電纜絕緣材料剖析

1、第七章 電纜絕緣材料一、概述高聚物是制造電線電纜極為重要的絕緣材料和護(hù)套材料。電線電纜的特性主要決定于電線電纜材料的性能。但應(yīng)指出，電線電纜的使用要求、結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)與電線電纜所用材料的性能既有密切的相關(guān)性，又有一定的矛盾性。電纜技術(shù)的任務(wù)就在于解決這個問題。一方面要深入了解電線電纜的具體用途、使用要求、敷設(shè)環(huán)境條件，設(shè)計(jì)性能好，尺寸小、壽命長，價格低的最佳電線電纜結(jié)構(gòu)。深入研究各種結(jié)構(gòu)電線電纜在使用過程中各種性能的變化規(guī)律。一方面要從電線電纜材料的分子結(jié)構(gòu)出發(fā)研究材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，探討改進(jìn)材料性能的方向，研究電線電纜用各種材料在各種客觀因素作用下的變化規(guī)律，為正確設(shè)計(jì)電線電纜結(jié)構(gòu)，正確選擇材

2、料、合理使用材料提供可靠的理論和實(shí)際根據(jù)。電線電纜因其用途不同、敷設(shè)條件不同，基本性能是不同的。因此對制造電線電纜用材料提出不同要求。概括起來作為電線電纜絕緣和護(hù)套材料用高聚物應(yīng)具有下列基本性能：1電絕緣性能；2物理機(jī)械性能；3化學(xué)性能；4工藝性能；5特殊性能。前四種性能是具有普遍性的，必須符合共性要求，后一種特性是針對特殊環(huán)境使用條件下提出的特殊要求。應(yīng)當(dāng)說明，對于某一種電線電纜可以而且必須具有幾項(xiàng)主要性能，具有各種特性，用于各種條件下的通用的電線電纜是不存在的。一種電纜可能具有某一種特長，也會有某種特短。對于電線電纜所用高聚物材料也要具體分析，高聚物的化學(xué)組成、物理結(jié)構(gòu)不同，可能使其具有千

3、差萬別的性能，有時一種分子結(jié)構(gòu)往往決定兩種完全矛盾的使用性能，我們在選用材料時要充分把微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能密切結(jié)合起來。利用其特長，改進(jìn)其特短。從電線電纜使用要求出發(fā)，我們將著重研究高聚物的電絕緣性能，力學(xué)性能、耐熱性、耐燃性、耐油性、化學(xué)性能、耐濕性，耐光性，耐老化性和工藝性能。電絕緣性能是電線電纜用高聚物的最重要的最基本的性能。所謂電絕緣性能就是在高電場作用下由高分子運(yùn)動所表現(xiàn)出來的介電現(xiàn)象和電導(dǎo)現(xiàn)氛?？梢园迅呔畚锏慕殡娦?、導(dǎo)電性擊穿作為高聚物在電壓作用下的宏觀特性。一般說來，在絕緣體和半導(dǎo)體中的載沉子密度是極少的。對于大多數(shù)極純的高聚物多屬于絕緣體，他們的微弱導(dǎo)電性來自導(dǎo)電性雜質(zhì)的存在。圖

4、1 各種材料電導(dǎo)率的大致范圍二、電纜結(jié)構(gòu)電力電纜的品種很多，其具體結(jié)構(gòu)會因運(yùn)用場合不同而有所差異。現(xiàn)以超高220KV 超高壓輸電電纜結(jié)構(gòu)為例，如圖 2所示。圖2 高壓輸電電纜護(hù)套結(jié)構(gòu)示意圖220KV 超高壓輸電電纜由多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)組成：最內(nèi)層是由光滑柔韌的銅線絞合成圓柱型導(dǎo)體。第二層為導(dǎo)體屏蔽層，它是與最內(nèi)層導(dǎo)體同心的擠壓半導(dǎo)電復(fù)合層，包在銅導(dǎo)體外面，不吸潮，在導(dǎo)體與導(dǎo)體屏蔽層之間加有半導(dǎo)體包繞帶，通常，半導(dǎo)體包繞帶為雙面涂覆丙烯酸化合物的高強(qiáng)度有機(jī)帶。第三層為 XLPE 絕緣層，是采用干式交聯(lián)法將 XLPE 直接粘接在內(nèi)半導(dǎo)體層上。第四層為絕緣屏蔽層，為擠壓半導(dǎo)體復(fù)合層，不吸潮，設(shè)有適當(dāng)?shù)耐钩?/p>

