第七章-電纜絕緣材料剖析

1、第七章-電纜絕緣材料剖析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(gè)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(jià)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

2、，為 正確設(shè)計(jì)電線電纜結(jié)構(gòu)，正確選擇材料、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(huì)有某種特短。對于電線電纜所

3、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，可能使其具有千差萬別的性能，有時(shí)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(shí)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(dòng)所表現(xiàn)出來的介電現(xiàn)象和電導(dǎo)現(xiàn)氛?？梢?把高聚物的介電性、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

4、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。D-專址MX 天黙棣膠丁苯槪脫 丙操股JK枝戲 秦乙烯聚務(wù) few耳綻賓依半曳體迪益厲飛宙電材料圖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(huì)因運(yùn)用場合不同而有所差異?，F(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

5、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)耐钩鑫铮?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(shí)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)

6、 套損傷后水份浸入，同時(shí)，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(shí)會(huì)發(fā)生軟化、熔融 ；如果進(jìn)一步受

7、熱，則熔融的聚合 物會(huì)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(shí)，會(huì)和空氣 中的氧氣反應(yīng)，發(fā)生燃燒。燃燒會(huì)釋放出大量熱量，而這些熱量可能會(huì)將進(jìn)一 步地加劇聚合物的熔化和分解，產(chǎn)生更多的可燃?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(huì)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

8、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(shí)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(huì)增加。H* 卜 HX-011* +UX h2a II2O2. 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

9、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(0H)3)和氫氧化鎂(Mg(0H)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。金屬氫氧化物分解時(shí)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(shí)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(shí)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。Al2Oz H2O Mg(OH)7 MgO + H2O

10、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。Table HlPropert i es cf inorganic flane retardants阻燃劑分解溫度脫水時(shí)的吸熱量aj(oid32209C1A 7kJ/gMgtOHh33OX：137 kJ/g3. 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、紅磷等品種，它們主要在凝聚相起阻燃作用，對含氧聚合物

11、 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(shí)能生成玻璃 狀的無機(jī)層。Si-0-Si-C)及炭化物，形成隔離膜而抑止了燃燒，同時(shí)還能防止合 成材料受熱后的流滴。由于它自身在燃燒時(shí)不會(huì)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)度并改善其加工性能。因此，這

12、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(jià)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(shí)，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， 絕緣電阻咼;有較咼的耐熱性和耐老化性能，允許工作溫度咼，載流量大，于咼 落差與垂直敷

13、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

14、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)175C ）。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(shí)， 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(shí) 則更

15、要加入大量的增塑劑以滿足電纜材料關(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(shí)除釋放 出CO，COZ，芳香烴類等有毒氣體外，會(huì)釋放出腐蝕性氣體HCI，因而具有極高的火災(zāi)危險(xiǎn)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材料配方含顯一 m r 1005040.50.3組分 DOTP增塑劑）TBLS （熱穩(wěn)定劑） 潮酚A 抗氧劑） 硬脂酸（潤滑刑 皿怦扛：出就.KWnHMMnHMMHnM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

16、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。| 宀 ch/Z CH1 嚴(yán)，c企 /C氐 礙從應(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

17、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 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

18、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(shí)，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

19、燃燒是一個(gè)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(huì)隨時(shí)間而逐漸析出。雖然當(dāng)初能阻燃，但是保存 和使用時(shí)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0.1 o.5份）所組成。 聚乙烯的熔融指數(shù)通常在3. 0以T,若用于高速加工，薄層絕緣時(shí)常采用 o. 3 以下

20、的。聚乙烯的密度一般用 0. 917 0. 930B/cm3。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2. o的聚乙烯作電纜護(hù)套時(shí)，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(huì)使護(hù)套發(fā)生開裂聚乙烯耐環(huán)境應(yīng)力開裂性能的好訊主要取決于樹脂本身對環(huán)境因素的承耐程 度。4 泡沫聚乙烯泡沫聚乙烯是一種在聚乙烯塑料今存在許多封閉均勻的微孔材料。通信電 纜所用泡沫聚乙烯要求孔細(xì)、數(shù)量多、分布均勺一致、彼此間不連通，并且表 面要光滑平整。由于用途不同，發(fā)泡度有所不同，如同軸電纜使用的泡沫絕緣 或泡沫繩的發(fā)