環境友好型高安全性耐水軟電纜用聚苯醚材料的研究

高 峰

(衡陽恒飛電纜有限責任公司，湖南 衡陽421008)

0 引言

當今世界越來越關注人體健康和環境保護，對產品在安全性和環保等方面都有了更高的要求。耐水電纜長期在潮濕環境下使用，如何開發高安全性環境友好型耐水軟電纜，成了行業新課題。

1 耐水電纜使用現狀

電纜在受到水分侵襲后，其電性能和機械性能都會驟降，特別是戶外或水下裝配用電纜。像戶外電動工具、水下照明、潛水泵等裝配用電纜，經常用于干燥與潮濕交替環境或長期浸入水中，甚至浸入熱水或蒸汽中，其電性能、機械性能會加速下降:在使用過程中，泄漏電流偏大，電器起動困難，嚴重時會導致電擊傷人，這在游泳池和彩燈噴泉事故中有過報道。

當前使用的耐水電纜有縱向阻水和徑向阻水兩種:縱向阻水通常用阻水紗、阻水粉或阻水帶，這些材料含有遇水膨脹物質，阻止水分沿電纜縱向進一步擴散;徑向阻水主要通過熱壓、焊接、冷拔金屬護套來實現，像海底電纜普遍使用鉛套，但此類電纜柔韌性不好，不適合頻繁移動。

軟電纜常選用三元乙丙、聚氯乙烯、聚烯烴、硅膠、氯丁膠、氯磺化聚乙烯、氯化聚乙烯、丁腈聚氯乙烯、熱塑彈性體等材料。含鹵素材料在燃燒時會產生對眼、鼻粘膜、上呼吸道有強烈刺激的氯化氫氣體，特別是會產生對人體健康危害嚴重的二惡英;交聯類材料不可再生利用，廢棄物作無公害化處理非常困難;為滿足某些特定要求，會在材料中添加改性物質，這些有毒有害物質在產品的生產、運輸、使用、報廢過程中，難免會與人體直接或間接接觸或遷移至空氣、土壤和水中，會對人體健康帶來隱蔽和長期的毒害。

2 新型耐水軟電纜的設計要求

新型電纜遵循安全、耐水、阻燃、無鹵、低碳、生物相溶性的設計原則。

2.1 安全性

電纜絕緣材料應符合的基本安全性要求見表1。

表1 絕緣材料基本要求

2.2 環境友好性

電纜的環境友好性很大程度上由材料決定，電纜材料不僅要符合歐盟2011/65/EU(RoHS2.0)、76/769/EEC(PAHs)、2005/84/EC和1907/2006/EC等環境保護和健康法規要求，還要可再生、不含鹵素、不消耗非再生能源，不產生大量炭塵和尾氣。

3 新型耐水軟電纜的設計

新型耐水軟電纜以美國標準UL 62戶外用電源軟線SJEW性能為設計基礎，同時結合歐洲標準HD 22.16及有關耐水要求，設計符合無鹵、阻燃、高安全性、環境友好型的耐水軟電纜。

3.1 結構設計

以UL 62 SJEW 16AWG/3C為例，其結構設計見圖1及表2。

圖1 電纜結構示意圖

表2 電纜結構明細 (單位:mm)

從圖1中可以看出，在導體外繞包一層阻水帶，以阻止水分沿導體空隙進入電纜;在絕緣線芯表面繞包一層半導電阻水帶，在纜芯中間填充半導電阻水繩，可以阻止水分沿電纜結構空隙進入。

3.2 材料選擇

電纜通常由導體材料、輔助材料、絕緣及護套材料三部分組成，絕緣和護套材料是電纜設計的關鍵，選擇是否合適，直接關系到電纜能否符合設計要求。

聚苯醚(PPO)是新型高分子材料，是GE公司Allan S.Hay于1959年最早發明，其化學名為聚2，6—二甲基—1，4—苯醚，此材料20世紀60年代在美國得到了高速發展，因其具有優良的尺寸穩定性和拉伸強度，最先在汽車工業和機械工業中得到應用，多用于元器件、外殼板、內架、管道等。

PPO除了具有優良的尺寸穩定性和拉伸強度外，還具有很多優良性能:(1)耐燃性。氧指數能達到29，有很好的自熄性，加入少量阻燃劑就能達到UL 94 V-0阻燃要求，能避免鹵素、磷類阻燃劑的使用;(2)耐熱性。分子中含有大量芳香環，具有較高的耐熱性，玻璃化溫度高達211℃，熔點達268℃，熱變形可達190℃;(3)吸水性。吸水率在0.07%左右;(4)耐蠕變性和耐磨性優良;(5)耐酸堿性好，基本不受酸堿腐蝕;(6)密度小，是常用塑料或橡膠的70%～80%;(7)生物相容性好，無毒性、無致敏性、無刺激性、無遺傳毒性和無致癌性，對人體組織、血液、免疫系統無不良反應。

PPO除了以上提到的優點外，還有優良的絕緣性和耐水性，這兩個優點目前很少被利用，特別是在潮濕環境、熱水或蒸汽中，其電性能和機械性能優異。但相比電線電纜常用的彈性體材料，存在軟硬度和回彈性等方面的不足，這是線纜技術人員不考慮選用的原因。如何對其進行軟化和回彈改性，一直是技術人員研究的課題。

從PPO材料性能來看，經軟化改性后可成為線纜材料的理想選擇，但還存在一個嚴重缺陷:材料在熔融態時粘度大、流動性差，用電線電纜擠出設備很難連續生產和穩定成型，在成型后會產生內應力，導致應力開裂。隨著對PPO性能的進一步研究，發現用高沖擊聚苯乙烯(HIPS)改性后得到的MPPO，可大大改善軟硬度和加工性能，還可改善應力開裂和沖擊性能，同時對電性能、耐熱性能和阻燃性能的影響都不大。隨著改性技術的不斷突破，PPO用于線纜上的障礙逐步得以清除，表3是某牌號MPPO的主要性能。

改性后的MPPO不僅耐溫、阻燃、耐磨、無鹵、無毒和電性能優良，還能適應線纜行業現有的生產設備和工藝，特別是在生物相容性、耐潮濕、耐熱水、耐水蒸氣等方面的突出優點，正好符合環境友好型安全性耐水軟電纜的要求，新設計的耐水軟電纜絕緣和護套材料均選用MPPO。

表3 MPPO主要性能

3.3 性能設計

依據電纜的使用環境，以額定電壓為300 V，額度溫度為90℃，對電纜進行性能設計，電纜的主要性能要求見表4，耐水性及抗菌性要求見表5。

表4 電纜的主要性能要求

4 樣品試制與測試

按設計方案制作電纜樣品，并對樣品進行型式試驗，部分關鍵性能試驗結果見表6。

從表6可以看出，MPPO具有很好的耐水性，尤其在耐熱水方面表現突出，非常適合于防水電纜，另外在抗細菌和生物相容性方面也表現優異，這是很多醫用器材選用此材料的原因。

表5 電纜耐水性及抗菌性要求

表6 電纜部分關鍵性能試驗結果

5 結束語

本文介紹了耐水電纜的使用現狀和設計要求，重點分析了聚苯醚材料的特點，并利用改性技術開發出環境友好型高安全性耐水軟電纜，顯示出改性聚苯醚用于線纜方面的優勢。隨著現代改性技術的不斷提高，新的改性材料會不斷涌現，這將為電線電纜的發展提供很好的條件。

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