影響電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣熱延伸性能因素分析

楊曦　于文川　馬少華

摘 要：本文主要對影響電纜用交聯(lián)聚乙烯絕緣熱延伸性能的因素進(jìn)行了分析總結(jié)，主要從交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜的生產(chǎn)過程及熱延伸試驗過程兩個方面入手，具體闡述了電纜原料、不同交聯(lián)方式的選擇、生產(chǎn)工藝及具體試驗操作過程中可能對熱延伸試驗結(jié)果產(chǎn)生的影響。針對這些原因，生產(chǎn)企業(yè)和檢測機(jī)構(gòu)應(yīng)分別提高自身專業(yè)水平以保障熱延伸項目合格率的提升。

關(guān)鍵詞：交聯(lián)聚乙烯絕緣；熱延伸；交聯(lián)度；影響因素

中圖分類號：TM247 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0.引言

1952年，美國科學(xué)家查爾斯（Charlesby）在一次原子核反應(yīng)堆試驗中無意間發(fā)明了交聯(lián)聚乙烯（XLPE）。自問世以來，與傳統(tǒng)聚乙烯（PE）相比，XLPE因其優(yōu)異的力學(xué)性能、電性能、耐環(huán)境應(yīng)力開裂性能、耐化學(xué)腐蝕性、耐蠕變性等受到了廣泛關(guān)注，應(yīng)用在建筑、化工、食品及電線電纜等各行各業(yè)。

在電線電纜行業(yè)中，交聯(lián)聚乙烯（XLPE）同聚氯乙烯（PVC）和聚乙烯（PE）一樣，均是常用的塑料絕緣材料，其中XLPE兼具性能優(yōu)異和環(huán)保雙重優(yōu)勢，成為電纜塑料絕緣材料中的佼佼者，因此XLPE電纜是我國電纜行業(yè)的主流發(fā)展趨勢。

交聯(lián)度在很大程度上決定著交聯(lián)材料的使用性能及使用壽命，對于XLPE也不例外。因此，熱延伸試驗作為衡量交聯(lián)度的重要技術(shù)參數(shù)之一，在生產(chǎn)過程及成品質(zhì)量檢驗中是必不可少的。

1.影響熱延伸的因素

通常，熱延伸項目不合格分為兩種情況：（1） 試樣受熱 180 s內(nèi)失效。試樣在低于200 oC時就呈現(xiàn)出熔融狀態(tài)，在內(nèi)較短時間（ 一般不超過180s） 就發(fā)生熔斷，這種情況說明樣品 XLPE 絕緣交聯(lián)度很低，其分子結(jié)構(gòu)更接近非交聯(lián)的線性結(jié)構(gòu)；（2）試樣受熱300s以后（部分甚至接近900s）失效。說明樣品試樣XLPE 絕緣具有一定的交聯(lián)度，但仍未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。故熱延伸項目的不合格，本質(zhì)上就是XLPE絕緣的交聯(lián)度不夠造成的。因此凡是能影響到XLPE絕緣交聯(lián)度的因素，都是影響熱延伸項目的因素。

1.1 電纜料的影響

原材料對產(chǎn)品性能的影響是不言而喻的。以生產(chǎn)10kV及以下中低壓電力電纜和電氣裝備用電纜的硅烷交聯(lián)工藝為例?；A(chǔ)樹脂結(jié)構(gòu)差異、硅烷結(jié)構(gòu)及用量、引發(fā)劑用量、色母粒配比等都對交聯(lián)程度有一定程度上的影響。

1.2交聯(lián)方式的影響

目前，常用于工業(yè)生產(chǎn)XLPE的方法主要有3種，即過氧化物交聯(lián)（化學(xué)交聯(lián)）、硅烷交聯(lián)（溫水交聯(lián)）和輻照交聯(lián)。不同的交聯(lián)方式，交聯(lián)反應(yīng)的機(jī)理不同，生成的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和交聯(lián)度不同，因此不同交聯(lián)方式的生產(chǎn)的XLPE絕緣料熱延伸項目也會存在一定的差異。

通過大量對XLPE絕緣熱延伸數(shù)值的統(tǒng)計分析，3種常用交聯(lián)方式生產(chǎn)的XLPE熱延伸值基本范圍如下： （1）硅烷交聯(lián)通常在40%～80%；（2）過氧化物交聯(lián)，以常用的過氧化二異丙苯（DCP）交聯(lián)劑為例，熱延伸值通常在 60%～100%；（3）輻照交聯(lián)通常在 80%～120%。綜上所述，電子輻照交聯(lián)的熱延伸值最大，有機(jī)過氧化物化學(xué)交聯(lián)居中，硅烷溫水交聯(lián)最小。

1.3 生產(chǎn)工藝的影響

由于3種交聯(lián)方式生產(chǎn)工藝的不同，因此對交聯(lián)度產(chǎn)生影響的生產(chǎn)環(huán)節(jié)和工藝參數(shù)也有所區(qū)別。

