1.電纜的耐熱性
聚丙烯電纜絕緣層在短期或長(zhǎng)時(shí)間承受高溫或溫度劇變時(shí)能保持基本性能而維持正常使完的能力稱耐熱性。按材科承受高溫作用時(shí)間的長(zhǎng)短分為短時(shí)耐熱性和長(zhǎng)期耐熱性。
短時(shí)耐熱性是指材料在高溫下是否出現(xiàn)軟化、變形、分解等現(xiàn)象,或者材料在熱態(tài)下的性能指標(biāo)的變化,即通常所說的熱變形性。長(zhǎng)期耐熱性是指高分子材料處于一定溫度下,能否獲得預(yù)期壽命。通常用絕緣材料的耐熱等級(jí)、溫度指數(shù)、長(zhǎng)期 高工作溫度來表示。它反映了電纜絕緣材料的熱穩(wěn)定性,常指抵抗熱氧老化性能。
電線電纜用橡膠和塑料的耐熱性,一般是指高溫下的熱變形能力和抗氧化能力。
(1)高溫下材料熱變形能力(熱變形性)
對(duì)于聚丙烯電纜,在軟化點(diǎn)之前聚丙烯電纜絕緣層基本處于玻璃態(tài),其受力產(chǎn)生很小的彈性形變塑性形變,表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度、硬度。隨著溫度升高,大分子及鏈段熱運(yùn)動(dòng)加劇,表現(xiàn)為塑性增大,彈性降低,硬度降低。當(dāng)溫度升至軟化點(diǎn)時(shí),很容易產(chǎn)生塑性變形。并很快轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài)。
1)抗張強(qiáng)度(拉伸強(qiáng)度) 對(duì)于橡膠,在熱的作用下,機(jī)械性能的變化可大體分為三類。一類如天然橡膠、氨丁橡膠、丁苯橡膠,它們?cè)谑覝叵戮休^高的抗張強(qiáng)度。隨溫度升高,抗張強(qiáng)度隨溫度急劇下降。第二大類如丁基橡膠和硅橡膠。它們?cè)谑覝叵驴箯垙?qiáng)度不高,但是溫度對(duì)其影響也不大。第三類是氟橡膠和氯磺化聚乙稀,它們的抗張強(qiáng)度在一定溫度時(shí)急劇下降,但繼續(xù)升溫時(shí)變化不大。而塑料抗張強(qiáng)度一般是隨溫度升高面逐漸降低,直至熔化。改性聚丙烯PI-2001D就是典型的這類材料。
2)伸長(zhǎng)率 隨溫度上升,橡膠的伸長(zhǎng)率逐漸變小。而對(duì)于塑料,其伸長(zhǎng)率一般先有上升再很快下降。改性聚丙烯絕緣料PI-2001D伸長(zhǎng)率溫度曲線如圖。
3)表面硬度 隨著溫度升高,橡膠類彈性材料硬度變化緩慢,但是仍然保持一定數(shù)值。對(duì)于熱塑性材料,特別是結(jié)晶聚合物如聚乙烯聚丙烯,當(dāng)溫度升高到某一數(shù)值時(shí),硬度會(huì)急劇下降,以致*軟化或融化。電線電纜在使用過程中不可避免會(huì)發(fā)生短時(shí)過載和短路的現(xiàn)象,使絕緣層溫度上升很高,為保持使其達(dá)不到軟化溫度,就要限制電纜工作溫度的上限。建議改性聚丙烯絕緣料PI-2001D電纜長(zhǎng)期使用溫度不超過120℃,短期使用溫度不超過150℃。
總結(jié),在電纜中各種橡膠彈性材料抗高溫?fù)p壞的能力優(yōu)于熱塑性材料,而在熱塑性材料中,非結(jié)晶塑料電纜絕緣層又優(yōu)于結(jié)晶塑料電纜絕緣層。
(2)高溫下熱氧化能力(熱穩(wěn)定性)
