耐低溫-50 ℃電纜絕緣和護套材料配方的研究

周 揚，蔡銀哿，孫海明，周洪毅，吳明君，李志斌

(1．國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學研究院，哈爾濱 150030；2．國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司，哈爾濱 150090)

●輸變電及特高壓●

耐低溫-50 ℃電纜絕緣和護套材料配方的研究

周 揚1，蔡銀哿2，孫海明1，周洪毅1，吳明君1，李志斌1

(1．國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學研究院，哈爾濱 150030；2．國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司，哈爾濱 150090)

目前普通PVC電纜料低溫沖擊脆化溫度在-15 ℃～-20 ℃，但在一些緯度高的地區(qū)，如我國東北、內(nèi)蒙、新疆等地區(qū)，以及北歐、俄羅斯等冬季氣溫常低于-50 ℃，如果電纜料低溫達不到要求，電纜在敷設過程中絕緣及護套往往受到損害，有必要使用耐低溫電纜料制備耐低溫電纜。本研究主要對高耐寒PVC配方體系進行試制和研究，通過對原材料、改性材料的遴選，確定合適的生產(chǎn)工藝及配方，在保證PVC電纜料滿足國標性能的要求下，把低溫脆化溫度調(diào)至-50 ℃以下，制備出物理機械性能優(yōu)良，擠出工藝良好，滿足耐低溫電纜生產(chǎn)要求的高耐寒PVC電纜料，并用制備出的耐寒電纜料進行成品電纜擠制，工藝性能及成品電纜性能檢測均符合使用要求。

聚氯乙烯電纜料；高耐寒；脆化溫度；改性增韌。

隨著我國經(jīng)濟建設的快速發(fā)展，電力需求逐年攀升。如何充分利用現(xiàn)有線路走廊及線路設施，盡可能多輸送電量，降低線損，提高輸電效率已成為電力運行部門必須考慮的問題[1]。我國高寒地區(qū)面積約占國土總面積的27.9%，能源豐富的東北、內(nèi)蒙、西北等地區(qū)大部分處于高寒區(qū),并且冬季氣溫常低于-50 ℃,如何提高電纜的低溫可靠性成為亟待解決的一項重大技術問題。然而，傳統(tǒng)PVC電纜材料的低溫沖擊脆化溫度在-15 ℃～-20 ℃，遠遠達不到實際運行要求。電纜在高寒地區(qū)的敷設過程中絕緣及護套往往受到損害，因此這些地區(qū)使用耐低溫電纜是十分必要的。隨著城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造的深入，對于耐低溫PVC電纜料的需求會越來越大。本文對電纜絕緣和護套材料配方進行深入研究，優(yōu)選出適合的類型，從而試制出-50 ℃低溫的高耐寒PVC電纜料，可適用于-50 ℃低溫作業(yè)環(huán)境，有效保證電纜線路的運行可靠性，經(jīng)濟效益及社會效益巨大，應用前景廣泛。

1 研究方法及方案確定

由于耐低溫PVC電纜料尚無國家標準,本文根據(jù)GB/T8815-2008 《電線電纜用軟聚氯乙烯塑料》制定了耐低溫PVC電纜料的相關性能指標[2]。在它的性能指標中,低溫沖擊脆化溫度較PVC普通電纜料低30 ℃。

普通PVC分子間較強的相互作用力會導致其電纜料低溫沖擊性能較差，并且會使得PVC制品在受到外界沖擊時難以產(chǎn)生相對的位移之間的變化，外界沖擊轉(zhuǎn)化不能轉(zhuǎn)換為內(nèi)摩擦熱，從而導致材料本體的結(jié)構斷裂。降低PVC分子間作用力的方法有很多，例如加入大量增塑劑、氯化聚乙烯(CPE)等，這樣可以使其低溫沖擊強度的性能得以提高。但是增塑劑是由低分子有機物所構成，大量加入使用時容易析出，進而揮發(fā)導致反增塑作用，對材料的性能得不到本質(zhì)的改善[3]。相比較而言氯化聚乙烯由高分子聚合物組成，可以不用考慮析出和揮發(fā)等問題，但是其玻璃化溫度在-10 ℃以上，因此其低溫沖擊性能也得不到良好的改善。本項目通過選取高分子量改性增塑材料、耐寒增塑劑替代一部分傳統(tǒng)的增塑劑，達到永久性增塑，不析出，抗遷移，可顯著降低PVC分子間作用力，大幅降低玻璃化溫度，克服了CPE玻璃化溫度高以及增塑劑易產(chǎn)生反增塑作用的缺陷。這樣不僅能夠提高PVC電纜料的低溫沖擊性能，還能更有效地改善其耐候性能。所以本文的技術關鍵是在保證PVC電纜料常規(guī)性能的同時，低溫脆化溫度要低于-50 ℃。

