熱縮型電纜相色管老化的紅外特性研究

秦 濤，高靜麗，韓穎慧,3，楊 雪,4，張曉宏，冀 茂，紀欣欣，李凱特，鄭 鑫，王昕鵬

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熱縮型電纜相色管老化的紅外特性研究

秦 濤1,2，高靜麗2，韓穎慧2,3，楊 雪2,4，張曉宏2，冀 茂2，紀欣欣2，李凱特2，鄭 鑫2，王昕鵬2

（1.國網天津市電力公司經濟技術研究院，天津 300171；2.華北電力大學 河北 保定 071003；3.浙江大學能源清潔利用國家重點實驗室，浙江 杭州 310027；4.大唐桂冠山東電力投資有限公司，山東 煙臺 264000）

利用紅外光譜分析法對影響工業相色管褪色的主要因素進行了探究。研究發現，高溫低濕的環境對相色管褪色老化影響最大；紫外光的照射會導致相色管固化程度提高從而出現明顯的老化現象；過酸過堿的環境也會對相色管內部分子結構造成一定影響。本文結論從相色管基團變化的角度揭示了相色管老化的成因，為日后進一步研究相色管抗老化防褪色機制提供了可行方向。

相色管褪色；相色管老化；相色管分子結構；紅外光譜；固化度

0 引言

相色管作為電纜線芯相位標志的管形收縮部分，主要用于線路分支、交叉處的相色區分，以便于巡視人員識別、檢查電纜線路，防止誤接等現象發生。電纜相色管主要以黃、綠、紅3種顏色為主，用于區別三相交流電的相序。在實際電力電纜應用中，大部分相色管運行一年左右就會出現褪色與老化問題，分不清三相，為檢修帶來不便。近年來，雖然一些企業推出的新型相色管產品在使用壽命上有所延長，但是在氣候惡劣或者日照輻射較強的地區，一旦使用時間過長，仍然會出現嚴重的褪色和老化問題，為電力系統的安全運行帶來極大隱患[1]。相色管老化主要是由于其受到酸堿腐蝕、紫外線照射或極端溫度影響而引起內部分子結構變化[2]，可能產生了一些新的基團的生成或原化學鍵的斷裂，外在表現為褪色或開裂等老化跡象[3]。紅外光譜法可以通過不同的峰（又稱譜帶）對應于分子中某個或某些基團的吸收提供了基團的信息[4]。基團（化學鍵）的特征吸收頻率是紅外光譜的最重要判據，是定性鑒別和結構分析的依據[5]。譜帶強度是可用作定量計算或指示某個官能團的存在[6]。紅外光譜法具有測定快速、適用性強、綠色環保等優點，并且可以同時測量物體的多種理化性質，因此常常用來鑒定和表征高分子[7-8]。但據我們所知，目前尚沒有利用紅外法對相色管老化問題進行研究的相關報道。本文將借助紅外技術，系統研究和分析影響相色管褪色老化的主要因素。本文結論旨在為研制出防褪色抗老化的工業用相色管提供理論依據和借鑒。

1 實驗

1.1 實驗藥品與儀器

相色管（天津市供電局提供），NaOH（分析純48.8%，天津威一），HCl（分析純，38.9%，天津威一），其他藥品均來自于華新化學試劑有限公司；傅里葉變換紅外分析儀（美國賽默飛世爾，Nicolet Is5型），恒溫烘箱（上海南榮DZX60208），電子恒溫水浴鍋（中興DZKW型）；立式實驗室冰箱（中科美菱DW-FL450），紫外線燈管（CREATOR UVC30W），加濕器（上海濕騰ST-03Z）。

1.2 實驗方法及步驟

利用自制老化箱進行加速老化實驗，分別考察了溫度、濕度、紫外線輻射和酸堿度等因素對相色管老化的影響。利用紅外光譜法對老化前后的相色管進行對比分析。

1.2.1 溫度影響實驗

首先將相色管分為10mm×10mm相同的3份，進行編號；然后依次放入對應的對流恒溫烘箱中，分別在0℃、30℃、60℃下進行20h實驗，并增加一組溫度為60℃、老化時間為40h的實驗，以得到更準確的結論；最后記錄實驗結果，并用紅外光譜儀測定相色管的內部結構，進行分析。

1.2.2 濕度影響實驗

將相色管裁成10mm×10mm的5等份試樣，并進行編號；接著，將試樣分別置于30℃、10%RH，30℃、10%RH，60℃、90%RH，60℃、90%RH四種不同溫濕的環境中進行試驗，留一份試樣做空白對照，40h后取出試樣；最后，用紅外光譜儀測定每份試樣的分子內部結構，分析濕度對相色管結構的影響，并繪制紅外光譜圖。