1.3.1過氧化物交聯(lián)。過氧化物交聯(lián)適于生產(chǎn)高電壓等級電纜，交聯(lián)過程如下：（1）在一定溫度下，加入聚乙烯樹脂中的過氧化物（通常為過氧化二異丙苯 （DCP））分解為自由基；（2）分解出的自由基進(jìn)攻聚乙烯大分子鏈，產(chǎn)生大分子自由基，大分子自由基之間進(jìn)一步反應(yīng)則形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。結(jié)合整個生產(chǎn)工藝流程，交聯(lián)程度會受擠出溫度，過氧化物含量，交聯(lián)溫度和時間等因素的影響。此外，針對于高電壓等級電纜，因熱傳導(dǎo)造成的不同層面交聯(lián)溫度的差異，處于絕緣層不同層面的交聯(lián)聚乙烯其交聯(lián)度也存在著明顯的差異。因此，電纜進(jìn)入交聯(lián)管之前的導(dǎo)體預(yù)熱過程（前置預(yù)熱）及從交聯(lián)管道出來后的后置加熱過程對電纜不同絕緣層的交聯(lián)度也有明顯影響，需引起重視。

1.3.2 硅烷交聯(lián)。硅烷交聯(lián)聚乙烯由接枝和交聯(lián)兩個關(guān)鍵步驟組成。接枝過程是以過氧化物為引發(fā)劑，將硅烷接枝到聚乙烯分子上；然后在溫水或水蒸氣中借助接枝上的硅烷的水解縮合反應(yīng)產(chǎn)生交聯(lián)結(jié)構(gòu)。在硅烷交聯(lián)法中，影響交聯(lián)度的因素主要有引發(fā)劑和硅烷的含量，擠塑機(jī)溫度的設(shè)定、水溫高低或蒸汽壓力大小及交聯(lián)時間長短等。

1.3.3 輻照交聯(lián)。輻照交聯(lián)即聚乙烯在高能射線作用下，生成自由基和氫原子。具有較大動能的氫原子進(jìn)一步進(jìn)攻其他聚乙烯分子鏈，形成二次自由基，當(dāng)輻照形成的自由基與二次自由基相遇時，就發(fā)生了交聯(lián)反應(yīng)。由輻照交聯(lián)的反應(yīng)機(jī)理，我們不難看出在發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)的同時，聚合物又不可避免地會發(fā)生裂解反應(yīng)。因此 ，在實際生產(chǎn)過程中，必須兼顧交聯(lián)和裂解這對矛盾，以提高生產(chǎn)效率，并保證絕緣的交聯(lián)度。因此，輻照交聯(lián)過程中，輻照強(qiáng)度的大小，敏化劑、增感劑的種類和含量等因素，都是影響絕緣交聯(lián)質(zhì)量的重要因素。

1.4試驗操作過程的影響

對電纜原材料及電纜生產(chǎn)過程的把控是保證XLPE的交聯(lián)度，提高熱延伸項目合格率的根本方法。但在檢驗過程中，因操作方法及設(shè)備使用不當(dāng)引起的檢驗結(jié)果異常，應(yīng)當(dāng)引起第三方檢驗機(jī)構(gòu)檢驗人員的重視。這就需要從認(rèn)真研讀標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)操作入手。

1.4.1 樣品的制備

嚴(yán)格按照GB/T 2951.21-2008或相關(guān)產(chǎn)品制備試樣，并確保試樣無損傷，無缺陷。

1.4.2 儀器設(shè)備的要求

熱延伸試驗通常有效加熱時間為15min，可劃分為兩個階段。（1）樣品放入烘箱的0～5min內(nèi)，烘箱溫度開始回升，試樣溫度也隨之上升。（2）在5～15min內(nèi)，烘箱內(nèi)溫度回升至 200℃左右并形成穩(wěn)定的溫度場，同時試樣溫度也達(dá)到均勻分布狀態(tài)，因此試樣上沒有附加熱應(yīng)力的產(chǎn)生，試樣只承受初始荷載的作用力。

在0～5min過程中，如果打開烘箱，溫度下降較多，溫度回升至200℃時間較長，那么較長的預(yù)熱時間會導(dǎo)致交聯(lián)料的進(jìn)一步交聯(lián)，提高交聯(lián)度，從而影響實驗結(jié)果準(zhǔn)確性。此外，在5～15min過程中，如果烘箱未能提供200 ℃的穩(wěn)定溫度環(huán)境，那么會導(dǎo)致試樣溫度分布不均勻，附加熱應(yīng)力的作用會使試樣拉伸過長甚至伸長率超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。

因此，在檢驗過程中，標(biāo)準(zhǔn)取樣、標(biāo)準(zhǔn)制樣，掌控好加熱溫度和時間是數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效的重要保障。

結(jié)語

熱延伸作為考量交聯(lián)聚乙烯交聯(lián)度的一個重要試驗項目，其影響因素眾多，本文從電纜原料、交聯(lián)方式的選擇，生產(chǎn)工藝、試驗操作過程等方面對熱延伸的影響分別進(jìn)行了分析。作為第三方檢測機(jī)構(gòu)，在嚴(yán)格把控試驗過程，保證試驗結(jié)果可靠性的同時，也應(yīng)結(jié)合電纜的生產(chǎn)過程，對實驗結(jié)果進(jìn)行分析，幫助生產(chǎn)企業(yè)提高生產(chǎn)質(zhì)量，提高熱延伸項目合格率。

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