5、物，嵌入到鋁鎧裝之中，絕緣屏蔽層由銅帶和銅織纖維帶組成。第五層為墊層，它由軟性半導(dǎo)體帶和金屬箔膜帶組成，墊層具有良好的穩(wěn)定性，為內(nèi)層結(jié)構(gòu)提高較好的緩沖襯墊保護(hù)。第六層為波紋鋁鎧裝層，采用無縫鋁管扎成波紋形，包在墊層外面，鋁鎧裝層具有優(yōu)良的徑向防水性能，可以防止水份滲入絕緣層，形成水樹枝，使絕緣產(chǎn)生內(nèi)部放電，直至擊穿，同時它也是電纜的金屬屏蔽層和外導(dǎo)體。第七層為瀝青防腐層，即在鋁鎧裝層外面涂覆一層電纜瀝青，以防電纜護(hù)套損傷后水份浸入，同時，由于鋁是非常活波的元素，瀝青防腐層可以防止在塑料護(hù)套破損后鋁與周圍媒質(zhì)中的酸性或堿性化合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成鋁鎧裝層的腐蝕破壞。第八層為 PVC 外護(hù)套，是鋁

6、鎧裝層外的粘結(jié)護(hù)套，此護(hù)套既可以作為電纜的機(jī)械保護(hù)，又可以作為屏蔽對地的絕緣層。最外層為石墨導(dǎo)電涂層，是在 PVC 護(hù)套外采用干涂工藝，涂覆一層石墨導(dǎo)電涂層，主要用于檢查電纜護(hù)套在出廠前、運(yùn)輸以及敷設(shè)安裝過程中是否破損。作為測試電極，石墨涂層應(yīng)均勻、平滑，與護(hù)套粘結(jié)牢固、分散良好。三、阻燃劑作為電線電纜的絕緣和護(hù)套用料的聚合物，基本上是含有碳和氫的有機(jī)高分子。當(dāng)這些聚合物受熱時會發(fā)生軟化、熔融;如果進(jìn)一步受熱，則熔融的聚合物會分解，產(chǎn)生可燃性氣體。當(dāng)可燃性氣體達(dá)到一定濃度和溫度時，會和空氣中的氧氣反應(yīng)，發(fā)生燃燒。燃燒會釋放出大量熱量，而這些熱量可能會將進(jìn)一步地加劇聚合物的熔化和分解，產(chǎn)生更多的

7、可燃?xì)怏w，從而使火勢迅速蔓延。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)大火災(zāi)案例中電氣火災(zāi)約占80%，其中，每年發(fā)生的電氣火災(zāi)中因電線電纜引發(fā)的火災(zāi)占50%以上，居各類火災(zāi)之首，給企業(yè)和社會造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人身傷亡。我國僅由于電纜引起的火災(zāi)損失每年達(dá)50億元人民幣。因此，對電線電纜所用的易燃高聚物材料的阻燃就顯的尤為重要。1.鹵素阻燃劑鹵系阻燃劑是目前世界上產(chǎn)量最大的有機(jī)阻燃劑之一，它以其添加量少、阻燃效果顯著而在阻燃領(lǐng)域中占有重要地位。為了提高阻燃效果，有機(jī)鹵化物多與Sb2O3復(fù)配使用。用于電線電纜中的鹵素阻燃劑有氯化石蠟、十溴聯(lián)苯醚、八溴二苯醚等。用于電線電纜的十溴聯(lián)苯醚，約占其總消耗量的20%-24%。為人們