1.2.3 紫外線影響實驗

將相色管分為10mm×10mm二等份，并進行編號；然后，在其他條件相同的條件下，1號放入自制紫外燈老化箱，2號作為對照試驗，使用日光燈照射，40h后記錄實驗結果；最后，用紅外光譜儀測定每份相色管的分子內部結構，分析紫外線對相色管結構的影響并繪制紅外光譜圖。

1.2.4 酸堿度影響實驗

將相色管分成10mm×10mm的7等份試樣，并進行編號。利用NaOH和HCL配置出pH分別為1、3、5、7、9、11、13的溶液，且將試樣依序置于上述溶液中。在試驗溫度為20℃的條件下浸泡25d。最后，將試樣取出并洗凈表面的酸液和堿液，使用紅外光譜儀測其試驗前后內部分子結構的變化，分析酸堿度對相色管老化的影響并繪制紅外光譜圖。

2 實驗結果與分析

2.1 溫度對相色管分子結構的影響

首先考察了溫度對相色管分子結構的影響，實驗結果如圖1所示。圖1是不同溫度下相色管的紅外光譜圖，溫度在0℃～60℃變化的過程中，相色管的紅外譜線出現了頻移。當溫度由0℃升高至30℃時，紅外譜線沒有較大的頻移，僅在波數大于3000cm－1時有向下頻移的趨勢；當溫度繼續升高到60℃時，紅外譜線呈現向上頻移的趨勢，且隨時間的延長，這種頻移現象越發明顯。由圖可見，溫度為60℃，老化時間為40h的曲線與另外3條曲線相比，變化程度更為明顯。在波數為550cm－1、1000cm－1、2800cm－1等吸收峰處的相對光密度的增大幅度尤為劇烈。這說明，高溫對相色管褪色影響尤為顯著。并且，在相同溫度下，延長熱輻射時間，特征峰表征的更為明顯，C-O/C-C/N=O/C-H等化學鍵變化加劇，相色管內部結構的變化也會更明顯[9]。但總體來看，溫度變化并未使紅外光譜圖出現任何新的特征吸收峰，這說明相色管在熱輻射引起的老化過程中并沒有新的基團產生，但原有官能團本身出現了不同程度的變化。這種現象的產生，是有機化合物的顏料在一定溫度下發生了降解所致。

圖1 不同實驗溫度下相色管紅外譜圖

2.2 濕度對相色管分子結構的影響

實驗考查了濕度對工業相色管的影響，如圖2所示。在高溫和高濕的綜合作用下，整個紅外光譜線產生一定程度的頻移，30℃、90%RH的紅外譜線與30℃、10% RH的紅外譜線相比，在波數500cm－1附近的幅值變化程度較為明顯，振動頻率也較后者劇烈。但60℃、10% RH的紅外光譜線與60℃、10% RH的紅外光譜線幾乎重合，并沒有出現實驗預期的頻移現象。因此濕度變化導致相色管因水解斷裂造成的分子鏈變短在紅外光譜中沒有明顯的表征出來。但從圖2中仍然可以看出，3445cm－1處O-H特征吸收峰非常尖銳，且振動頻率升高，這說明濕度仍然對相色管的老化起了很大作用，加速了分子鏈的水解反應，促使羥基的含量增加。并且隨著濕度的提高，波數為2350cm－1的特征峰消失，說明部分雙鍵或三鍵因水解而打開了，使得峰值降低。對比而言，高溫低濕特征峰最明顯，紅外光譜線在1000cm－1，2800cm－1等各個特征峰值處的波動更為明顯，振動頻率也更為劇烈。原因是高溫會加速有機化合物顏料的分解，高溫低濕的環境下，分子鏈水解反應后羥基的含量增加，由此導致相色管褪色現象嚴重。可甄選一種與羥基反應但反應強度不太劇烈的添加劑來預防褪色現象[10]。

圖2 不同濕度對相色管影響紅外譜圖

2.3 紫外線對相色管分子結構的影響

圖3是不同紫外光照下相色管的紅外光譜圖，可以看出，兩條紅外光譜線總體上差異不大，600cm－1處紫外光的紅外譜線與日光燈的紅外譜線相比，有向下頻移的趨勢，隨著波長的增大，這種趨勢逐漸減小，在1700cm－1處波峰消失，到1800cm－1左右呈現反超的趨勢，但譜帶的位置沒有明顯的變化。1700cm－1處波峰消失，是因為照射過程中相色管中有醛類物質轉化為其他物質[11]，并且波數在1700cm－1～1900cm－1附近時，紫外線的紅外光譜線較日光燈下的紅外光譜線有向上頻移的現象，也印證了這一論據。紫外光老化前后試樣的紅外光譜圖譜帶位置并無變化，這是因為紫外光導致高分子材料固化所致。各個特征吸收峰相比未照射的強度明顯變弱，這是光照致使相色管褪色的重要因素。要使得相色管具有防褪色性能，可以通過添加改性劑盡可能減少因吸收紫外光而產生的光反應[12]。

