通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料耐濕熱性能研究

李森林 ，何 凱 ，劉宇舜，嚴(yán) 波，郭可貴

（1國(guó)網(wǎng)安徽電科院，安徽合肥 230601；2國(guó)網(wǎng)合肥供電公司，安徽合肥 230022；3國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司，安徽合肥230022）

聚乙烯是一種高質(zhì)量、低成本、使用范圍較廣的高分子材料。在薄膜、管道、電線電纜、日用品的制作中較為常見(jiàn)[1]，也能夠使用在雷達(dá)和電視等高頻絕緣材料中。聚乙烯（PE）交聯(lián)技術(shù)屬于聚乙烯改性的核心方法，交聯(lián)后的聚乙烯與常規(guī)聚乙烯對(duì)比后，前者具有顯著的電絕緣性能與機(jī)械性能，且耐磨性較好[2]。聚乙烯交聯(lián)方法由輻射交聯(lián)法與化學(xué)交聯(lián)法構(gòu)成，化學(xué)交聯(lián)法包含過(guò)氧化物交聯(lián)法與硅烷交聯(lián)法。輻照[3]交聯(lián)和過(guò)氧化物交聯(lián)法均具有某些缺點(diǎn)，例如交聯(lián)設(shè)施昂貴和工藝操作難度大，勞動(dòng)保護(hù)措施需求大等，但硅烷交聯(lián)PE技術(shù)能夠克服此類(lèi)缺點(diǎn)[4]。為了分析通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料耐濕熱性能，本文使用硅烷交聯(lián)聚乙烯技術(shù)，制造通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料。硅烷交聯(lián)聚乙烯在電線電纜、熱收縮套管等功能性材料中的使用較多，特別是城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造，硅烷交聯(lián)聚乙烯憑借自己卓越的應(yīng)用性能，在電力電纜生產(chǎn)中大量使用[5]。本文在通過(guò)硅烷交聯(lián)聚乙烯技術(shù)獲取通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料后，對(duì)通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料實(shí)施耐濕熱性能檢測(cè)。

1 通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料耐濕熱性能研究方法

1.1 硅烷交聯(lián)聚乙烯技術(shù)

硅烷交聯(lián)聚乙烯技術(shù)將聚乙烯材料和硅烷在反應(yīng)混合器皿里實(shí)施接枝反應(yīng)，讓硅烷接枝在聚乙烯鏈側(cè)端實(shí)施反應(yīng)，并得到接枝共聚類(lèi)聚乙烯硅烷接枝共聚物（C料），在混合器皿里制作催化母料（D料）后，將D料與C料實(shí)施混合，獲取通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料[6-7]。制作流程如圖1所示。

圖1 通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料制作流程Fig.1 Manufacturing process of cross linked polyethylene material for communication cable

1.2 測(cè)試方法

測(cè)試原料主要使用1.1小節(jié)獲取的通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料。并在獲取的通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料中分別加入聚乙烯基吡咯烷酮、混雜纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料后，放在沸水里持續(xù)煮200h，以此模擬濕熱老化環(huán)境，分析材料耐濕熱性能[8]。

（1）加入聚乙烯基吡咯烷酮后材料耐濕熱性能測(cè)試方法

檢測(cè)通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料的尺寸穩(wěn)定性時(shí)，尺寸穩(wěn)定性也可理解成因次穩(wěn)定性，屬于通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料在指定環(huán)境中的尺寸變動(dòng)度，能夠體現(xiàn)通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料在濕熱環(huán)境中，可以保持自身形狀和尺寸的性能[9-10]。為降低誤差，通過(guò)體積變動(dòng)率代表通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料尺寸穩(wěn)定性[11]。

加入聚乙烯基吡咯烷酮后，通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料的可彎曲強(qiáng)度、彎曲保持度在ZMG1材料檢測(cè)儀中根據(jù)GB2570-81實(shí)現(xiàn)檢測(cè)[12-13]。通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料的沖擊強(qiáng)度通過(guò)XCj-50沖擊檢測(cè)儀獲取[12]。動(dòng)態(tài)力學(xué)能力通過(guò)DMA檢測(cè)儀獲取。主要測(cè)試當(dāng)聚乙烯基吡咯烷酮含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）依次是0%、3 %、6%、9 %、12 %時(shí)，材料的可彎曲強(qiáng)度、彎曲保持度、抗沖擊強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性。

（2）加入混雜纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料后材料耐濕熱性能測(cè)試方法

混雜纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料[14]中的纖維主要是玻璃纖維+碳纖維+環(huán)氧樹(shù)脂。玻璃纖維來(lái)自泰山玻纖單位制造；碳纖維[15]來(lái)自日本東麗公司制造；環(huán)氧樹(shù)脂屬于無(wú)錫美華化工公司產(chǎn)品[16-17]。

測(cè)試當(dāng)混雜纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料厚度依次是6.6mm、8.6mm時(shí)，伴隨水煮時(shí)間的變動(dòng)，材料的力學(xué)性能[18]。

2 結(jié)果分析

2.1 加入聚乙烯基吡咯烷酮后通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料耐濕熱性能測(cè)試結(jié)果

圖2為濕熱老化對(duì)材料可彎曲強(qiáng)度的干擾分析結(jié)果。

圖2 濕熱老化對(duì)材料可彎曲強(qiáng)度的干擾分析結(jié)果Fig.2 Analysis results ofinterference of hygrothermal aging on bendable strength of materials

