜要用水冷卻，此時產生內應力甚至微孔。上述種種原因，都有可能使電纜開裂開裂。電纜敷設中因走向的需要、空間的限制，要彎曲和捆扎，存在彎曲應力和外力作用。電纜在夏季酷暑暴露于陽光下，向陽面溫度很高，溫差造成熱脹冷縮所產生的應力與拉應力綜合作用，會加速護套開裂。電纜長期和液體接觸也會造成應力開裂，該測試依照GB/T2951-2008第41部分進行檢測。環境應力開裂主要是材料和溶劑接觸，溶劑沿著細小裂紋進入材料內部，造成表面能下降，并進一步引起開裂。鎧裝電纜彎曲時內部鋼帶會產生更大的側應力，或存在飛邊、缺口、劃傷或切入護套使護套受傷，且鋼帶會與護套粘連等，都會產生局部

8、應力集中，因此鎧裝電纜的外護套更容易發生開裂。上述開裂多受應力影響，無化學反應。而室外電纜或惡劣環境下使用的電纜會發生化學鍵斷裂：1、光線中紫外光能量高，日光強烈地區，室外電纜因光氧老化造成高分子鏈的裂解；2、高分子材料高溫情況下會發生降解，特別是氧氣存在更易產生熱氧老化，使高分子鏈裂解；3、環境中含高能輻射粒子，攻擊高分子鏈造成裂解。這些高分子鏈裂解，必然使材料性能下降，造成電纜開裂。四、 從材料角度判斷電纜的開裂性能做成電纜后再檢測其抗開裂性能，耗費周期長，因此從材料本身預先考察電纜抗開裂性能，利于電纜料的開發與生產。電纜的開裂從材料來說有以下原因：1、分子鏈斷裂，此和材料本身特性有關，包

9、括強度、韌性、是否含有容易受自由基攻擊的基團，如雙鍵、叔基等。2、應力下相分離而開裂，含同相和異相分離：同相分離是分子鏈取向，在垂直取向方向，受力會發生撕裂；異相分離是因電纜料中含有多種樹脂材料以及無機填料，因相容性差，在力作用下產生。3、材料變性，電纜料是多種材料的混合物，在電纜的加工、使用過程中，如某種成分改變性狀或損失，將會使電纜料性能下降，造成開裂。和電纜抗開裂性能有關的材料性能，主要有以下幾項：1、 低溫沖擊 低溫脆化沖擊是評估電纜料低溫性能的重要指標。如GB8815-2008中聚氯乙烯絕緣低溫脆化沖擊要求是通過-15到-20，護套通過-20到-25。JB/T10707-2007中對

10、熱塑性低煙無鹵聚烯烴電纜料低溫脆化沖擊要求是絕緣-25，護套-40。聚氯乙烯電纜料因含增塑劑，低溫性能略差。聚烯烴電纜料的低溫性能較好，純的聚烯烴材料低溫脆化沖擊溫度都要在-70以下，低煙無鹵聚烯烴電纜料基本上都可以通過-40低溫脆化沖擊。劉榮德、王晶等人15研究了PVC材質的汽車電纜的冷彎和PVC材料低溫沖擊之間關系，發現護套材料的低溫沖擊脆化溫度在-21時，電線可以通過-40冷彎試驗?？梢姴牧系牡蜏卮嗷瘺_擊和電纜低溫抗開裂性能有一定關系。2、 老化熱老化是把材料放入熱老化箱中，考察一定溫度、時間內，機械性能的變化。熱老化后材料性能一般都會下降，熱老化是電纜料的重要指標，也是判斷電纜耐溫等級

11、的依據。如電纜的耐溫等級70、90、105、125等就是依據熱老化的條件而區分。老化性能較差或不符合耐溫等級，做成的電纜就會開裂。電纜材料根據其使用場合及特性要求，還會考察其耐油老化，耐泥漿老化，耐紫外老化，耐鹽霧老化等不同老化指標。3、 熱沖擊熱沖擊是考察電纜開裂的方法之一，研究工作者在此基礎上建立檢驗方法，考察材料的抗開裂性能，以及和電纜抗開裂的關系。如項健認為GB/T2951熱沖擊方法針對聚氯乙烯材料，并不能完全反應低煙無鹵阻燃護套的抗開裂性能，他在卷繞時加上7Kg負載，如圖二所示，130加熱3小時，觀察表面是否有開裂。通過該實驗的材料，制成的電纜抗開裂性能不錯16。筆者考察材料在不同溫

