新型抗損傷耐低溫軟電纜的研制

劉永堅，高 峰，歷春陽，陳清海，胡新東

(1.衡陽恒飛電纜有限責(zé)任公司，湖南 衡陽421008;2.東莞市聯(lián)升電線電纜有限公司，廣東 東莞523920)

0 引言

普通電纜在冰凍環(huán)境或低溫天氣下，通常變得僵硬，在拖拉、卷撓、彎曲、移動中都有可能出現(xiàn)損壞，特別是在－20℃以下環(huán)境中使用時，常會出現(xiàn)脆化、開裂、斷裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響其正常使用。

隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，有大量的勘測設(shè)備、儀器儀表、機(jī)械設(shè)備所需的裝配電纜在低溫環(huán)境下使用，如何確保這些設(shè)備在惡劣低溫條件下能正常工作，這對電纜的抗損傷性和耐低溫性是一個考驗。

1 電纜使用環(huán)境及現(xiàn)狀

根據(jù)客戶提供的信息，電纜裝配的設(shè)備和工具用于我國東、西北地區(qū)的礦山，冬季氣溫經(jīng)常處于－25℃以下，甚至達(dá)到－40℃左右?，F(xiàn)階段大多使用的是按照GB/T 5013.4中YZW(中型橡套軟電纜)進(jìn)行改良的軟電纜，但通常情況下都存在以下幾個問題:(1)電纜僵硬，拖拉、彎曲比較困難;(2)電纜易脆化，常有開裂或斷裂現(xiàn)象;(3)電纜抗損傷性差，在受夾擠、壓碾時出現(xiàn)破裂;(4)電纜使用壽命短，1～2年內(nèi)就出現(xiàn)開裂或斷芯。

2 電纜設(shè)計

新電纜的設(shè)計不僅要滿足－40～90℃動態(tài)工作的需要，還要結(jié)合資源礦山的使用環(huán)境，進(jìn)行抗人員踩踏，抗工具夾擠，抗機(jī)器設(shè)備、交通工具壓碾，抗拖拉、刮擦等性能要求的設(shè)計。這要求電纜具有良好的低溫性能的同時，還要具有優(yōu)良的機(jī)械性能，特別是抗拉強(qiáng)度、耐磨、耐損傷等性能。此外為了攜帶和使用方便，盡量把電纜設(shè)計成外徑小、重量輕、柔軟、易彎曲，具備優(yōu)異的抗彎曲疲勞性能。

2.1 性能要求

綜合考慮電纜的抗損傷、耐低溫和柔軟等性能要求，選用國際上性能要求相近或相似的線纜標(biāo)準(zhǔn)，作為新型電纜性能設(shè)計的參考依據(jù)。經(jīng)信息收集和研究分析，最終選用歐洲標(biāo)準(zhǔn)HD 22.10作為性能設(shè)計基礎(chǔ)，并針對性地進(jìn)行性能提高。以額定電壓300/500V 3G 0.75 mm2軟電纜為例，電纜的主要性能要求見表1。

新設(shè)計的抗損傷耐低溫軟電纜，絕緣材料在EN 50363中EI6型材料性能基礎(chǔ)上增加了低溫要求，與YZW電線常用的EI4型材料在老化、熱延伸和低溫性能方面存在較大差異。外被材料以EN 50363中TMPU(聚氨酯彈性體)性能為基礎(chǔ)，除了低溫彎曲外，還包括耐油、浸水、抗破裂、抗皂化等性能。成品電纜在歐洲H05BQ-F(乙丙絕緣聚氨酯護(hù)套軟電纜)電纜基礎(chǔ)上，增加阻燃要求，同時還參考UL 62第18版中的抗損傷性能評定，增加耐磨、夾擠、壓碾性能，這是為電纜的苛刻工作環(huán)境而特別設(shè)計的。

表1 抗損傷耐低溫軟電纜3G 0.75 mm2主要性能

2.2 材料選擇

材料的合理選用是電纜成功開發(fā)的關(guān)鍵，耐低溫軟電纜通常選用耐寒軟質(zhì)PVC(聚氯乙烯)、耐低溫TPE(熱塑彈性體)和耐寒熱固性橡膠等材料。