8、接受的阻燃機(jī)理為，含鹵化合物受熱分解生成的鹵化氫，可以與燃燒中的活性自由基OH，H反應(yīng)，生成反應(yīng)活性低的鹵自由基，致使燃燒減緩或終止。鹵素阻燃材料的主要缺點(diǎn)是燃燒時發(fā)煙量大，燃燒產(chǎn)物中的有毒、有害、有強(qiáng)烈腐蝕性的組分會增加。2.金屬氫氧化物阻燃劑隨著鹵素阻燃劑所帶來的“二次危害”及日益爭論的環(huán)保問題，電線電纜、電氣電子等行業(yè)在很早就開始了無鹵阻燃的開發(fā)。其中應(yīng)用最廣泛的無鹵阻燃劑就是金屬氫氧化物:氫氧化鋁(AI(OH)3)和氫氧化鎂(Mg(OH)2 )。高含量氫氧化物作為聚烯烴阻燃劑的第一次成功應(yīng)用是在1980年，用于澳大利亞墨爾本地鐵的電纜中。金屬氫氧化物的作用見Tablet-1。金屬氫氧化

9、物分解時需要吸收一定的熱量，在火焰作用下，填充到聚合物發(fā)生分解吸收燃燒過程中放出的部分熱量，降低高聚物的溫度。同時分解出來的水蒸氣可稀釋火焰區(qū)域里的氣體反應(yīng)物的濃度，生成的金屬氧化物還有助于燃燒時材料表面炭化層的形成，阻擋熱量和氧氣進(jìn)入材料，抑制可燃?xì)怏w的逸出。同無機(jī)阻燃劑中銷量最大的氫氧化鋁相比，氫氧化鎂具有熱穩(wěn)定性高、除酸能力強(qiáng)及吸熱量高等特點(diǎn)(見Tablet-1)。無機(jī)鎂質(zhì)阻燃劑在為數(shù)眾多的無機(jī)阻燃劑家族中已占有一席之地。3.磷系阻燃劑磷和含磷化合物也是無鹵阻燃劑中的重要一類。含磷阻燃劑因其熱穩(wěn)定性好、不揮發(fā)、效果持久、等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用。磷系阻燃劑主要有磷酸醋類、多磷酸鹽、紅磷等

10、品種，它們主要在凝聚相起阻燃作用，對含氧聚合物阻燃效果明顯。由于有機(jī)磷系阻燃劑大都耐水性差，且與聚烯烴相容性也不好，導(dǎo)致阻燃制品的力學(xué)性能差，故目前在電線電纜中應(yīng)用較少。紅磷由于其發(fā)煙量小，低毒，耐久性好，應(yīng)用范圍廣，能單獨(dú)使用，也可與其他阻燃劑共同使用，廣泛用于阻燃材料中。4.硅系阻燃劑硅系阻燃劑作為一種無鹵阻燃劑作用于PE，不僅可以大大改善材料的阻燃抑煙性，而且可以提高材料的力學(xué)性能。其阻燃機(jī)理在于，燃燒時能生成玻璃狀的無機(jī)層。Si-O-Si-C)及炭化物，形成隔離膜而抑止了燃燒，同時還能防止合成材料受熱后的流滴。由于它自身在燃燒時不會產(chǎn)生火焰、CO及煙，而且在添加后還可以提高制品的機(jī)械強(qiáng)

11、度并改善其加工性能。因此，這類阻燃劑極具開發(fā)前景。四、電纜料材料種類(1)塑料絕緣電纜a、聚氯乙烯絕緣電纜:工藝性能好，易于加工，化學(xué)穩(wěn)定性高(耐油酸、耐堿及耐腐蝕)，非延燃性，生產(chǎn)效率高，價格低廉，敷設(shè)維護(hù)簡單。；壓電纜方面已有取代油浸漬紙絕緣電纜的趨勢。b、聚乙烯絕緣電纜:有良好的介電性能，介質(zhì)損耗角正切值小，絕緣電阻高;工藝性能好，易于加工，耐濕性好，比重小。但該類電纜抗電暈及耐熱性能差，受熱易變形或開裂，因而用于較高的工作電壓等級時，必須加入特殊添加。c、交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜：電氣性能好，擊穿電場強(qiáng)度高，介質(zhì)損耗角正切，絕緣電阻高;有較高的耐熱性和耐老化性能，允許工作溫度高，載流量大，于

