新型抗損傷耐低溫軟電纜的研制

劉永堅，高 峰，歷春陽，陳清海，胡新東

(1.衡陽恒飛電纜有限責任公司，湖南 衡陽421008;2.東莞市聯升電線電纜有限公司，廣東 東莞523920)

0 引言

普通電纜在冰凍環境或低溫天氣下，通常變得僵硬，在拖拉、卷撓、彎曲、移動中都有可能出現損壞，特別是在－20℃以下環境中使用時，常會出現脆化、開裂、斷裂現象，嚴重影響其正常使用。

隨著工業生產的發展，有大量的勘測設備、儀器儀表、機械設備所需的裝配電纜在低溫環境下使用，如何確保這些設備在惡劣低溫條件下能正常工作，這對電纜的抗損傷性和耐低溫性是一個考驗。

1 電纜使用環境及現狀

根據客戶提供的信息，電纜裝配的設備和工具用于我國東、西北地區的礦山，冬季氣溫經常處于－25℃以下，甚至達到－40℃左右。現階段大多使用的是按照GB/T 5013.4中YZW(中型橡套軟電纜)進行改良的軟電纜，但通常情況下都存在以下幾個問題:(1)電纜僵硬，拖拉、彎曲比較困難;(2)電纜易脆化，常有開裂或斷裂現象;(3)電纜抗損傷性差，在受夾擠、壓碾時出現破裂;(4)電纜使用壽命短，1～2年內就出現開裂或斷芯。

2 電纜設計

新電纜的設計不僅要滿足－40～90℃動態工作的需要，還要結合資源礦山的使用環境，進行抗人員踩踏，抗工具夾擠，抗機器設備、交通工具壓碾，抗拖拉、刮擦等性能要求的設計。這要求電纜具有良好的低溫性能的同時，還要具有優良的機械性能，特別是抗拉強度、耐磨、耐損傷等性能。此外為了攜帶和使用方便，盡量把電纜設計成外徑小、重量輕、柔軟、易彎曲，具備優異的抗彎曲疲勞性能。

2.1 性能要求

綜合考慮電纜的抗損傷、耐低溫和柔軟等性能要求，選用國際上性能要求相近或相似的線纜標準，作為新型電纜性能設計的參考依據。經信息收集和研究分析，最終選用歐洲標準HD 22.10作為性能設計基礎，并針對性地進行性能提高。以額定電壓300/500V 3G 0.75 mm2軟電纜為例，電纜的主要性能要求見表1。

新設計的抗損傷耐低溫軟電纜，絕緣材料在EN 50363中EI6型材料性能基礎上增加了低溫要求，與YZW電線常用的EI4型材料在老化、熱延伸和低溫性能方面存在較大差異。外被材料以EN 50363中TMPU(聚氨酯彈性體)性能為基礎，除了低溫彎曲外，還包括耐油、浸水、抗破裂、抗皂化等性能。成品電纜在歐洲H05BQ-F(乙丙絕緣聚氨酯護套軟電纜)電纜基礎上，增加阻燃要求，同時還參考UL 62第18版中的抗損傷性能評定，增加耐磨、夾擠、壓碾性能，這是為電纜的苛刻工作環境而特別設計的。

表1 抗損傷耐低溫軟電纜3G 0.75 mm2主要性能

2.2 材料選擇

材料的合理選用是電纜成功開發的關鍵，耐低溫軟電纜通常選用耐寒軟質PVC(聚氯乙烯)、耐低溫TPE(熱塑彈性體)和耐寒熱固性橡膠等材料。

現階段同類型低溫電纜，絕緣多數選用蒸氣硫化三元乙丙橡膠(EPDM)，護套選用蒸氣硫化氯丁混合橡膠。

從現階段電纜使用情況來分析，絕緣材料出現異常的情況較少，絕大部分問題都出在電纜外護套。這使外護套材料的選用成了關鍵。通常對低溫材料的評定，是通過評定材料在低溫下的機械性能，借助于材料的玻璃化溫度。電線電纜常用材料玻璃化溫度較低的有:天然橡膠－70℃，氯丁橡膠－50℃，低密度聚乙烯(LDPE)－70℃，順丁橡膠－105℃和硅橡膠－115℃。順丁橡膠有抗張強度和抗撕裂性缺陷，天然橡膠有嚴重自催龜裂問題，硅橡膠有回彈性、耐磨性、耐溶劑性等方面的不足，這幾類都不宜選用。雖然氯丁橡膠經硫化后，具有耐磨、耐油、耐腐蝕、耐低溫等性能，但有很多信息反映，用氯丁橡膠做同類型低溫軟電纜，雖然經過材料和結構多方面改善，但在性能和使用方面還存在不足，主要表現在電纜的抗破裂、抗損傷性及可靠性方面，還不能完全滿足正常使用的需要。

TMPU是一種新型的熱塑性高分子材料，由硬、軟二相段交替共聚而成，由軟段提供良好拉伸性能和較低玻璃化溫度，由硬段提供較高熔點和力學性能，可方便配置出強度和硬度合適的材料。TMPU現有聚醚型和聚酯型二類多元醇，聚醚型在低溫性、耐潮濕、耐菌性和抗水解性方面優勢明顯;聚酯型在機械強度、耐化學性和耐熱性方面更為突出。從抗損傷耐低溫電纜的使用環境和條件方面考慮，選用聚醚型作為電纜的外護層更有利于問題的解決。