2 基料及添加劑的選擇

2.1 PVC樹脂的篩選

用作電線電纜料的PVC樹脂一般選用懸浮法聚合的PVC疏松型樹脂。國產(chǎn)懸浮法PVC樹脂絕大多數(shù)為疏松型，按照聚合度不同分類為8個不同的型號，其中SG1聚合度最高，SG8聚合度最低，電料常用的有SG5、SG3及P=2500型。聚合度較高的品種，其制品的力學強度較高，耐熱變形溫度較高，電氣絕緣性能、耐光熱老化性能也較好。另一方面，隨聚合度增高，樹脂的成型加工溫度高，流動性能變差。

目前，高聚合度聚氯乙烯樹脂已廣泛應用于電纜材料方面，但需配合低聚合度樹脂以及改性材料。對于護套料：單獨使用SH-200(聚合度為2500的聚氯乙烯樹脂)為基體樹脂，雖然各項性能指標均達到指標要求，況且性能指標較高，但加工困難，在實際生產(chǎn)中擠出機負荷較大，甚至無法塑化，擠出造粒使用S-1000與SH-200共混使用，護套料低溫沖擊脆化性能最低能達到-40 ℃，絕緣料能達到-35 ℃，因此滿足不了要求。使用WS-1300與SH-200共混，護套料、絕緣料低溫沖擊脆化性能均能滿足要求，塑化良好，可以擠出生產(chǎn)。對于絕緣料：單獨使用S-800、S-1000(聚合度為800、1000的聚氯乙烯樹脂)低溫性能不合格，配合WS-1300(聚合度為1300的聚氯乙烯樹脂)樹脂使用，低溫仍不合格，單獨使用WS-1300為基體樹脂，產(chǎn)品的低溫沖擊脆化性能滿足要求。

2.2 增塑劑的篩選

增塑劑是一種揮發(fā)性的物質(zhì)，把它加入到塑料中可以改善其塑性并且能夠提高其柔軟程度。把增塑劑添加到高聚物中，能降低樹脂分子之間的相互作用力，使樹脂軟化溫度和熔融溫度都得以降低。增塑劑的結(jié)構構成決定著增塑劑的耐寒性能，相溶性良好的增塑劑其耐寒性都相對較差，特別是當增塑劑含有環(huán)狀結(jié)構時耐寒性顯著降低。相反，以直鏈亞甲基(-CH2-)為主體的脂肪族酯類有較好的抗寒能力。具有直鏈烷基的增塑劑的抗寒能力強，并且烷基鏈越長，抗寒能力越強，如果烷基支鏈增加，抗寒能力也會相應變差[4]。所以經(jīng)綜合考慮選出最優(yōu)方案，使用癸二酸二辛酯(DOS)、鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)作為護套料增塑劑，使用癸二酸二辛酯(DOS)、鄰苯二甲酸二異癸酯(DIDP)、對苯二甲酸二辛酯(DOTP)作為絕緣料增塑劑。

2.3 熱穩(wěn)定劑的篩選

PVC樹脂及其制品存在著熱降解和老化的缺點，要將PVC樹脂變成制品，就必須在PVC加工成型過程中采取適當?shù)拇胧┤缂尤霟岱€(wěn)定劑等，以延緩或阻止PVC的熱降解。在配方體系的其他成分保持不變的情況下，鈣/鋅復合穩(wěn)定劑的加入對高耐寒PVC電纜護套料及絕緣料的性能都有著很重要的影響。

鈣/鋅復合穩(wěn)定劑的加入對護套料及絕緣料的熱穩(wěn)定時間有著一定的影響。加入的越多，護套料及絕緣料的熱穩(wěn)定時間越長，其使用范圍就越寬，性能也就體現(xiàn)得更加優(yōu)良。這主要是因為鈣/鋅復合穩(wěn)定劑加入有效地抑制了PVC的分解，使生產(chǎn)能夠正常進行。穩(wěn)定劑加入過少，護套料及絕緣料的熱穩(wěn)定時間很短，會導致材料在加工過程中出現(xiàn)焦燒，使生產(chǎn)無法正常進行。經(jīng)嚴格篩選，本配方最終選擇鈣/鋅復合穩(wěn)定劑8890為護套料及絕緣料的配方體系熱穩(wěn)定劑。

2.4 潤滑劑的篩選

在塑料的加工以及塑料使用的過程中，塑料與加工機械之間難免會產(chǎn)生一定的摩擦，并且塑料分子之間也會存在相互的摩擦，這樣就會產(chǎn)生很大量的摩擦熱，進而對塑料的加工性能存在著一定的影響。所以潤滑劑的加入就會對塑料的加工起著積極的影響。潤滑劑可以使塑料與加工機械之間形成光滑的接觸面，也就是降低了它們之間的相互作用摩擦力。同時潤滑劑的加入亦能降低塑料的熔融粘度，也就是能夠減少塑料分子內(nèi)部之間產(chǎn)生的相互摩擦力。這樣也就改善了塑料的加工性能，有效抑制了因摩擦熱過大而造成的樹脂分解，提高了穩(wěn)定劑的效率。

