電線電纜用聚氯乙烯的氙燈加速老化性能研究

周良東

（福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院，福建 福州 350002）

PVC樹脂具有優(yōu)良的物理機(jī)械性和電絕緣性能，而且具有難燃、耐化學(xué)品腐蝕、耐油、耐水等特性，是電線電纜行業(yè)理想的絕緣和護(hù)套材料[1]。雖然正常的PVC結(jié)構(gòu)是很穩(wěn)定的，但聚合過程中的副反應(yīng)會導(dǎo)致PVC的鏈結(jié)構(gòu)在個別部位發(fā)生了變化，從而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)上的缺陷。大量研究表明，電線電纜用PVC在受到太陽光輻射時，PVC會降解而發(fā)生鏈?zhǔn)矫揌Cl，電纜料很容易變色和變脆而直至整體性能的惡化和喪失[2-3]。為了研究電線電纜用PVC的耐老化性能和預(yù)測其使用壽命，文中選用光譜和太陽光接近度最高的氙弧燈對電線電纜用PVC進(jìn)行人工加速老化研究，對老化前后的電線電纜用PVC的性能進(jìn)行分析和評價。

1 實驗部分

1.1 主要原材料和設(shè)備

電線電纜用PVC，H70，福建南平華陽電線電纜有限公司；

氙燈老化機(jī)，CI4000，美國亞太拉斯（Atlas）材料測試技術(shù)公司；

電子顯微鏡，E200-F+，日本尼康株式會社；

電子萬能試驗機(jī)，T1-FR020TN.A50，德國Zwick公司；

電壓擊穿試驗儀，HCDJC-100kV，北京華測試驗儀器有限公司；

體積、表面電阻率測試儀，HEST-200，北京華測試驗儀器有限公司；

氧指數(shù)測定儀：HC-2，南京江寧區(qū)分析儀器廠。

1.2 實驗方法

試片的制備按GB/T 8815《電線電纜用軟聚氯乙烯塑料》的規(guī)定進(jìn)行，將粒料混后在165℃的塑煉機(jī)上煉塑8min，再在溫度為165℃的液壓機(jī)中按不加壓預(yù)熱、恒溫加壓、加壓冷卻的順序壓制17min后出模，厚度為1mm。

電線電纜用PVC的人工加速老化方法按ISO 4892.2中的A法進(jìn)行，黑標(biāo)準(zhǔn)板溫度60℃，濕度50%，箱體溫度50℃；拉伸性能按GB/T 1040.3《塑料拉伸性能測試》的規(guī)定測試；20℃時體積電阻率按GB/T 1410《固體絕緣材料體積電阻率和表面電阻率試驗方法》的規(guī)定測試；介電強(qiáng)度按GB/T 1408.1《絕緣材料電氣強(qiáng)度試驗方法 第1部分：工頻下試驗》的規(guī)定測試；氧指數(shù)按GB/T 2406《塑料用氯指數(shù)法測定燃燒行為》的規(guī)定測試；200℃時熱穩(wěn)定時間的測定按GB/T 8815《電線電纜用軟聚氯乙烯塑料》的規(guī)定測試；熱老化性能按GB/T 8815《電線電纜用軟聚氯乙烯塑料》的規(guī)定測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌分析

從圖1可以看出，電線電纜用PVC經(jīng)過人工老化后，表面出現(xiàn)了明顯的裂紋，隨著老化時間的延長，裂紋逐漸加深。經(jīng)過1000h老化后，材料表面出現(xiàn)了較淺的裂紋，2000h老化后的材料表面立體感大幅加強(qiáng)，這說明電線電纜用PVC的老化是個由表往內(nèi)的過程。

圖1 人工加速老化前后材料的微觀形貌

2.2 力學(xué)性能

由圖2可知，電線電纜用PVC的拉伸性能隨著老化時間的延長而下降，在老化時間為1000 h時，拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率的保持率分別為78.64%和77.13%。隨著老化的進(jìn)一步進(jìn)行，電纜料的性能逐漸下降，但趨勢逐步放緩。這是因為PVC材料的導(dǎo)熱性較差，PVC的降解只在與太陽光接觸的材料表面的一個薄層進(jìn)行。老化剛開始時，PVC的老化速度較快，老化形成的粉末附著在材料表面形成了保護(hù)層，延緩了材料的進(jìn)一步老化。按國標(biāo)GB/T 8815對電纜料的老化后性能保持率的界定，老化后性能保持率低于80%即可視為材料不滿足使用要求。因此，從文中的試驗結(jié)果來看，普通用途電線電纜用PVC的人工加速老化時間定為1000h是較為合適的。

圖2 電線電纜用PVC經(jīng)過不同人工加速老化時間的力學(xué)性能

2.3 體積電阻率和介電強(qiáng)度

從表1可以看出，電線電纜用PVC的體積電阻率隨著老化時間的延長而急劇下降，這是因為經(jīng)過老化后的材料表面開裂形成了大量的細(xì)微裂紋，裂紋中殘留了大量水分而造成的。將老化后的材料擦干并晾置30min后，體積電阻率無明顯變化，這說明，在干燥狀態(tài)下人工加速老化對材料體積電阻率的影響不大。