12、度、不同負載、不同時間下的抗開裂性能，發現前20分鐘如沒開裂，以后就不會開裂。這可能是高溫條件下，高分子鏈段重排，對應力進行了消解。圖二：熱沖擊試驗卷繞后的樣品 目前該方法及在此基礎上改進的方法17-19，已成為一些電纜或材料生產廠家評估電纜料抗開裂性能的方法。為了模擬驗證電纜表面產生傷痕后的開裂性能，筆者還嘗試在樣條表面人為制造傷痕來測試，一種為壓痕，一種為劃痕，各為深0.1毫米。測試后發現：壓痕對開裂性能影響不大；而劃痕對開裂性能影響很大，絕大多數都在劃痕處斷開，少數幾個比較柔軟的材料沒有斷掉，但裂痕增大。這是因為劃痕處是個應力集中點，在此處更易發生撕裂。 4、耐環境應力開裂GB/T295

13、1-2008第41部分聚乙烯和聚丙烯混合料專用試驗方法-耐環境應力開裂試驗的方法，是評估表面有刻痕的方法。該方法是制備一個長方形的樣條，在樣條上長度方向刻出劃痕，然后彎曲180置于銅槽中，放在Igepal co-630（一種表面活性劑）溶液中（如圖三），在一定溫度和時間內，觀察其刻痕的發展方向，并判斷耐環境應力開裂性能。 圖三：耐環境應力開裂試驗樣品5、高溫折彎為了評估電纜有傷痕后的抗開裂性能，我們對GB/T2951-2008第41部分聚乙烯和聚丙烯混合料專用試驗方法-耐環境應力開裂試驗方法進行改進，使其更加符合電纜料。如圖所示原試驗方法刻痕是沿著折彎方向，刻痕本身不受力。我們在該方法的基礎上

14、，使刻痕垂直于折彎方向。折彎后，刻痕傷口更容易受到應力損傷。同時我們可以模擬電纜實際使用的環境，進行受熱、低溫或其他條件的測試，觀察表面開裂情況。 圖四：改進前后樣品上劃痕對比試樣尺寸參考GB/T2951-2008第41部分規定，改進如圖四，厚度可以使用1mm、2mm、3mm，在試樣上劃痕深度0.1mm，彎曲好的試樣固定在標準要求的黃銅槽中，放入模擬環境中測試其抗開裂性能，主要考察受熱下是否會進一步延伸、擴大，以模擬電纜表面受傷后是否進一步造成開裂。五、 如何從配方角度抗開裂對于聚氯乙烯電纜料，避免開裂就要選擇適合的增塑劑。如加入低溫性能好的DOS，提高電纜在低溫下抗開裂性能。加入不易揮發的聚

15、酯類增塑劑等，可以避免聚氯乙烯電纜在高溫環境中因增塑劑遷移揮發而造成開裂。另外聚氯乙烯電纜料應避免加入過多填料，造成性能大幅度下降而開裂。交聯可在材料內形成三維網狀結構，增強電纜的抗開裂性能。最初的交聯即橡膠硫化，目前的以橡膠為包覆材料的電纜仍然使用?，F常用的交聯方式有化學交聯、硅烷交聯、輻照交聯等，交聯后的電纜其機械性能有一個較大幅度的提高，應力可以分散到網絡狀的結構中，抗應力開裂性能增強，且耐油性能也有相當的提升。但交聯后的電纜料在抵抗光、熱、輻照等方面20仍有欠缺。為避免電纜料因受到光和熱發生氧化反應使高分子鏈斷裂，需加入適量的抗氧劑或穩定劑。為避免陽光中紫外線對分子鏈的破壞，可加入UV

16、吸收劑或炭黑作為紫外光淬滅劑。低煙無鹵阻燃電纜料因高分子的基體樹脂和無機填料的兩相體系，相容性較差，如發生兩相分離就會開裂。為此需要對兩相材料進行處理：氫氧化鋁、氫氧化鎂等無機填料用偶聯劑等對表面進行處理，降低極性，提高和基體樹脂的相容性；利用接枝、共聚的方法在高分子鏈上引入馬來酸酐、丙烯酸及酯等極性基團，可以增加基體樹脂和無機填料的相容性。低煙無鹵阻燃電纜料發展至今已較為成熟，主要由總量30-35%左右基體樹脂如EVA（或EEA等）、PE、POE等中數種，50-60%左右無機填料如氫氧化鋁、氫氧化鎂、含磷化合物、其他協效阻燃劑一種或數種組合，適量相容劑如聚烯烴馬來酸酐接枝料等，少量加工助劑如

17、抗氧劑、潤滑劑等和色粉等，為了某些特殊的性能還會加入一些特性材料17,21-22。常規的機械性能、一般的防開裂性能很好滿足，但隨著低煙無鹵阻燃電纜在大線徑電力電纜、鎧裝電纜上的應用，其抗開裂要求越來越高。在目前配方基本成熟的條件下，科研工作者可以在理論指導下進行配方設計，開發抗開裂低煙無鹵阻燃電纜料。如EVA，高VA含量柔韌性好，有利于抗開裂，但強度低。PE有HDPE、MDPE、LDPE、LLDPE、mLLDPE、VLDPE等，其有各自的性能特點；POE有八碳、四碳之分，性能也有差異。同樣基體樹脂，不同廠家不同牌號的性能是有差異的。這些要根據不同產品的要求進行選擇。針對電纜料抗應力開裂性能，筆

