低压电线电缆无卤低烟阻燃聚烯烃护套开裂原因和试验探究.pdf

182 EPEM 2023.7 下电力安全Power Security低压电线电缆无卤低烟阻燃聚烯烃护套开裂原因和试验探究武汉第二电线电缆有限公司 方 盼摘要：夏季是低压电线电缆中无卤低烟聚烯烃阻燃护套出现开裂的多发季节，判定成品护套是否开裂至今也无标准试验方法，本文旨在通过实际经验来分析和解决无卤低烟聚烯烃阻燃护套开裂的问题。关键词：电线电缆；无卤低烟阻燃聚烯烃；开裂南方夏季室外地表最高处温度达5060，无卤低烟阻燃聚烯烃护套类电缆施工前长期处于室外露天存放，很多电缆就此发生开裂，究其原因复杂多样。原料性能、塑化性能、挤出压力、护套挤出工艺要求、电缆存放环境条件、电缆截面的大小等都会对护套开裂产生影响。1 无卤低烟阻燃聚烯烃护套料特性无卤低烟阻燃聚烯烃主要成分由无机阻燃剂氢氧化镁和氢氧化铝、相容剂、增塑剂、补强剂聚烯烃树脂（乙烯醋酸乙烯共聚物EVA）、抗氧剂、改性剂、阻燃协效剂等组成。聚烯烃树脂燃烧效果较好，燃烧时会产生大量水和二氧化碳。根据 GB/T19666-2019中对无卤低烟阻燃聚烯烃材料的要求，如果在聚烯烃树脂中添加大量的无机阻燃剂，如 Al（OH）3或 Mg（OH）2等。这些金属氢氧化物受热分解产生一定量的结晶水，同时吸收大量热能，大大降低聚烯烃树脂材料温度上升的速度。聚烯烃树脂分子结构呈线形排列，是一种容易发生燃烧的高分子材料，氧指数一般在20%以内，经过一定方式加工，氧指数可提高至36%。另外，添加了无机阻燃剂的聚烯烃树脂分解过程中所产生的水蒸气与产生的一些易燃气体相容，使其不易发生燃烧，可达到阻燃的作用。由于在聚烯烃树脂中添加了大量的无机阻燃剂，如果阻燃填料添加比例不当、原料混合不均匀、溶剂互溶比例不符合要求等会降低材料的原始机械性能和老化后性能，造成材料抗拉强度和断裂伸长率和相应老化后的变化率不合格，相应老化后的变化率增加，最终容易导致电缆护套发生开裂，缩短电缆使用寿命。2 开裂原因分析2.1 挤塑拉伸比过大对护套机械性能的影响拉伸比太大影响挤塑质量。无卤低烟阻燃聚烯烃电缆料含有各种无机阻燃剂，在熔融状态下熔体的拉伸强度、伸长率、黏度与其他普通电缆材料有一定区别。因此，对于无卤低烟阻燃聚烯烃电缆材料的挤出时，模具宜选用挤压式或者半挤压式，这样挤出制品性能更优良，拉伸比控制在1.52.0。这样可保证材料的机械性能、老化性能及挤出后表面的光洁程度。拉伸比即模具环形面积与产品挤出层环形面积之比。通过对 WDZC-YJY-0.6/14240+1120进行不同模具拉伸比验证（见表1），根据结果可知拉伸比过大会导致护套断裂伸长率和抗张强度下降，进而对成品抗开裂性能有一定影响。表1 不同拉伸比对护套机械性能影响模芯管壁外径mm模套孔径mm成缆外径mm成品外径mm拉伸比护套抗张强度n/mm2护套断裂伸长率%成品开裂情况667458.463.61.813.2170未开裂667858.463.62.712.1120开裂2.2 挤出速度对护套开裂的影响挤 出 速 度 过 快 会 影 响 挤 出 质 量。通 过 对WDZC-YJY-0.6/14185进行护套挤出速度验证发现，挤出速度越快，断裂伸长率和抗张强度均出2023.7 下 EPEM 183电力安全Power Security现下降（见表2），挤出速度过快，塑料在黏流态还没有充分搅拌就已经挤出，对成品护套性能有较大影响。若牵引速度过快，产品残余内应力较大，成品弯曲变形，甚至会发生开裂；若牵引速度过慢，护套厚度就会太厚，容易造成模套口外壁积料，长时间会形成残渣，影响挤塑质量。牵引速度必须稳定，且与成品挤出速度相匹配，正常生产时，牵引速度比塑料挤出速度高2%10%，以克服塑料的离模膨胀。电缆挤出时受到皮带牵引作用力非常大，特别是高速牵引状况下，分子链被拉伸，纵向抗拉强度大于横向抗拉强度，此时沿电缆纵向易开裂。