環(huán)境友好型高安全性耐水軟電纜用聚苯醚材料的研究

高 峰

(衡陽恒飛電纜有限責(zé)任公司，湖南 衡陽421008)

0 引言

當(dāng)今世界越來越關(guān)注人體健康和環(huán)境保護(hù)，對產(chǎn)品在安全性和環(huán)保等方面都有了更高的要求。耐水電纜長期在潮濕環(huán)境下使用，如何開發(fā)高安全性環(huán)境友好型耐水軟電纜，成了行業(yè)新課題。

1 耐水電纜使用現(xiàn)狀

電纜在受到水分侵襲后，其電性能和機(jī)械性能都會驟降，特別是戶外或水下裝配用電纜。像戶外電動工具、水下照明、潛水泵等裝配用電纜，經(jīng)常用于干燥與潮濕交替環(huán)境或長期浸入水中，甚至浸入熱水或蒸汽中，其電性能、機(jī)械性能會加速下降:在使用過程中，泄漏電流偏大，電器起動困難，嚴(yán)重時會導(dǎo)致電擊傷人，這在游泳池和彩燈噴泉事故中有過報道。

當(dāng)前使用的耐水電纜有縱向阻水和徑向阻水兩種:縱向阻水通常用阻水紗、阻水粉或阻水帶，這些材料含有遇水膨脹物質(zhì)，阻止水分沿電纜縱向進(jìn)一步擴(kuò)散;徑向阻水主要通過熱壓、焊接、冷拔金屬護(hù)套來實(shí)現(xiàn)，像海底電纜普遍使用鉛套，但此類電纜柔韌性不好，不適合頻繁移動。

軟電纜常選用三元乙丙、聚氯乙烯、聚烯烴、硅膠、氯丁膠、氯磺化聚乙烯、氯化聚乙烯、丁腈聚氯乙烯、熱塑彈性體等材料。含鹵素材料在燃燒時會產(chǎn)生對眼、鼻粘膜、上呼吸道有強(qiáng)烈刺激的氯化氫氣體，特別是會產(chǎn)生對人體健康危害嚴(yán)重的二惡英;交聯(lián)類材料不可再生利用，廢棄物作無公害化處理非常困難;為滿足某些特定要求，會在材料中添加改性物質(zhì)，這些有毒有害物質(zhì)在產(chǎn)品的生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用、報廢過程中，難免會與人體直接或間接接觸或遷移至空氣、土壤和水中，會對人體健康帶來隱蔽和長期的毒害。

2 新型耐水軟電纜的設(shè)計要求

新型電纜遵循安全、耐水、阻燃、無鹵、低碳、生物相溶性的設(shè)計原則。

2.1 安全性

電纜絕緣材料應(yīng)符合的基本安全性要求見表1。

表1 絕緣材料基本要求

2.2 環(huán)境友好性

電纜的環(huán)境友好性很大程度上由材料決定，電纜材料不僅要符合歐盟2011/65/EU(RoHS2.0)、76/769/EEC(PAHs)、2005/84/EC和1907/2006/EC等環(huán)境保護(hù)和健康法規(guī)要求，還要可再生、不含鹵素、不消耗非再生能源，不產(chǎn)生大量炭塵和尾氣。

3 新型耐水軟電纜的設(shè)計

新型耐水軟電纜以美國標(biāo)準(zhǔn)UL 62戶外用電源軟線SJEW性能為設(shè)計基礎(chǔ)，同時結(jié)合歐洲標(biāo)準(zhǔn)HD 22.16及有關(guān)耐水要求，設(shè)計符合無鹵、阻燃、高安全性、環(huán)境友好型的耐水軟電纜。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

以UL 62 SJEW 16AWG/3C為例，其結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖1及表2。

圖1 電纜結(jié)構(gòu)示意圖

表2 電纜結(jié)構(gòu)明細(xì) (單位:mm)

從圖1中可以看出，在導(dǎo)體外繞包一層阻水帶，以阻止水分沿導(dǎo)體空隙進(jìn)入電纜;在絕緣線芯表面繞包一層半導(dǎo)電阻水帶，在纜芯中間填充半導(dǎo)電阻水繩，可以阻止水分沿電纜結(jié)構(gòu)空隙進(jìn)入。

3.2 材料選擇

電纜通常由導(dǎo)體材料、輔助材料、絕緣及護(hù)套材料三部分組成，絕緣和護(hù)套材料是電纜設(shè)計的關(guān)鍵，選擇是否合適，直接關(guān)系到電纜能否符合設(shè)計要求。

聚苯醚(PPO)是新型高分子材料，是GE公司Allan S.Hay于1959年最早發(fā)明，其化學(xué)名為聚2，6—二甲基—1，4—苯醚，此材料20世紀(jì)60年代在美國得到了高速發(fā)展，因其具有優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性和拉伸強(qiáng)度，最先在汽車工業(yè)和機(jī)械工業(yè)中得到應(yīng)用，多用于元器件、外殼板、內(nèi)架、管道等。