現(xiàn)階段同類型低溫電纜，絕緣多數(shù)選用蒸氣硫化三元乙丙橡膠(EPDM)，護(hù)套選用蒸氣硫化氯丁混合橡膠。

從現(xiàn)階段電纜使用情況來分析，絕緣材料出現(xiàn)異常的情況較少，絕大部分問題都出在電纜外護(hù)套。這使外護(hù)套材料的選用成了關(guān)鍵。通常對低溫材料的評定，是通過評定材料在低溫下的機(jī)械性能，借助于材料的玻璃化溫度。電線電纜常用材料玻璃化溫度較低的有:天然橡膠－70℃，氯丁橡膠－50℃，低密度聚乙烯(LDPE)－70℃，順丁橡膠－105℃和硅橡膠－115℃。順丁橡膠有抗張強(qiáng)度和抗撕裂性缺陷，天然橡膠有嚴(yán)重自催龜裂問題，硅橡膠有回彈性、耐磨性、耐溶劑性等方面的不足，這幾類都不宜選用。雖然氯丁橡膠經(jīng)硫化后，具有耐磨、耐油、耐腐蝕、耐低溫等性能，但有很多信息反映，用氯丁橡膠做同類型低溫軟電纜，雖然經(jīng)過材料和結(jié)構(gòu)多方面改善，但在性能和使用方面還存在不足，主要表現(xiàn)在電纜的抗破裂、抗損傷性及可靠性方面，還不能完全滿足正常使用的需要。

TMPU是一種新型的熱塑性高分子材料，由硬、軟二相段交替共聚而成，由軟段提供良好拉伸性能和較低玻璃化溫度，由硬段提供較高熔點和力學(xué)性能，可方便配置出強(qiáng)度和硬度合適的材料。TMPU現(xiàn)有聚醚型和聚酯型二類多元醇，聚醚型在低溫性、耐潮濕、耐菌性和抗水解性方面優(yōu)勢明顯;聚酯型在機(jī)械強(qiáng)度、耐化學(xué)性和耐熱性方面更為突出。從抗損傷耐低溫電纜的使用環(huán)境和條件方面考慮，選用聚醚型作為電纜的外護(hù)層更有利于問題的解決。

聚醚型聚氨酯不僅具有優(yōu)異的柔軟性和耐環(huán)境性(濕度、臭氧、微生物)，而且具有極佳的低溫柔韌性、高強(qiáng)度、高彈性、耐磨性和抗撕裂性，其抗張強(qiáng)度能達(dá)到40 N/mm2，斷裂伸長率能達(dá)到600%。這與氯丁橡膠相比，無論在玻璃化溫度、低溫柔韌性，還是在機(jī)械強(qiáng)度、抗外力損傷方面都遠(yuǎn)優(yōu)于氯丁橡膠，這正好符合抗損傷和耐低溫電纜的需要，彌補(bǔ)氯丁橡膠所存在的不足，雖在阻燃和黃變方面存在欠缺，但合理的選擇與設(shè)計并不影響電纜的正常使用。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

電纜結(jié)構(gòu)的設(shè)計，不僅關(guān)系到電纜的制造成本、加工工藝、生產(chǎn)難易程度，還關(guān)系到整個電纜的性能設(shè)計能否實現(xiàn)。

為提高導(dǎo)體耐腐蝕、抗氧化及電纜的柔軟性，導(dǎo)體選用HD383第6類鍍錫銅絲，以20倍節(jié)距比進(jìn)行絞合，并在銅絲絞合中間添加3000D Kevlar。為進(jìn)一步提高電纜的抗沖擊性，在纜芯與外護(hù)套之間增加一層抗沖擊隔離層，隔離層選用低溫性、沖擊性和疲勞性勻較好的線性低密度聚乙烯(LLDPE)，LLDPE作為隔離層不僅能提高抗沖擊能力，而且還具有較好的潤滑性，在一定程度上能提高電纜的耐交變彎曲性能。

2.4 電纜結(jié)構(gòu)

綜合上述選擇與設(shè)計，并結(jié)合歐洲標(biāo)準(zhǔn)HD 22.10，設(shè)計出新型抗損傷耐低溫軟電纜3G 0.75 mm2，電纜結(jié)構(gòu)見圖1及表2。

圖1 3G 0.75 mm2軟電纜截面示意圖

表2 抗損傷耐低溫軟電纜3G 0.75 mm2結(jié)構(gòu)表

導(dǎo)體選用江西銅業(yè)產(chǎn)無氧電工銅，加強(qiáng)繩用Dupont產(chǎn)3000D Kevlar，絕緣用DOW EPDM 4640，隔離層用DOW LLDPE 6059，外被用Lubrizol阻燃聚醚型TMPU 58887。