表2 不同挤塑速度对护套机械性能影响模芯管壁外径mm模套孔径mm挤出速度m/min护套抗张强度n/mm2护套断裂伸长率%成品开裂情况5870711.1145未开裂58701010.5120开裂2.3 存放环境对成品护套性能的影响电缆在室外曝晒时间越长，会加速其开裂速度（见表3），夏季南方室外温高达60，接近护套最高工作温度，随着成品在室外暴晒的时间越长，加上昼夜温差较大，加速了材料老化的时间，通过对WDZC-YJY-0.6/14240+1120进行暴晒验证发现，随着暴晒时间的增加，护套断裂伸长率和抗张强度均出现下降，说明极端环境对无卤低烟阻燃电缆护套性能有一定影响。表3 不同存放环境条件（已预处理）对护套机械性能影响室外最高温度室内存放温度曝晒时间h护套抗张强度n/mm2护套断裂伸长率%成品开裂情况-30-10.5160未开裂58-1610.3130未开裂58-4810.2110开裂2.4 护套挤出温度影响造成开裂挤出时机头温度设置过低，有的高聚物还处在高弹态下，部分塑料还未到达黏流态就已经挤出，材料没有充分熔解，分子间流动性较差。由于温度影响着塑料的熔融状态，在一定条件下，熔融温度越高，相对来说塑料挤出质量越好。挤出温度过低，其结晶度增大，结晶相与非晶相的边缘产生的内应力越大，会使护套失表面粗糙，并出现竹节、小疙瘩、塑化不良、不规则开裂等现象。低温挤出对产品的机械性能影响是复杂的，无卤低烟聚烯烃护套抗张强度与挤出温度有关，温度越低，抗张强度越小。提高挤出温度，能提高护套抗应力开裂能力和抗张强度。同时，挤出温度过高，会使塑料在挤出过程中产生焦烧、开裂。另外，温度过高使挤出护套出现电缆粗细不均、脱胶、破口现象，甚至会引起挤出护套层产生小疙瘩、橘子皮、气泡等。2.5 大截面电缆弯曲半径过小会导致护套开裂GB/T12706.1-2020中规定多芯无铠装电缆安装最小弯曲半径要大于15倍的电缆外径，以 WDZC-YJY-0.6/14185+195为例，其电缆计算外径为68mm，则其电缆盘筒径至少要大于1020mm，如果其筒径小于1020mm，电缆在上盘后有发生开裂风险。电缆在圆周方向也存在弯曲应力，电缆内外侧分别产生压、拉应力，电缆外径越粗弯曲时其所受拉应力越大。内层护套弯曲后存在弯曲压力，电缆弯曲后缆芯沿纵向位移所产生的应力是不均匀的，有些部位应力可能出现集中，此时对护套形成向外挤的应力，护套因承受不了如此大的应力被挤破而发生开裂。铠装电缆弯曲时内部钢带会对护套产生更大的侧应力，如果在铠装层出现飞边、破口、划伤等使其受到损伤，都会造成护套局部应力偏大，一旦弯曲半径过小，都会造成电缆的外护套更容易发生开裂。通过对 WDZC-YJY-0.6/1不同截面在同一挤塑机、成缆表面采用同一无卤低烟带、同一无卤低烟聚烯烃阻燃护套材料厂家进行验证（见表4）。检测结果表明无卤低烟聚烯烃阻燃护套电缆截面积越大、护套厚度越大，开裂发生的概率越高。其断裂伸长率随截面积的增大而减小，该材料使用在更大截面的电缆中机械性能越差。挤塑后护套随时间推移，截面越小的电缆发生开裂的概率越低。表4 不同电缆外径护套机械性能型号WdZc-yJy0.6/1规格 mm25456 550 570 515051855240 护套平均厚度 mm1.51.62.02.12.52.63.0护套抗张强度n/mm212.111.613.612.712.811.512.9护套断裂伸长率%304268196195153145125护套外径mm10.011.433.438.647.158.765.7护套开裂与否未开裂未开裂未开裂未开裂 开裂开裂开裂护套挤塑完开裂时间 h-300h120h24h2.6 护套塑化以及缆芯表面褶皱影响造成开裂184 EPEM 2023.7 下电力安全Power Security护套塑化程度越充分，其抗开裂性能越显著。带钢带电缆缆芯边缘会有轻微翘起，护套材料在挤出时，挤塑时一出模口钢带边缘就会嵌入护套内层，在护套内层形成一条浅的沟槽，这实际是对护套结构的一种损伤，成品装盘后，随着内应力的增大，嵌入护套内层处的沟槽承受不了巨大的内应力会造成了开裂的发生。