PPO除了具有優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性和拉伸強(qiáng)度外，還具有很多優(yōu)良性能:(1)耐燃性。氧指數(shù)能達(dá)到29，有很好的自熄性，加入少量阻燃劑就能達(dá)到UL 94 V-0阻燃要求，能避免鹵素、磷類阻燃劑的使用;(2)耐熱性。分子中含有大量芳香環(huán)，具有較高的耐熱性，玻璃化溫度高達(dá)211℃，熔點(diǎn)達(dá)268℃，熱變形可達(dá)190℃;(3)吸水性。吸水率在0.07%左右;(4)耐蠕變性和耐磨性優(yōu)良;(5)耐酸堿性好，基本不受酸堿腐蝕;(6)密度小，是常用塑料或橡膠的70%～80%;(7)生物相容性好，無毒性、無致敏性、無刺激性、無遺傳毒性和無致癌性，對人體組織、血液、免疫系統(tǒng)無不良反應(yīng)。

PPO除了以上提到的優(yōu)點(diǎn)外，還有優(yōu)良的絕緣性和耐水性，這兩個優(yōu)點(diǎn)目前很少被利用，特別是在潮濕環(huán)境、熱水或蒸汽中，其電性能和機(jī)械性能優(yōu)異。但相比電線電纜常用的彈性體材料，存在軟硬度和回彈性等方面的不足，這是線纜技術(shù)人員不考慮選用的原因。如何對其進(jìn)行軟化和回彈改性，一直是技術(shù)人員研究的課題。

從PPO材料性能來看，經(jīng)軟化改性后可成為線纜材料的理想選擇，但還存在一個嚴(yán)重缺陷:材料在熔融態(tài)時粘度大、流動性差，用電線電纜擠出設(shè)備很難連續(xù)生產(chǎn)和穩(wěn)定成型，在成型后會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致應(yīng)力開裂。隨著對PPO性能的進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)用高沖擊聚苯乙烯(HIPS)改性后得到的MPPO，可大大改善軟硬度和加工性能，還可改善應(yīng)力開裂和沖擊性能，同時對電性能、耐熱性能和阻燃性能的影響都不大。隨著改性技術(shù)的不斷突破，PPO用于線纜上的障礙逐步得以清除，表3是某牌號MPPO的主要性能。

改性后的MPPO不僅耐溫、阻燃、耐磨、無鹵、無毒和電性能優(yōu)良，還能適應(yīng)線纜行業(yè)現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備和工藝，特別是在生物相容性、耐潮濕、耐熱水、耐水蒸氣等方面的突出優(yōu)點(diǎn)，正好符合環(huán)境友好型安全性耐水軟電纜的要求，新設(shè)計的耐水軟電纜絕緣和護(hù)套材料均選用MPPO。

表3 MPPO主要性能

3.3 性能設(shè)計

依據(jù)電纜的使用環(huán)境，以額定電壓為300 V，額度溫度為90℃，對電纜進(jìn)行性能設(shè)計，電纜的主要性能要求見表4，耐水性及抗菌性要求見表5。

表4 電纜的主要性能要求

4 樣品試制與測試

按設(shè)計方案制作電纜樣品，并對樣品進(jìn)行型式試驗(yàn)，部分關(guān)鍵性能試驗(yàn)結(jié)果見表6。

從表6可以看出，MPPO具有很好的耐水性，尤其在耐熱水方面表現(xiàn)突出，非常適合于防水電纜，另外在抗細(xì)菌和生物相容性方面也表現(xiàn)優(yōu)異，這是很多醫(yī)用器材選用此材料的原因。

表5 電纜耐水性及抗菌性要求

表6 電纜部分關(guān)鍵性能試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語

本文介紹了耐水電纜的使用現(xiàn)狀和設(shè)計要求，重點(diǎn)分析了聚苯醚材料的特點(diǎn)，并利用改性技術(shù)開發(fā)出環(huán)境友好型高安全性耐水軟電纜，顯示出改性聚苯醚用于線纜方面的優(yōu)勢。隨著現(xiàn)代改性技術(shù)的不斷提高，新的改性材料會不斷涌現(xiàn)，這將為電線電纜的發(fā)展提供很好的條件。

［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］UL 62:2010 Flexible cords and cables［S］.

［3］HD 22.16 S2:2007 Cables of rated voltages up to and including 450/750 V and having cross-linked insulation-Part 16:Water resistant polychloroprene or equivalent synthetic elastomer sheathed cables［S］.

［4］UL 2556:2007 Wire and cable test methods［S］.

［5］EN 50395:2005 Electrical test methods for low voltage energy cables［S］.

［6］EN 60068-2-78:2001 Environmental testing-Part 2-78:Tests-Test Cab:Damp heat，steady state［S］.

［7］JIS Z 2801:2000 Antimicrobial products—Test for antimicrobia［S］.

［8］邢 秋，張效禮，朱四來.改性聚苯醚(MPPO)工程塑料國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀［J］.熱固性樹脂，2006，21(5):49-52.

［9］段春來.改性聚苯醚及其在電線電纜中的運(yùn)用［R］.第二屆高品質(zhì)射頻電纜及組件研討會，116-122.

［10］高 峰，劉永堅(jiān)，肖望東，等.電源軟線用熱塑彈性體SEBS的探討［J］.電線電纜，2012(3):27-32.