12、高落差與垂直敷設(shè)，是一種很有發(fā)展前途的高壓電纜。(2)橡膠絕緣電纜橡膠絕緣電纜的種類很多，絕緣材料主要是天然橡膠加不同的添加劑組成的各種橡膠，都具有良好的柔軟性，易彎曲，在很大的范圍內(nèi)具有彈性，有較好的電氣性能和化學(xué)穩(wěn)定性;但耐電暈、耐臭氧、耐油性較差，一般適用于IkV及以下電壓等級的線路。但人工合成的乙丙橡膠可用于35kV及以下電壓等級的電纜。五、聚氯乙烯絕緣電纜聚氯乙烯塑料是電線電纜工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的材料之一。聚氯乙烯塑料廣泛用作各種類型電線電纜的絕緣和護(hù)層材料。聚氯乙烯塑料是以聚氯乙烯樹脂為基礎(chǔ)的多組份混合材料。根據(jù)各種電線電纜的使用要求，在其中配加以各種類型的穩(wěn)定劑、增塑劑，潤滑劑、填

13、充劑，著色劑和特殊用途添加劑等物質(zhì)。這些配合劑對聚氯乙烯塑料的性能都有很大的影響。PVC樹脂是一種由氯乙烯單體聚合而成的無定形熱塑性均聚物，含氯量高達(dá)5256%，分子量大約為5萬一50萬，含結(jié)晶度5%一10%的微晶體(熔點(diǎn)175)。圖1.1給出了PVC的化學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2 聚氯乙烯化學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖PVC是一種強(qiáng)極性聚合物，分子間作用力很大，需加熱至一定溫度方能顯示塑性。PVC的熱不穩(wěn)定性導(dǎo)致PVC的加工溫度較窄，難于控制。因此PVC樹脂在加工過程中需添加大量的增塑劑、熱穩(wěn)定劑、抗氧劑、潤滑劑，同時，為了使制品具有某些特殊性能，還需要添加特定的加工助劑。用于電纜生產(chǎn)時則更要加入大量的增塑劑以滿足

14、電纜材料關(guān)于柔軟度和韌性的要求但大量增塑劑的使用導(dǎo)致PVC更加易燃;此外，PVC的高氯含量使其熱解或燃燒時除釋放出CO，COZ，芳香烴類等有毒氣體外，會釋放出腐蝕性氣體HCI，因而具有極高的火災(zāi)危險性。PVC材料制備舉例設(shè)計(jì)阻燃型PVC材料包括樹脂、阻燃劑、增塑劑、熱穩(wěn)定劑、抗氧化劑、潤滑劑等，具體配方如下：表1 阻燃型PVC材料配方按上述配方，進(jìn)行加工，加工流程圖如下。圖4 阻燃PVC材料制備流程六、聚乙烯電纜材料聚乙烯塑料是電線電纜絕緣和護(hù)套材料的優(yōu)選材料。聚乙烯按生產(chǎn)方法可分為高壓法聚乙烯(低密度聚乙烯)、低壓法聚乙烯(高密度聚乙烯)和中壓法聚乙烯(中密度聚乙烯)。出于合成方法和反應(yīng)機(jī)理

15、的不問，所得聚乙烯的性能也有所不同。聚乙烯大分子的化學(xué)組成為CH2一CH2n，實(shí)際上為分子量很大的烷烴系化合物CnH2n+n，所以它是由次甲基結(jié)構(gòu)單元所構(gòu)成的長鏈。從應(yīng)用角度看，選用聚乙烯樹脂的關(guān)鍵在于它的半結(jié)晶形態(tài)，這是由分子參數(shù)和加工條件控制的，決定制品的性能。所謂的分子參數(shù)是分子量、分子量分布、支化特征等，加工條件是熔融指數(shù)、均化、剪切、后處理等。在滿足最終用途的條件下，與其他聚合物和非聚合物材料相比，聚乙烯樹脂以其欠佳優(yōu)質(zhì)而具有強(qiáng)勁的競爭力，己發(fā)展生產(chǎn)量大，用途廣的一類重要的通用樹脂。在橋梁護(hù)套方面，橋梁纜索護(hù)套主要起到保護(hù)纜索的作用以防止纜索腐蝕，目前國內(nèi)外常采用熱擠聚乙烯護(hù)套，聚乙

