拉伸速率對聚氯乙烯絕緣材料機械性能的影響

周懷遠

(安徽聯嘉祥特種電纜有限公司,蕪湖 241200)

0 引 言

拉伸性能作為材料力學性能測試中最重要的性能之一[1],電線電纜的絕緣拉伸機械性能檢測對于電線電纜產品的質量管控同樣至關重要。電線電纜機械性能檢測依據GB/T 2951.11—2008《電纜和光纜絕緣和護套材料通用試驗方法 第11 部分:通用試驗方法 厚度和外形尺寸測量 機械性能試驗》所示方法進行。從試驗要求上看,可選擇的夾頭移動速率范圍較寬。因此,不同的檢測人員可能根據自己的習慣選擇不同的移動速率,導致檢測結果偏差較大,尤其是產品的檢測真實值處于臨界點時,會對產品的質量造成誤判。本工作主要討論并分析試件在不同夾頭移動拉伸速率下的機械性能變化的現象及影響因素,為廣大工作者提供參考。

1 試驗部分

1.1 試樣制備

按照GB/T 2951.11—2008 標準9.1.3(b)中方法,在型號為60227 IEC 01(BV) 1×2.5 mm2的成品電纜上截取本試驗所采用的試樣,成品電纜結構示意圖見圖1。

圖1 成品電纜結構示意圖

將試樣存放在溫度范圍為21～25 ℃、相對濕度不大于70% 的環境條件下,保持16 h 以上,并保證樣品與周圍環境溫度一致。將所得試樣分為7 組,每組包含10 個樣品,每個樣品長度為10 cm,精確測量每個樣品的平均厚度與外徑后,按標準要求做好標記,標記長度為20 mm。

1.2 試驗設備及方法

本試驗采用型號為ETM103B 的微機控制電子萬能試驗機,按照GB/T 2951.11—2008 中要求(夾頭移動速率為200～300 mm·min-1,如有疑問時,夾頭移動速率為20～30 mm·min-1)[2],采取分拉法對每組試樣分別按照25,200,220,240,260,280,300 mm·min-1的速率進行拉伸試驗,檢測不同拉伸速率下的斷裂伸長率與抗張強度。其中,拉伸試驗測試時的環境溫度為22.6～23.0 ℃,相對濕度為62%。

1.3 測試要點

在試驗過程中需要注意:①測試設備在操作前需要將各項參數清零;②為保證試驗數據的準確性,樣品標識不應僅有試驗拉伸區間標識,也應具有夾頭所夾位置的標識,以確保夾頭之間的距離為85 mm,避免試樣兩端所夾長度不一致;③試樣在安裝時,應先夾緊一端以保證垂直性,再夾緊另一端,使得試樣長軸線與試驗機的軸線成一條直線;④試樣上端夾持后,安裝引伸計,再夾持試樣下端,引伸計無慣性滯后、無竄動,松緊適宜,安裝試樣時產生的預應力不得清零[3];⑤拉伸試驗過程中,試驗機應一直處于勻速、平穩的工作狀態,避免拉伸時的速率突然過快或過慢,以減少測力傳感器在拉伸測試過程中對測量結果產生的影響[4]。

2 試驗結果與分析

2.1 拉伸速率對抗張強度的影響

試驗得到的抗張強度曲線見圖2,當拉伸速率為25,200,220,240,260,280,300 mm·min-1時,試件抗張強度的中間值分別為15.8,15.9,15.9,16.0,15.8,15.9,15.8 N·mm-2。

圖2 抗張強度曲線圖

由圖2 可知,隨著拉伸速率的提升,抗張強度的中間值并不會隨著拉伸速率提升而顯著變化,抗張強度的中間值會在某一范圍內波動,浮動范圍為2%～4%,數據趨勢線較為平穩,數據偏差較小。因此,選擇不同的拉伸速率并不會影響試件抗張強度的最終結果。

2.2 拉伸速率對斷裂伸長率的影響

試驗得到的斷裂伸長率曲線見圖3,當拉伸速率為25,200,220,240,260,280,300 mm·min-1時,試件斷裂伸長率的中間值分別為220%,225%,233%,243%,250%,255%,260%。

圖3 斷裂伸長率曲線圖

由圖3 可知,隨著拉伸速率的提升,斷裂伸長率的中間值會隨著拉伸速率提升而顯著升高,期間的浮動變化達到15%,數據呈顯著上升趨勢。因此,選擇不同的拉伸速率對斷裂伸長率的影響較大,特別是當樣品檢測數據位于臨界點時,能夠直接影響對結論的判斷。由此可知,選擇適當的拉伸速率是檢測中的重要一環。

3 結束語

本工作通過對聚氯乙烯絕緣材料進行拉伸試驗,分析了拉伸速率對其性能的影響,得到以下結論。

1)拉伸速率對試件拉伸時抗張強度的影響不明顯,主要原因有:①快速拉伸時,分子沒有充分的時間重新排列和分散應力,無法形成更完美的分子鏈結構;②分子排列和應力分散時間較短,因而會形成較多的缺陷以及不規則的分子結構;③快速的拉伸測試中,聚氯乙烯材料的分子鏈會斷裂或滑動,導致材料的抗拉性能降低。但是,電線在生產過程中,受外界因素影響較多,如生產速率、冷卻速率、擠出壓力、牽引速率等,導致試件在不同位置的外徑、厚度和內應力等均會產生不同的變化。因此,在不同的拉伸速率下,抗張強度會呈現無規律的變化。

2)拉伸速率對試件的斷裂伸長率影響較大,主要原因有:①拉伸速率越快,聚氯乙烯材料的變形速率加快,而材料的內部結構無法及時適應變化,從而會產生更多的塑性應變;②材料的變形熱量增加,而材料的內部結構又無法及時釋放熱量,導致材料在斷裂前更加柔韌;③快速拉伸會使聚氯乙烯材料含有更多的缺陷和空隙,這些空隙可以在斷裂時擴張,從而進一步增加斷裂伸長率。因此,在實際檢測過程中,為保證檢測數據的可靠性,建議選擇200 mm·min-1的拉伸速率。

3)對樣品進行檢測時,應在檢測報告中注明拉伸速率,若要保證抗張強度和斷裂伸長率檢測結果的一致性,應選擇能使檢測結果無顯著性差異的拉伸速率進行檢測。拉伸試驗過程中應避免取樣、樣品制備、試樣處理、試驗環境、測試設備和人員操作等因素的影響[5]。