3 工藝特點與注意事項

從電纜結(jié)構(gòu)和性能要求中不難看出，新設(shè)計的抗損傷耐低溫軟電纜，在導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)方面問題不是很大，在絕緣性能方面需要就老化、熱延伸和低溫等性能進(jìn)行相應(yīng)的配方調(diào)整，這對于經(jīng)驗豐富的配方工程師來說難度也不是很大，這里就不作介紹，重點介紹外被材料聚醚型聚氨酯的制造工藝與注意事項。

聚醚型聚氨酯是新型的熱塑性高分子材料，在空氣中極易吸濕，吸濕后的聚氨酯會在電纜表面顯現(xiàn)泡沫和水紋，不僅影響到加工性，而且會降低電纜的機(jī)械性能，在加工前必須進(jìn)行充分干燥，推薦加工前進(jìn)行90℃、3～4 h干燥處理。

聚氨酯彈性體推薦使用壓縮比2.5、長徑比25∶1、 90及以下配有大動力電機(jī)的擠塑機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)，在擠制聚氨酯熱塑彈性體時，必須注意以下幾點:(1)在螺桿啟動時，因螺桿內(nèi)的聚氨酯會在螺桿和螺筒之間產(chǎn)生很大的剪切應(yīng)力和反作用力，極易造成設(shè)備損壞，嚴(yán)重時會造成螺桿斷裂、鍵槽破裂或機(jī)頭開裂，必須在確定已達(dá)到設(shè)計溫度后才能開機(jī)，并且啟動要緩慢;(2)溫度的設(shè)定要合適，因聚氨酯融熔溫度相對較窄，而且不同廠家和牌號之間差異性較大，在開機(jī)前需事先確定好工藝溫度;(3)擠出速度不宜過快，因融熔的聚氨酯在機(jī)筒內(nèi)呈粘流態(tài)，且粘度極大，彈性又高，所產(chǎn)生的剪切力很大，一旦跳閘，重啟會很困難;(4)生產(chǎn)時螺桿轉(zhuǎn)速不宜過快變速，轉(zhuǎn)速的過快變化，會產(chǎn)生急劇反作用力，易造成設(shè)備損傷或過載停機(jī);(5)生產(chǎn)完要及時排盡螺桿內(nèi)余料，并清理機(jī)臺，否則粘連會使拆卸和清理變得困難。

用Lubrizol阻燃聚醚型TMPU 58887生產(chǎn)時的擠出工藝溫度參數(shù)見表3。

表3 擠出工藝溫度參數(shù)

4 試驗結(jié)果

經(jīng)過多次試驗，最終制備出符合設(shè)計要求的電纜，測試部分性能數(shù)據(jù)如表4。從表4中可以看出，對電纜的阻燃要求是水平燃燒FT2，不是常用的垂直燃燒VW-1和IEC 60332-1。因TMPU本身不含氯素，且易燃、易滴落，雖經(jīng)改性后阻燃性有很大提高，但相對于含有氯素的基材來說確有不及。不過結(jié)合電纜的使用環(huán)境，只要燃燒符合試驗FT2則不影響電纜的正常使用。另值得一提的是，測試表中還提到了抗皂化性，這是針對聚氨酯在堿催化作用下耐水解能力進(jìn)行的考慮。

表4 抗損傷耐低溫軟電纜部分性能測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

制備的電纜樣品裝配在電動工具上，在滿洲里的礦山工地進(jìn)行了兩年實地試用。當(dāng)?shù)囟練鉁卦冢?0～－15℃，電纜在此工作環(huán)境中移動、彎曲，未出現(xiàn)脆化、開裂、破裂、斷芯現(xiàn)象，不遜于歐洲進(jìn)口的同類型電纜。

聚醚型聚氨酯彈性體在特種電纜的成功應(yīng)用，有利于推動聚氨酯彈性體在電線電纜上的發(fā)展，可為電線電纜特殊性能的解決提供更多的解決方案。

［1］徐應(yīng)麟.電線電纜手冊 第二冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［2］VDE 0282-4:2005 Cables of rated voltages up to and including 450/750 V and having crosslinked insulation-Part 4:Cords and flexible cables［S］.

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