表1 電線電纜用PVC經(jīng)過不同人工加速老化時間的電性能

從圖3可以看出人工加速老化對材料介電強(qiáng)度無明顯影響，這是因為PVC的老化是個薄層老化的過程，老化形成的粉末仍然附著在材料表面，老化后的材料厚度變化并不明顯，表現(xiàn)為老化后材料的介電強(qiáng)度變化不明顯。

圖3 電線電纜用PVC經(jīng)過不同人工加速老化時間的介電強(qiáng)度

2.4 阻燃性能

從圖4可以看出，隨著人工加速老化時間的延長，電線電纜用PVC的氧指數(shù)基本維持在一個范圍內(nèi)波動，這說明人工加速老化對電線電纜用PVC的阻燃性能影響不大。這是因為電纜料的老化是典型的由表及里漸進(jìn)的老化過程，有研究表明，PVC材料的老化層深度只有100μm，而發(fā)生強(qiáng)列破壞的僅在表面10μm的深度，而PVC材料的導(dǎo)熱性較差，對光和熱的傳遞也較為遲緩，HCl的脫出也只在材料與日光接觸的表面上進(jìn)行。同時，材料表層在降解粉化后附著在材料表面對材料也有一定的遮蓋保護(hù)作用，粉化層在脫落后新一層出現(xiàn)后再進(jìn)行新一層的老化，因此在材料的老化過程中，內(nèi)層材料的性能相對穩(wěn)定，表現(xiàn)為其阻燃性能變化不大。

圖4 電線電纜用PVC經(jīng)過不同人工加速老化時間的阻燃性能

2.5 200℃熱穩(wěn)定時間

電線電纜用PVC的200℃熱穩(wěn)定時間是最重要的指標(biāo)，體現(xiàn)的是電纜料耐熱、耐高溫的能力。穩(wěn)定時間短，材料在使用時受熱就會快速分解，性能將嚴(yán)重降低。文中采用甘油為加熱介質(zhì)，將粒狀電纜料放入試管后用膠塞塞住，置于200℃的甘油中加熱并開始計時，記錄剛果紅試紙下邊緣開始變藍(lán)時的時間為熱穩(wěn)定時間。從表2可以看出，老化前的電線電纜用PVC具有良好的熱穩(wěn)定性能，熱穩(wěn)定時間超過260min，只要經(jīng)過老化后，不論老化時間的長短，熱穩(wěn)定時間均急劇下降。這是因為電纜料經(jīng)老化后，曝曬面的PVC分子鏈上的雙鍵和支化點被活化形成了游離基，PVC在游離基的作用下產(chǎn)生連鎖反應(yīng)脫去HCl而發(fā)生降解[4]。降解的結(jié)果使材料的分子量降低，熱穩(wěn)定時間大幅降低。對于某些用途的電纜料，有針對性地改變配方，提高其熱穩(wěn)定時間就顯得十分有必要。

表2 電線電纜用PVC經(jīng)過不同人工加速老化時間后的200℃熱穩(wěn)定時間

2.6 老化質(zhì)量損失

電線電纜用PVC在老化后除拉伸性能保持率外，老化質(zhì)量損失也是一項重要的評定指標(biāo)。它的好壞可說明某溫度等級的電線電纜用PVC中所用的原材料是否適用于該溫度等級。若質(zhì)量損失過大則說明材料在使用溫度下助劑易析出揮發(fā)，材料易變硬變脆而失去原有性能。如果90型PVC料熱失重只能滿足70型PVC料的失重量要求，那么90型料就無從談及90℃。從表2可以看出，隨著老化日光曝曬時間的延長，電線電纜用PVC老化質(zhì)量損失大幅上升，在老化時間為1000h時，質(zhì)量損失高達(dá)45.81g，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了業(yè)內(nèi)一致認(rèn)可的經(jīng)熱老化試驗后質(zhì)量損失不超過20g的指標(biāo)。這可能是因為電線電纜用PVC在進(jìn)行人工曝曬試驗時，電線電纜用PVC在有氧環(huán)境中不僅在經(jīng)受著熱老化，同時還在進(jìn)行光老化，光、熱和氧三因素的協(xié)同作用使得助劑揮發(fā)速度加快。助劑揮發(fā)也將使PVC的穩(wěn)定性下降，使PVC分子發(fā)生降解和分子間的斷鏈交聯(lián)。降解的結(jié)果使材料的分子量降低，交聯(lián)的結(jié)果使材料的分子量增大，成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，脆性提高。在降解和交聯(lián)的互相競爭過程中，最后以其中一種占優(yōu)勢而告終。

圖5 電線電纜用PVC經(jīng)過不同人工加速老化時間的老化質(zhì)量損失

3 結(jié)論

（1）電線電纜用PVC經(jīng)人工加速老化后，其機(jī)械物理性能明顯下降。

（2）隨著人工加速老化時間的延長，電線電纜用PVC的機(jī)械物理性能變化明顯，當(dāng)老化時間達(dá)到1000h時，材料的拉伸性能下降20%，質(zhì)量損失達(dá)45.81g，200℃熱穩(wěn)定時間急劇降低。

（3）人工加速老化對材料的介電強(qiáng)度、阻燃性能沒有明顯影響，按標(biāo)準(zhǔn)測試的老化后材料的20℃時體積電阻率急劇下降，但干燥后可恢復(fù)原值。