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

2、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 。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

3、 1 4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150C、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130C,时间3小时；GB/T 18015数字通信用对 绞或星绞多

4、芯对称电缆、 GB/T 17556船用电力和通信电缆护套材料等抗开裂测 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

5、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30C 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

6、、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。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

7、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

8、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、

9、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

10、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 C到-20C，护套通过-20C到-25 C。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 -25C，护套-40C。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-70C以下，低烟无卤聚烯烃电缆料基本上都可以通过-40C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

11、击脆化温度在-21C时，电线可以通过-40T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 70C、90C、105C、125C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，

12、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 在卷绕时加上7Kg负载，如图二所示，130°C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

13、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180C置于铜槽中，放在Igepal co-630（ 种表面活性剂）溶液中（如图三），在一定温度和时间

14、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1

15、mm、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

16、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。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

17、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

18、 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含量柔韧性好，有利于抗 开裂，但强度低。PE有 HDPE、MDPE、LDPE、LLDPE、mLLDPE、VLDPE 等, 其有各自的性能特点； POE 有八碳、四碳之分，性能也有差异。同样基体树脂， 不同厂家不同牌号的性能是有差异的。这些要根据不同产品的要求进行选择。针对电缆料抗应力开裂性能， 笔者提出了强度补偿、 柔性补偿的看法。 强度 补偿就是提高材料的强度，以对抗内应力和外力。如刘倩如用 HDPE 作为主体 骨架材料之一， 提高低烟无卤材料在热态时的强度

19、， 提高其抗开裂性能， 就是利 用强度补偿的机理，她用该方法制得的材料可以通过加上 7Kg 负载，温度为 130C, 1小时的热冲击抗开裂试验18。笔者也做过多次试验，在配方总体框架 不变的情况下， EVA/LLDPE 总量不变，改变 EVA/LLDPE 的配比，发现当增加 LLDPE 达到一定值， 就能通过上述抗开裂试验。 分析是因为 LLDPE 的强度大于 EVA，符合强度补偿机理。把能通过卷绕抗开裂试验上述类似配方中的LLDPE换成强度更低的DFDA-7042，则不能通过，也符合强度补偿机理。但对于强度大的材料， 相同的变形， 其应力更大， 而大的应力也是电缆开裂 的主要原因。 笔者在做

20、热冲击试验时， 如操作不当在样条表面造成伤痕， 就容易 开裂。而一些柔韧性较好的材料， 即使表面有小的缺陷， 对抗开裂的影响也没有刚性强的材料大。 因此笔者基于高分子链特性， 认为柔性补偿机理对于电缆的抗 开裂性能更加有利。笔者尝试在配方中加入弹性体材料，如POE、SEBS 等，增加材料的柔韧性， 在保证一定强度前提下， 很容易通过负载热冲击试验， 也可通 过有刻痕的高温折弯抗开裂试验。 能通过刻痕法高温折弯抗开裂试验的材料多在 邵 D50 以下，而常规的低烟无卤电缆料硬度多大于邵 D50 。分析其抗开裂好的 原因：柔韧性好的的材料， 相同的变形或弯曲程度下应力较小； 柔韧性好材料其 高分子链

21、柔软，活动范围大，可消解部分内应力。强度补偿和柔性补偿二者性能最佳的结合是 TPU 材料，用该材料制成的电 缆抗开裂性能优良，可惜 TPU 材料阻燃不是太好，且燃烧时烟很大！笔者根据前述两种材料的抗开裂检测方法， 结合强度补偿和柔性补偿进行配 方试验，并研究了和电缆抗开裂性能的关系。 对已通过热冲击抗开裂性能的电缆 料，进行有刻痕的高温折弯抗开裂试验，发现:1mm厚度的样品都可以通过40C、 60C、80C各24小时的试验；当厚度增加到 2mm时绝大部分可以通过40C、 60C各24小时，但不容易通过80E下24小时的试验；而对于3mm的样品，40C 放置24小时部分有开裂，60E时大部分开裂

22、。为此，我们选择2mm厚度的样品 来考察电缆料高温折弯情况下的开裂性能。 经过试验发现能够通过高温折弯试验 的低烟无卤电缆料，伸长率都在 200以上、召E D硬度在48以下，而且通过都可 以通过通过热冲击抗开裂试验。 用两种不同条件通过抗开裂试验的电缆料， 制备 成电缆，电缆外径为15m m、厚度1mm，分别为无铠装和有铠装。考察条件为 电缆绕成直径为30m m,放入烘箱中，120C放置一段时间后发现：无铠装的电 缆，两种电缆都可以维持 1 个月以上不开裂； 而仅通过热冲击抗开裂电缆料制得 的铠装电缆数天就开裂，而 80C通过有刻痕的高温折弯抗开裂试验的低烟无卤 电缆料，维持1个月以上不开裂。

23、 但笔者也发现如果为追求通过刻痕法的实验而 加入过多的弹性体，会造成无法热冲击法实验， 分析原因是一般弹性体的熔点低、 耐热性差，在150 C融化，无法保持强度。参考文献1、郑琪 , 大截面阻燃电缆使用时外护套开裂问题的分析 ,高电压技术 J,2004,30(106):34-362、王柏东、程仁良、戴忠华等 , 电缆开裂原因分析 ,核电工程与技术 J,2005,3：29-363、邹 东、肖明辉 , 地铁高架 33kV 电缆护套开裂原因分析及措施 ,电气化铁道 J, 2009,2 ：36-394、毛文沛 , 无卤低烟阻燃钢带铠装电缆护套应力开裂的探讨 ,电线电缆 J,2001,6:20-225、

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