水煮前，在聚乙烯基吡咯烷酮含量是9%時(shí)，材料的可彎曲強(qiáng)度出現(xiàn)最高值。但水煮后，在聚乙烯基吡咯烷酮含量是6%時(shí)，材料的可彎曲強(qiáng)度出現(xiàn)最高值。經(jīng)測(cè)試可知，在濕熱老化環(huán)境中，加入6%聚乙烯基吡咯烷酮后通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料的可彎曲強(qiáng)度最高。

根據(jù)圖2獲取通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料彎曲強(qiáng)度保持率，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料彎曲強(qiáng)度保持率Table 1 Bending strength retention of XLPE material for communication cable

分析表1可知，材料彎曲強(qiáng)度保持率伴隨聚乙烯基吡咯烷酮含量變多出現(xiàn)先變多后變小的規(guī)律，但聚乙烯基吡咯烷酮大于6%時(shí)，保持率快速變小，如果聚乙烯基吡咯烷酮含量為12%，保持率為34.7%。經(jīng)測(cè)試可知，在濕熱老化環(huán)境中，加入6%聚乙烯基吡咯烷酮后通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料的彎曲保持率最高。

圖3是通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料中加入聚乙烯基吡咯烷酮前后材料的抗沖擊強(qiáng)度的變動(dòng)情況。

圖3 抗沖擊強(qiáng)度變動(dòng)測(cè)試結(jié)果Fig.3 Test results of impact strength variation

分析圖3可知，通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料中加入聚乙烯基吡咯烷酮后，含量為6%時(shí)，通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料的抗沖擊強(qiáng)度最高。

表2是通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料濕熱老化前后材料的介電性能測(cè)試結(jié)果。

表2 介電性能測(cè)試結(jié)果Table 2 Dielectric property test results

分析表2可知，對(duì)比之下，不管是否實(shí)施水煮濕熱老化，當(dāng)聚乙烯基吡咯烷酮含量為6%時(shí)，材料的介電性能佳，介電損耗小。

表3為加入聚乙烯基吡咯烷酮后通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料的尺寸穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果。

表3 通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料尺寸穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果（單位：%）Table 3 Dimensional stability test results of cross linked polyethylene material for communication cable （unit：%）

分析表3可知，伴隨水煮時(shí)間的增多，加入聚乙烯基吡咯烷酮后，通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料的尺寸穩(wěn)定性存在一定變動(dòng)，但當(dāng)聚乙烯基吡咯烷酮含量是6%時(shí)，加入聚乙烯基吡咯烷酮后通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料的尺寸穩(wěn)定性最高。

2.2 加入混雜纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料后通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料耐濕熱性能測(cè)試結(jié)果

加入混雜纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料后通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料的力學(xué)性能見(jiàn)表4。

表4 加入混雜纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料后材料力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果Table 4 Test results of material mechanical properties after adding hybrid fiber reinforced epoxy resin composite

分析表4可知，水煮老化時(shí)，加入混雜纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料后，通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料的彎曲強(qiáng)度與彎曲模量沒(méi)有持續(xù)變小，存在一種起伏變動(dòng)的趨勢(shì)。這是因?yàn)闇囟?、濕度與加入混雜纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料后的通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料性能利弊并存，致使其力學(xué)性能變差；此外，高溫讓材料里的樹(shù)脂固化水平變大，提升了力學(xué)性能。加入混雜纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料后，通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料在水氣的影響下，由于水可以讓基體溶脹塑化后蔓延至基體和纖維中間，致使基體強(qiáng)度變低，界面脫粘，層間剪切強(qiáng)度變差。加速濕熱老化時(shí)，層間剪切強(qiáng)度突顯材料性能。厚度是6.6mm與8.6mm的混雜纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料相比，6.6mm的材料可彎曲強(qiáng)度、彎曲模量以及剪切強(qiáng)度都大于8.6mm，耐老化性能較好。

濕熱老化時(shí)間和材料彎曲強(qiáng)度保留率詳情見(jiàn)表5。

表5 濕熱老化時(shí)間和可彎曲強(qiáng)度保留率的關(guān)系Table 5 Relationship between humid heat aging time and flexural strength retention

表5中，當(dāng)加速濕熱老化200h后，6.6mm電纜材料可彎曲強(qiáng)度保留率大約是76%，但8.6mm電纜材料的保留率是75%。且不論水煮老化的時(shí)間是多久，6.6mm電纜材料的可彎曲強(qiáng)度保留率均大于8.6mm電纜材料。

表6是濕熱老化時(shí)間和材料剪切強(qiáng)度保留率的關(guān)系測(cè)試結(jié)果。

表6 濕熱老化時(shí)間和剪切強(qiáng)度保留率測(cè)試結(jié)果Table 6 Test results of wet heat aging time and shear strength retention

分析表6可知，加速濕熱老化200h后，6.6mm電纜芯剪切強(qiáng)度保留率是60%，但8.6mm電纜芯的保留率是57%。由此可見(jiàn)，含6.6mm混雜纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料在濕熱老化環(huán)境中的剪切強(qiáng)度保留率較高，耐濕熱性能最好。

3 結(jié)論

交聯(lián)聚乙烯電纜材料屬于一類(lèi)具有有機(jī)過(guò)氧化物的聚乙烯，電氣性能優(yōu)，介電損耗小。將其使用在通信電纜中，并研究通信電纜交聯(lián)聚乙烯材料耐濕熱性能，對(duì)電纜應(yīng)用質(zhì)量存在一定幫助。本文方法對(duì)此研究后可知，當(dāng)在通信電纜電聯(lián)聚乙烯材料中加入6%聚乙烯基吡咯烷酮，或加入厚度為6.6mm混雜纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料后，其在耐濕熱環(huán)境中的應(yīng)用后性能最佳。