16、烯護(hù)套具有加工性能，耐環(huán)境應(yīng)力開裂性能好等優(yōu)點(diǎn)。電纜工業(yè)大都采用0.9170.930范圍的低密度聚乙烯，但為提高基礎(chǔ)強(qiáng)度也采用高密度聚乙烯密度聚乙烯。另外，密度在0.95左右的聚乙骯耐環(huán)境應(yīng)力龜裂性優(yōu)曲故高密度聚乙烯可用作海底電纜護(hù)層。電纜工業(yè)所用聚乙烯的熔融指數(shù)，一般應(yīng)介于0.1一0.2之間。由于熔融指數(shù)在0.3以下的聚乙烯，耐環(huán)境應(yīng)力龜裂性能優(yōu)良，抗拉強(qiáng)度高，故電纜護(hù)套宜采用熔融指數(shù)0.3以下的聚乙烯。另外，在高速加工、細(xì)線絕緣方面也越來越傾向采用熔融指數(shù)0.3。以下的聚乙烯。用于制造交聯(lián)聚乙烯的，可采用熔融指數(shù)為2.0的低密度聚乙烯。電纜工業(yè)用聚乙烯的分子量，一般要在中等到寬的范圍，如果

17、采用高速擠出工乙，聚乙烯的分子量分布應(yīng)較寬。聚乙烯分子中，分子結(jié)構(gòu)對稱，不含有極性基團(tuán)，因此具有極其優(yōu)良的電絕緣性能。將聚乙烯加工成聚乙烯電纜或其他絕緣制品時，為了充分發(fā)揮共優(yōu)點(diǎn)抑制其缺點(diǎn)，除聚乙烯樹脂本身外，還需加入多種配合劑，其中包括少量防老劑、阻燃劑、樹枝抑制劑等。加入防老劑主要是防止聚乙烯的熱氧老化和光老化。聚乙烯容易燃燒是一個嚴(yán)重的缺點(diǎn)。當(dāng)聚乙烯電纜用于建筑物內(nèi)部或其它需要耐燃情況下就需加入阻燃劑。過去常用氯化石蠟(含氯量70)和氯化銻并用的辦法，但是，這兩種材料會隨時間而逐漸析出。雖然當(dāng)初能阻燃，但是保存和使用時效果逐漸降低，并且電氣性能、抗張強(qiáng)度和低溫柔軟性等要下降。為了改進(jìn)這一

18、缺點(diǎn)，目前多使用全氛型基環(huán)癸烷、有機(jī)溴化物、氯化聚乙烯等。在聚乙烯樹脂中加入各種配合劉后可制成符合電纜使用要求的聚乙烯塑風(fēng)最基本的品種有：1一般絕緣用聚乙烯一般絕緣用聚乙烯僅由聚乙烯樹脂和抗氧劑(用量為o1一o5份)所組成。聚乙烯的熔融指數(shù)通常在30以T，若用于高速加工，薄層絕緣時常采用o3以下的。聚乙烯的密度一般用09170930Bcm3。2耐候聚乙烯耐候聚乙烯由聚乙烯樹脂、抗氧劑和發(fā)黑所組成。耐候性能的好壞取決于炭黑的粒徑，含量和分散度。3耐環(huán)境應(yīng)力開裂聚乙烯當(dāng)采用熔融指數(shù)為2o的聚乙烯作電纜護(hù)套時，在電纜彎曲半徑較小、并接觸一些諸如洗滌劑、化學(xué)試劑、肥皂水等化學(xué)物質(zhì)，常會使護(hù)套發(fā)生開裂。聚乙烯