18、者提出了強度補償、柔性補償的看法。強度補償就是提高材料的強度，以對抗內應力和外力。如劉倩如用HDPE作為主體骨架材料之一，提高低煙無鹵材料在熱態時的強度，提高其抗開裂性能，就是利用強度補償的機理，她用該方法制得的材料可以通過加上7Kg負載，溫度為130，1小時的熱沖擊抗開裂試驗18。筆者也做過多次試驗，在配方總體框架不變的情況下，EVA/LLDPE總量不變，改變EVA/LLDPE的配比，發現當增加LLDPE達到一定值，就能通過上述抗開裂試驗。分析是因為LLDPE的強度大于EVA，符合強度補償機理。把能通過卷繞抗開裂試驗上述類似配方中的LLDPE換成強度更低的DFDA-7042，則不能通過，也符

19、合強度補償機理。但對于強度大的材料，相同的變形，其應力更大，而大的應力也是電纜開裂的主要原因。筆者在做熱沖擊試驗時，如操作不當在樣條表面造成傷痕，就容易開裂。而一些柔韌性較好的材料，即使表面有小的缺陷，對抗開裂的影響也沒有剛性強的材料大。因此筆者基于高分子鏈特性，認為柔性補償機理對于電纜的抗開裂性能更加有利。筆者嘗試在配方中加入彈性體材料，如POE、SEBS等，增加材料的柔韌性，在保證一定強度前提下，很容易通過負載熱沖擊試驗，也可通過有刻痕的高溫折彎抗開裂試驗。能通過刻痕法高溫折彎抗開裂試驗的材料多在邵D50以下，而常規的低煙無鹵電纜料硬度多大于邵D50。分析其抗開裂好的原因：柔韌性好的的材料

20、，相同的變形或彎曲程度下應力較小；柔韌性好材料其高分子鏈柔軟，活動范圍大，可消解部分內應力。強度補償和柔性補償二者性能最佳的結合是TPU材料，用該材料制成的電纜抗開裂性能優良，可惜TPU材料阻燃不是太好，且燃燒時煙很大！筆者根據前述兩種材料的抗開裂檢測方法，結合強度補償和柔性補償進行配方試驗，并研究了和電纜抗開裂性能的關系。對已通過熱沖擊抗開裂性能的電纜料，進行有刻痕的高溫折彎抗開裂試驗，發現：1mm厚度的樣品都可以通過40、60、80各24小時的試驗；當厚度增加到2mm時絕大部分可以通過40、60各24小時，但不容易通過80下24小時的試驗；而對于3mm的樣品，40放置24小時部分有開裂，6

21、0時大部分開裂。為此，我們選擇2mm厚度的樣品來考察電纜料高溫折彎情況下的開裂性能。經過試驗發現能夠通過高溫折彎試驗的低煙無鹵電纜料，伸長率都在200以上、邵D硬度在48以下，而且通過都可以通過通過熱沖擊抗開裂試驗。用兩種不同條件通過抗開裂試驗的電纜料，制備成電纜，電纜外徑為15mm、厚度1mm，分別為無鎧裝和有鎧裝?？疾鞐l件為電纜繞成直徑為30mm，放入烘箱中，120放置一段時間后發現：無鎧裝的電纜，兩種電纜都可以維持1個月以上不開裂；而僅通過熱沖擊抗開裂電纜料制得的鎧裝電纜數天就開裂，而80通過有刻痕的高溫折彎抗開裂試驗的低煙無鹵電纜料，維持1個月以上不開裂。但筆者也發現如果為追求通過刻痕

22、法的實驗而加入過多的彈性體，會造成無法熱沖擊法實驗，分析原因是一般彈性體的熔點低、耐熱性差，在150融化，無法保持強度。參考文獻1、鄭琪,大截面阻燃電纜使用時外護套開裂問題的分析,高電壓技術J,2004,30(106):34-362、王柏東、程仁良、戴忠華等,電纜開裂原因分析,核電工程與技術J,2005,3：29-363、鄒 東、肖明輝,地鐵高架33kV電纜護套開裂原因分析及措施,電氣化鐵道J, 2009,2：36-394、毛文沛,無鹵低煙阻燃鋼帶鎧裝電纜護套應力開裂的探討,電線電纜J,2001,6:20-225、周禮文,大外徑電力電纜聚乙烯外護套開裂問題的探討,電線電纜J,2012,4:44

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