一些阻燃类电缆在设计时会增加一些阻燃元件，比如无卤低烟带，这种带子材质较硬，成缆绕包时极容易出现卷边或者褶皱，护套挤塑时，这些卷边和褶皱的地方会嵌入护套内层，对护套结构造成损伤，如果出现应力增大的情况，会加速护套开裂的风险，如果在缆芯外层再绕包一层材质较软的材料，可以减缓甚至消除应力过大对护套的影响，防止护套开裂发生的概率。2.7 螺杆压缩比对电缆护套的影响当挤出螺杆的压缩比较大时，会造成聚合物分子间发生相对位移，使成品的抗张强度和断裂伸长率等机械性能下降。同时，螺杆压缩比较大，无卤低烟阻燃电缆料里面无机阻燃剂成分较多，这种材料挤出需要更大的剪切应力。一旦挤出，会造成挤出速度无法达到稳定，使塑料在机头和螺杆间滞留时间过长。挤出过程中熔融段塑料与机筒内壁产生巨大的摩擦力，大量摩擦生热将使熔融段塑料温度长时间超标，从而引发材料中各种无机阻燃剂的提前分解，对护套机械性能产生一定影响，最终造成护套开裂。2.8 挤塑冷却方式对护套开裂造成影响水槽冷却温差大，对无卤低烟聚烯烃阻燃护套开裂有一定影响。一般的挤塑机生产设备冷却水槽的长度和大小有限，由于无卤低烟阻燃聚烯烃护套挤出后温度很高，如果挤出后速度过快，会导致护套急剧冷却，护套还来不及完全冷却，便快速生收缩，护套外层温度骤降，而内层热应力还来不及及时释放。随着时间推移，内层应力会逐渐向外层扩散，为日后因应力集中造成护套开裂留下隐患。为此，应该采取逐步缓慢冷却方式。水槽中水温应该缓慢降低，即水槽中水温从高到低，通过增加水槽长度，控制各段水温，直至冷却到室温。配合适当的牵引速度，使外护套的温度能够均匀释放、充分冷却，确保电缆收盘时，已经充分冷却定型。2.9 原料受潮对护套的影响通过对某开裂发生次数较多的无卤低烟阻燃聚烯烃电缆料供应商提供产品进行研究发现，该电缆料挤制护套后会在靠近护套内外表面形成大量密集小孔，在经过高温老化或者暴晒后，这些小孔会变大，其机械性能会显著下降，其发生开裂次数明显增多，表明电缆料受潮会增加护套开裂的风险。3 无卤低烟阻燃聚烯烃护套料抗开裂试验探究GB/T12706.1-2020中对于成品无卤低烟阻燃聚烯烃护套热冲击试验尚在考虑中，因此无卤低烟阻燃聚烯烃护套料本身存在开裂风险对后续挤塑成品开裂有较大影响。如果把开裂风险遏制在原料阶段对解决成品开裂有一定实际意义。GB/T32129-2015对于无卤低烟阻燃聚烯烃护套料规定了耐热冲击试验，试验温度为130，通过对开裂的无卤低烟阻燃聚烯烃阻燃护套料进行验证，仅有50%的试样开裂，表明该试验不能对成品无卤低烟阻燃聚烯烃护套开裂进行有效测定。通过对无卤低烟阻燃聚烯烃护套料抗开裂检测方法的研究（见表5），取开裂样品进行验证，分别参照 GB/T2951.41-2008耐环境应力开裂、GB/T15065-2009耐热应力开裂进行试验。这两个试验均能对护套开裂进行有效测定。耐环境应力开裂试验制样采用热压机制备，试样的模压条件为（165180）2。每个厂家材料的性能不一样，所以具体模压温度要适当调整。试验过程可参照 GB/T2951.41-2008中规定，即试验温度（750.5），保持12h。试验结果评定要求定为10个试样都不能发生开裂。耐热应力开裂试验过程可参照标准 GB/T15065-2009附录 A 规定。模压好的试样在试验温度为（1000.5）中保持96h，结果评定要求定为试件不能发生开裂。这两项试验均可以对无卤低烟阻燃聚烯烃护套材料是否发生开裂进行有效测定。表5 耐环境应力开裂和耐热应力开裂试验对比抗开裂标准主要试验设备试验步骤烘箱温度试验时间 h试件个数试验结果GB/t2951.41-2008耐环境应力开裂热压机，烘箱，刻痕装置热压制样-刻痕弯曲置于试剂中702410全部开裂GB/t15065-2009耐热应力开裂烘箱，圆棒缠绕固定试样于烘箱1009610全部开裂综上所述，无卤低烟阻燃聚烯烃护套开裂原因复杂多样，要想解决根本问题，需要从原材料性能、成缆表