潤滑劑的主要作用是提高塑料熔體的流動性, 但如果用量過多則會大大降低復合物的剪切摩擦作用, 使塑化時間明顯延長, 甚至不能完全熔融塑化。聚乙烯蠟作為潤滑劑使用時具有優(yōu)異耐熱性、耐化學性，其分子結(jié)構是具有非常強極性中心的很長的非極性碳鏈。在實驗時，聚乙烯蠟結(jié)構中與PVC極性相容的部分會起到內(nèi)潤滑作用，而與PVC極性不相同的部分會起外潤滑作用，所以非常適合作為PVC管材的潤滑劑。其潤滑機理是：能夠改善聚合物熔體與模具表面的摩擦，從而能在制品表面形成潤滑薄膜。因此合理使用內(nèi)外潤滑劑, 應根據(jù)樹脂及其成型條件來判斷。綜上所述，本配方設計采用聚乙烯蠟來作為配方體系的潤滑劑。

2.5 耐低溫改性材料的選取

耐低溫改性材料的選取是本研發(fā)產(chǎn)品的關鍵，正確的選用改性材料是產(chǎn)品配方設計中的最關鍵點，將直接影響材料的最終性能。本項目產(chǎn)品結(jié)合聚氯乙烯電纜料的性能要求、相容性及擠出工藝，首先選用抗低溫改性劑Elvaloy 4924、丁腈橡膠粉末、聚醚型聚氨酯彈性體進行配方設計、研究分析。

針對于高耐寒護套料，抗低溫改性劑Elvaloy 4924(乙烯-醋酸乙烯羰基(E/VA/CO)共聚物)作為改性劑分散在聚氯乙烯基體中形成網(wǎng)絡結(jié)構，當材料受到外界作用力的沖擊時，很大一部分的沖擊能量會被彈性體網(wǎng)絡結(jié)構所吸收，這樣也就使得材料的韌性得到進一步的提高，低溫沖擊強度也就得到了相應的提高[5]。特別是在低溫的環(huán)境下可以改善聚氯乙烯的低溫柔性，也就使其脆化溫度得到了相應的降低，使材料在持續(xù)低溫環(huán)境中依然能夠保持良好的性能。丁腈粉末選用半交聯(lián)型，型號選用P83，當P83彈性體分散于聚氯乙烯基體中，P83把聚氯乙烯包覆在中間，P83彈性體進而會形成連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構。如果材料受到強烈的外界沖擊時，連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構會產(chǎn)生動作，吸收很大一部分的沖擊能量，這樣也就避免了材料會遭受到很大程度的損壞，對材料本身起到了保護的作用，材料的低溫韌性也就是這樣被改變的。特別是在低溫環(huán)境下，小分子液體增塑劑容易遷移析出，但高分子固體增塑劑并不會，這也就保證了聚氯乙烯的低溫柔韌性，其低溫沖擊強度得到了相應的提高，并且還降低了其脆化溫度。針對于高耐寒絕緣料，添加耐低溫改性劑熱塑性聚醚型聚氨酯彈性體，對耐寒絕緣料的硬度、拉伸性能及低溫性均能達到良好的效果，所以選取聚醚型TPU彈性體作為耐寒絕緣料的改性材料比較合適。

2.6 抗氧劑、防老化劑的選擇

電線電纜從加工到投入生產(chǎn)使用，都避免不了與氧氣的接觸，也就是說氧氣對于PVC的加速老化起著不可避免的作用。盡管穩(wěn)定劑對抑制熱和光作用引起的老化效果比較好，但對抑制塑料氧化的效果卻不太理想。另外，配方體系中加入了彈性體，彈性體在使用過程中也會出現(xiàn)老化現(xiàn)象，有必要加入防老化劑。因此，引入抗氧劑和防老化劑來抑制或延緩樹脂及彈性體的氧化過程, 同時也可抑制增塑劑的氧化，從而獲得比較理想的防老化效果[6]。

本次配方體系采用雙酚A作為配方體系的抗氧劑，4010NA作為防老化劑使用。經(jīng)實驗比對，雙酚A和4010NA加入后，材料的拉伸強度變化率和斷裂伸長變化率均得到明顯的改善，材料老化后的性能更加優(yōu)良，這說明雙酚A、4010NA的加入可以有效抑制由于氧的作用對PVC護套料、絕緣料引起的老化。