在熱作用時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),特別是高分子材料不可避免要接觸到氧,在氧和熱的共同作用下,電纜絕緣層的氧化反應(yīng)產(chǎn)生兩種結(jié)果,一是聚合物大分子或網(wǎng)狀大分子斷鏈降解,使電纜絕緣層材料結(jié)構(gòu)變得松散,并降低高分子的分子量,其結(jié)果導(dǎo)致電纜絕緣層材料軟化,發(fā)黏和產(chǎn)生低分子揮發(fā)物。二是被氧化的鏈段連接起來,聯(lián)成一個(gè)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),使結(jié)構(gòu)結(jié)實(shí),分子量增大,結(jié)果導(dǎo)致聚丙烯電纜絕緣層材料硬脆開裂。
根據(jù)聚合物分子的結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵、基團(tuán)的熱穩(wěn)定順序,一般認(rèn)為:
1) 飽和聚合物的耐熱氧化性較不飽和的二烯烴聚合物要好。如乙丙橡膠熱穩(wěn)定性比丁苯橡膠要好,雙鍵數(shù)目越多熱穩(wěn)定性越差,如丁笨橡膠比天然橡膠熱穩(wěn)定性好。
2)線性聚合物比支鏈聚合物有更高的耐氧化能力。如高密度聚乙烯比低密度聚乙烯含有較少的支化結(jié)構(gòu),因此,熱穩(wěn)定性更高。高等規(guī)度的聚丙烯熱穩(wěn)定性比高密度聚乙烯好。
3) 體型高分子耐熱性比線性、支鏈聚合物高。如交聯(lián)聚乙烯熱穩(wěn)定性優(yōu)于聚乙烯。
4)結(jié)晶聚合物在熔點(diǎn)以下比非結(jié)晶聚合物耐熱氧老化。
5)取代基的存在,能改變高分子的熱穩(wěn)定性,例如聚氯乙烯樹脂在降解的過程中,熱的作用有一個(gè)感應(yīng)期,分子氧在降解過程中的某一點(diǎn)之前,并不起明顯作用。含氟的聚合物中,聚四氟乙烯是穩(wěn)定性好的,這是由于C-F鍵的穩(wěn)定性大于其他任何C-C、C-H、C-CI鍵。
6)硅橡膠熱穩(wěn)定性好是因其主鏈?zhǔn)荢i-0,Si-0鍵能大,穩(wěn)定性高。
2.電纜的耐寒性
當(dāng)絕緣材料冷卻至低溫時(shí),因分子被凍結(jié)而產(chǎn)生較大的收縮,使內(nèi)部變形,不產(chǎn)生松弛,伸長(zhǎng)率降低。當(dāng)電纜彎曲時(shí),將因變形增大而會(huì)導(dǎo)致機(jī)械開裂,給電纜絕緣造成大的缺陷。特別是潛油泵東北地區(qū)冬季戶外施工,有時(shí)溫度在零下30℃,對(duì)材料的耐寒要求更高。另外,絕緣材料比金屬材料的收縮大,因此它與電纜中的導(dǎo)體相配合是很重要的。
耐寒性是指高分子材料在低溫下仍能保持電線電纜較好的物理力學(xué)性能,以滿足使用要求的能力。當(dāng)材料冷至低溫時(shí),其變形能力逐漸消失,變?yōu)橛泊?,直至達(dá)到脆化溫度,材料即使受到很小的變形也會(huì)斷裂,所以脆化溫度可以作為材料耐寒性的指標(biāo)。這方面,改性聚丙烯絕緣料PI-2001D因?yàn)樵黾恿司垡蚁┑墓簿鄱?,良好的解決了電纜耐寒性的問題。
對(duì)無定形態(tài)高聚物來講,從高彈態(tài)過渡到玻璃態(tài)的臨界溫度范圍越寬越好,因此耐寒性的問題,就是影響電纜絕緣層的問題。一般來講該范圍主要取決于大分子鏈段的活動(dòng)性,凡是分子間力小,分子鏈柔性大的高聚物它的脆化溫度就越低。一般來講聚乙烯的脆化溫度很低,引進(jìn)極性基后,增加分子間作用力,脆化溫度提高;非極性的無規(guī)側(cè)基由于阻礙了鏈段的活動(dòng),也會(huì)提高脆化溫度。但是為了滿足各種要求,有時(shí),不得不引入這些基團(tuán)。一般脆化溫度較低的電纜絕緣層,如聚乙烯、順丁橡膠、硅橡膠耐寒性都比較好。
總之,聚丙烯電纜既要考慮耐熱性,也要考慮耐寒性。耐寒性主要是施工期考慮的指標(biāo),耐熱性是工作時(shí)的指標(biāo),兩者需要兼顧。
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