聚醚型聚氨酯不僅具有優異的柔軟性和耐環境性(濕度、臭氧、微生物)，而且具有極佳的低溫柔韌性、高強度、高彈性、耐磨性和抗撕裂性，其抗張強度能達到40 N/mm2，斷裂伸長率能達到600%。這與氯丁橡膠相比，無論在玻璃化溫度、低溫柔韌性，還是在機械強度、抗外力損傷方面都遠優于氯丁橡膠，這正好符合抗損傷和耐低溫電纜的需要，彌補氯丁橡膠所存在的不足，雖在阻燃和黃變方面存在欠缺，但合理的選擇與設計并不影響電纜的正常使用。

2.3 結構設計

電纜結構的設計，不僅關系到電纜的制造成本、加工工藝、生產難易程度，還關系到整個電纜的性能設計能否實現。

為提高導體耐腐蝕、抗氧化及電纜的柔軟性，導體選用HD383第6類鍍錫銅絲，以20倍節距比進行絞合，并在銅絲絞合中間添加3000D Kevlar。為進一步提高電纜的抗沖擊性，在纜芯與外護套之間增加一層抗沖擊隔離層，隔離層選用低溫性、沖擊性和疲勞性勻較好的線性低密度聚乙烯(LLDPE)，LLDPE作為隔離層不僅能提高抗沖擊能力，而且還具有較好的潤滑性，在一定程度上能提高電纜的耐交變彎曲性能。

2.4 電纜結構

綜合上述選擇與設計，并結合歐洲標準HD 22.10，設計出新型抗損傷耐低溫軟電纜3G 0.75 mm2，電纜結構見圖1及表2。

圖1 3G 0.75 mm2軟電纜截面示意圖

表2 抗損傷耐低溫軟電纜3G 0.75 mm2結構表

導體選用江西銅業產無氧電工銅，加強繩用Dupont產3000D Kevlar，絕緣用DOW EPDM 4640，隔離層用DOW LLDPE 6059，外被用Lubrizol阻燃聚醚型TMPU 58887。

3 工藝特點與注意事項

從電纜結構和性能要求中不難看出，新設計的抗損傷耐低溫軟電纜，在導體生產技術方面問題不是很大，在絕緣性能方面需要就老化、熱延伸和低溫等性能進行相應的配方調整，這對于經驗豐富的配方工程師來說難度也不是很大，這里就不作介紹，重點介紹外被材料聚醚型聚氨酯的制造工藝與注意事項。

聚醚型聚氨酯是新型的熱塑性高分子材料，在空氣中極易吸濕，吸濕后的聚氨酯會在電纜表面顯現泡沫和水紋，不僅影響到加工性，而且會降低電纜的機械性能，在加工前必須進行充分干燥，推薦加工前進行90℃、3～4 h干燥處理。

聚氨酯彈性體推薦使用壓縮比2.5、長徑比25∶1、 90及以下配有大動力電機的擠塑機進行生產，在擠制聚氨酯熱塑彈性體時，必須注意以下幾點:(1)在螺桿啟動時，因螺桿內的聚氨酯會在螺桿和螺筒之間產生很大的剪切應力和反作用力，極易造成設備損壞，嚴重時會造成螺桿斷裂、鍵槽破裂或機頭開裂，必須在確定已達到設計溫度后才能開機，并且啟動要緩慢;(2)溫度的設定要合適，因聚氨酯融熔溫度相對較窄，而且不同廠家和牌號之間差異性較大，在開機前需事先確定好工藝溫度;(3)擠出速度不宜過快，因融熔的聚氨酯在機筒內呈粘流態，且粘度極大，彈性又高，所產生的剪切力很大，一旦跳閘，重啟會很困難;(4)生產時螺桿轉速不宜過快變速，轉速的過快變化，會產生急劇反作用力，易造成設備損傷或過載停機;(5)生產完要及時排盡螺桿內余料，并清理機臺，否則粘連會使拆卸和清理變得困難。

用Lubrizol阻燃聚醚型TMPU 58887生產時的擠出工藝溫度參數見表3。

表3 擠出工藝溫度參數

4 試驗結果

經過多次試驗，最終制備出符合設計要求的電纜，測試部分性能數據如表4。從表4中可以看出，對電纜的阻燃要求是水平燃燒FT2，不是常用的垂直燃燒VW-1和IEC 60332-1。因TMPU本身不含氯素，且易燃、易滴落，雖經改性后阻燃性有很大提高，但相對于含有氯素的基材來說確有不及。不過結合電纜的使用環境，只要燃燒符合試驗FT2則不影響電纜的正常使用。另值得一提的是，測試表中還提到了抗皂化性，這是針對聚氨酯在堿催化作用下耐水解能力進行的考慮。

表4 抗損傷耐低溫軟電纜部分性能測試數據

5 結束語

制備的電纜樣品裝配在電動工具上，在滿洲里的礦山工地進行了兩年實地試用。當地冬季氣溫在－40～－15℃，電纜在此工作環境中移動、彎曲，未出現脆化、開裂、破裂、斷芯現象，不遜于歐洲進口的同類型電纜。

聚醚型聚氨酯彈性體在特種電纜的成功應用，有利于推動聚氨酯彈性體在電線電纜上的發展，可為電線電纜特殊性能的解決提供更多的解決方案。

［1］徐應麟.電線電纜手冊 第二冊［M］.北京:機械工業出版社，2001.

［2］VDE 0282-4:2005 Cables of rated voltages up to and including 450/750 V and having crosslinked insulation-Part 4:Cords and flexible cables［S］.

［3］HD 22.10:2007 Cables of rated voltages up to and including 450/750 V and having crosslinked insulation-Part 10:EPR insulated and polyurethane sheathed flexible cables［S］.

［4］UL62，18thEdition flexible cord and cables［S］.

［5］王春江.阻燃、聚醚型聚氨酯熱塑彈性體在野外特種用途通信電纜中的應用［J］.電線電纜，2007(5):1-5.

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