2.7 改性填料的篩選

對于PVC電纜料，填充劑可以降低成本，提高某些物理機械性能，比如碳酸鈣可以提高耐熱性和尺寸穩(wěn)定性，陶土填充料可以改善電絕緣性能，氧化銻填料可以提高阻燃性能等。聚氯乙烯電纜料常用的填充料有：碳酸鈣、滑石粉、氧化銻、陶土、氫氧化鎂、氫氧化鋁、玻璃纖維、硫酸鋇、硅酸鎂等。

本文配方方案采用硅烷偶聯(lián)劑表面處理的納米碳酸鈣，經(jīng)實驗比對，添加納米碳酸鈣后，對PVC護套料、絕緣料的塑化行為、力學性能等都得到了不同程度的提升。

3 配方確定及性能實測

3.1 配方體系確定

通過分析和多次的材料篩選比對，在低溫-50 ℃PVC護套料、絕緣料配方研究中，選用以下材料進行試驗。

護套料配方方案為：聚合度2500聚氯乙烯樹脂(型號SH-200)、聚合度1300聚氯乙烯樹脂、癸二酸二辛酯(DOS)、鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)、鈣/鋅復合穩(wěn)定劑8890、聚乙烯蠟、抗低溫改性劑Elvaloy 4924(乙烯-醋酸乙烯羰基(E/VA/CO)共聚物)、丁腈橡膠粉末P83、雙酚A、防老劑4010NA、改性納米碳酸鈣。

絕緣料配方方案為：聚合度1300聚氯乙烯樹脂、癸二酸二辛酯(DOS)、鄰苯二甲酸二異癸酯(DIDP)、對苯二甲酸二辛酯(DOTP)、鈣/鋅復合穩(wěn)定劑8890、聚乙烯蠟、聚醚型TPU彈性體、雙酚A、防老劑4010NA、改性納米碳酸鈣。

3.2 配方組份

通過對一系列配方的性能進行測試對比分析，篩選出最優(yōu)配方，如表1、表2所示。

表1 耐低溫-50 ℃ PVC護套料最優(yōu)配方

3.3 性能實測

通過上述配方的綜合研究和篩選，確定了耐寒聚氯乙烯新型護套料配方和耐寒絕緣料配方，并對其進行了性能實測如表3、表4所示。

表2 耐低溫-50 ℃ PVC絕緣料最優(yōu)配方

表3 耐寒PVC護套料實測性能

表4 耐寒PVC絕緣料實測性能

4 結(jié) 論

本研究制備出的耐寒護套料、耐寒絕緣料的低溫性能通過了-50 ℃低溫沖擊脆化實驗，其他性能完全滿足國家標準GB/T8815—2008《電線電纜用軟聚氯乙烯塑料》中對普通PVC護套料、絕緣料的性能要求。用研制出的耐寒護套、絕緣料進行成品電纜擠制實驗，確定了合適的擠制工藝溫度，對成品電纜進行測試，結(jié)果符合耐寒電纜的使用要求。

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[3] 王貴恒．高分子材料成型加工原理[M] ．北京：化學工業(yè)出版社，1995．

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Research on -50 ℃ cryocable insulation and sheath material formula

ZHOU Yang1,CAI Yinge2,SUN Haiming1,ZHOU Hongyi1,WU Mingjun1,LI Zhibin1

(1. Electric Power Research Institute of State Grid Heilongjiang Electric Power Co.,Ltd.,Harbin 150030,China; 2. State Grid Heilongjiang Electric Power Company Limited,Harbin 150090,China)

For the current ordinary PVC cable material, brittle temperature by low-temperature impact is between 15 ℃ ～ 20 ℃. While in some high latitude regions, such as northeast China, Inner Mongolia, Xinjiang and other regions in China as well as northern Europe, Russia and other regions outside China, winter temperature is often below - 50 ℃. If the temperature of cable materials can not meet the requirement of being too low, the insulation and sheath in the cable-laying process will often get damaged. Therefore, it is necessary to use low-temperature-resistant cable materials for the preparation of low-temperature-resistant cables. The research is mainly to trial-produce and study highly cold-resistant PVC formulation system. Through the selection of raw materials and modified materials, appropriate production technology and formula are determined. Ensuring that the PVC cable materials could meet the requirement of the international standard of performance, brittle temperature by low-temperature impact is shifted below - 50 ℃ in ways for the preparation of high cold-resistant PVC cable materials with excellent mechanical property and good extrusion process that could satisfy the requirement of low-temperature-resistant cable production as well as for the preparation of cold-resistant cable materials to extrude the finished cable products, in which tests of process performance and cable product performances are accordance with the requirements of the use.

PVC cable materials; highly cold-resistant; brittle temperature; modified toughening.

2017-04-10;

2017-05-20。

周 揚(1989—)，男，碩士研究生，主要從事電力設備物資質(zhì)量抽檢工作。

TM215

A

2095-6843(2017)05-0411-05

(編輯陳銀娥)