圖3 紫外線對相色管分子結構影響的紅外光譜圖

2.4 酸堿度對相色管分子結構的影響

圖4是不同實驗pH下相色管紅外光譜圖。在全pH范圍內紅外光譜圖的吸收峰個數未變，說明沒有新的基團出現，也沒有基團消失，但吸光度發生了改變，說明各個基團的量發生了改變。在pH＝1和pH＝13時，每個吸收峰的吸光度對比于中性條件下變化都比較明顯，說明過酸和過堿都會對相色管中的特征基團數量有明顯影響。但在實際工作環境下，出現過酸過堿的可能性極小[13]。

圖4 不同pH下相色管分子結構影響的紅外光譜圖

2.5 相色管紅外特征峰的標定

從以上紅外圖像中可以發現，無論何種條件變化，主要基團的吸收峰是一致的。在500～750cm－1范圍內，相色管在730cm－1附近有一個吸收峰，該峰是有機鹵化物作用的結果[14]。723cm－1的吸收峰是烷基彎曲振動的結果，根據其吸收峰位置可以確定烷基-(CH2)-中大于4，另外在746cm－1處也有明顯的吸收峰，表示也還存在有＝2的烷烴存在。另外在746cm－1處也有明顯的吸收峰，表示也還存在有＝2的烷烴存在；波數在750～1250cm－1范圍內，1000cm－1處的吸收峰是由于相色管中大量S=O2的存在；波數在1100～1300cm－1范圍內，在1200cm－1左右處的吸收峰為-NO2對稱收縮[15]；波數為1750cm－1處的吸收峰為醛的主要特征吸收，即官能團C=O的存在[16]；波數在2750～3000cm－1范圍內有兩個較強的吸收峰，2840cm－1為-CH2-伸縮振動吸收峰，2950cm－1為-CH3伸縮振動吸收峰，其中甲基-CH3的吸收更強一些；在3200cm－1到3500cm－1有寬而弱的吸收帶，是由于N-H或O-H鍵的存在而引起[17]。

3 結論

本研究采用紅外光譜分析法對影響工業相色管褪色的主要因素，如溫度、濕度、光照、酸堿度等進行了進行分析，旨在為揭示工業相色管老化褪色的成因提供基礎數據和借鑒：

1）長時間高溫或電纜過熱對相色管褪色影響比較顯著。

2）高溫低濕的環境中，相色管褪色現象最為明顯，這是由于在高溫低濕的條件下，通過分子鏈水解反應后羥基的含量增加所致。

3）太陽光中的紫外光可導致相色管材料固化程度提高，分子結構發生變化而出現褪色現象。因此，在相色管中加入紫外線吸收劑等光穩定劑，有望提高相色管的耐光性能。

4）過酸過堿會對相色管中的特征基團數量有明顯影響，因而酸雨等外界環境也會對工業電纜相色管產生一定影響。

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Infrared Study on the Aging of the Heat Shrinkable Cable Accessories

QIN Tao1,2，GAO Jingli2，HAN Yinghui2,3，YANG Xue2,4，ZHANG Xiaohong2，JI Mao2，JI Xinxin2，LI Kaite2，ZHENG Xin2，WANG Xinpeng2

(1.,,300171,; 2.,,071003,; 3.,,310027,; 4..,264000,)

Various influential factors in the fading of the power accessory were investigated by the infrared spectroscopy in this study. The most important factor for the fading and aging of the power accessories is a high temperature and low humidity environment. In addition, UV radiation can lead to the increase of the degree of cure of the power accessories, significantly resulting in increasing its aging. Last but not least, strong acid or strong alkali environment will greatly affect the molecular structure of power accessories which could be greatly affected under the strong acid or strong alkali environments. These results not only reveal the reason of the aging of the power accessories, but also provide the feasible paths to the anti-aging and fade-proof of the power accessories.

fading of power accessories，aging of power accessories，molecular structure of power accessories，infrared spectrum，curing degree

X511

A

1001-8891(2016)10-0899-04

2016-03-10；

2016-05-19.

秦濤，（1985-），男，2007年畢業于華北電力大學，現為國網天津市電力公司經濟技術研究院工程師。E-mail：961920719@qq.com。

韓穎慧（1978-），女，博士，副教授，主要研究方向：儲能，煙氣污染物脫除。E-mail：yinghuihan@ncepu.edu.cn。

國家自然科學基金（51308212）；中央高校基礎科研業務費重大項目（2015ZZD13）；浙江大學能源清潔利用國家重點實驗室開放基金。