電纜制造工藝對(duì)硅烷交聯(lián)聚乙烯熱延伸的影響

陳文博， 張 勇， 林 磊， 張 新

(江蘇亨通電力電纜有限公司，江蘇吳江215234)

0 引言

交聯(lián)聚乙烯(XLPE)因具有優(yōu)良的物理機(jī)械性能、電性能及方便可靠的加工性能已被眾多的電纜廠商所青睞。

眾所周知，聚乙烯(PE)具有優(yōu)良的物理和化學(xué)性能，且易于加工。但它熔點(diǎn)較低，耐熱變形性差，制品的機(jī)械強(qiáng)度欠佳，為了提高PE的使用性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了不同的改性方法，交聯(lián)是其中的一種。

目前，交聯(lián)的方法主要有硅烷交聯(lián)、過(guò)氧化物交聯(lián)及輻照交聯(lián)。過(guò)氧化物交聯(lián)主要用于中高壓電纜的生產(chǎn)，輻照交聯(lián)主要用于絕緣較薄的細(xì)線生產(chǎn)，而硅烷交聯(lián)主要用于低壓電纜的生產(chǎn)。

硅烷XLPE在擠出過(guò)程中會(huì)有很多因素制約其成品性能，特別是反映交聯(lián)程度的熱延伸這一指標(biāo)，經(jīng)常出現(xiàn)不合格甚至樣品剛剛放進(jìn)老化箱就被拉斷的情況。因此就需了解其交聯(lián)機(jī)理，嚴(yán)格中間過(guò)程控制以保證最終成品的性能。

1 硅烷交聯(lián)的工藝原理

硅烷交聯(lián)也稱溫水交聯(lián)，1960年由英國(guó)道康寧公司開發(fā)，也稱為Sioplas E法。硅烷交聯(lián)工藝可分為一步法和二步法，目前使用較廣的是二步法和固相一步法硅烷交聯(lián)工藝。

硅烷交聯(lián)可分為兩個(gè)過(guò)程，第一個(gè)過(guò)程是利用DCP分解成游離基并作引發(fā)劑把不飽和硅烷分子和聚乙烯分子接枝，產(chǎn)生活性硅烷基形成了俗稱的A料;第二個(gè)過(guò)程是將A料與俗稱為B料的催化劑在一定的溫度下進(jìn)行水解反應(yīng)，形成網(wǎng)狀XLPE分子結(jié)構(gòu)。

2 影響熱延伸指標(biāo)的因素

硅烷XLPE的熱延伸指標(biāo)是反映交聯(lián)度的一個(gè)重要參考值，往往也是人們最為關(guān)注的，影響熱延伸的幾個(gè)主要因素為:

(1)基礎(chǔ)樹脂的影響。不同的樹脂往往由于大分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異，對(duì)其交聯(lián)程度會(huì)有很大影響，一般多用熔體指數(shù)(MI)為2的低密度聚乙烯(LDPE)樹脂。

(2)引發(fā)劑用量的影響。常用的引發(fā)劑過(guò)氧化二異丙苯(DCP)的用量是個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，過(guò)少導(dǎo)致硅烷接枝不夠，過(guò)多則會(huì)引起過(guò)度交聯(lián)，從而使流動(dòng)性降低，擠出絕緣表面粗糙，擠出困難。

(3)硅烷用量的影響。硅烷一般采用乙烯基不飽和硅烷，因硅烷大多進(jìn)口，各大材料廠商用量都力圖做到其下限以降低成本。

(4)擠出溫度及色母料的影響。硅烷XLPE的擠出溫度應(yīng)在一定范圍內(nèi)，較低的溫度會(huì)導(dǎo)致熱延伸的不合格，這與其A、B料的混合程度及塑化程度有關(guān);色母料的配比一樣會(huì)影響熱延伸指標(biāo)，主要是其中的有機(jī)顏料和分散劑對(duì)其交聯(lián)過(guò)程有一定抑制作用。

本文主要分析擠出溫度和色母料配比對(duì)熱延伸指標(biāo)的影響。

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 主要設(shè)備與材料

65擠塑機(jī)組，泰州市金聯(lián)立電工機(jī)械有限公司; 90擠塑機(jī)組(SJ-90)，無(wú)錫南方電工機(jī)械有限公司;老化箱(XG-CN2)，南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;沖片機(jī)(KY-4025)，江都市開源試驗(yàn)機(jī)械廠;切片機(jī)(SQ-300)，江都市開源試驗(yàn)機(jī)械廠;蒸汽交聯(lián)發(fā)生裝置，蒸汽交聯(lián)房;硅烷自然XLPE絕緣料大線料(CAX-9100)，上海凱波;硅烷自然XLPE絕緣料小線料(CAX-9100H)，上海凱波;PE色母料(5080)，鼎彩。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

(1)擠出溫度對(duì)熱延伸的影響

型號(hào):CJV92/SC;規(guī)格:16 mm2、25 mm2、70 mm2;材料:硅烷自然XLPE大線料CAX-9100，PE色母料(5080);顏色:紅、黃、藍(lán)。

表1為不同擠出溫度下試樣的熱延伸性能，從表1中可以看到，在較低擠出溫度下，所有樣品的熱延伸指標(biāo)都不合格;而在中溫?cái)D出溫度下，16 mm2藍(lán)色在讀數(shù)時(shí)斷裂，70 mm2紅色在8 min時(shí)斷裂，其余合格，整體水平較低溫下有了很大改善;高溫?cái)D出條件下，所有樣品全部合格。

表1 擠出溫度對(duì)熱延伸的影響

擠出溫度對(duì)硅烷XLPE絕緣的熱延伸有較大影響，尤其是均化段和壓縮段的溫度。這不難從交聯(lián)機(jī)理上看出，在較低擠出溫度下，有機(jī)錫催化劑(B料)與接枝母料(A料)塑化不充分，兩者未能充分混合，處于半塑化狀態(tài)，這樣，有機(jī)錫催化劑的化學(xué)鍵未能打開，使得在交聯(lián)過(guò)程中，B料沒有起到足夠的催化效果，導(dǎo)致最終脫水縮合時(shí)產(chǎn)生的交聯(lián)鍵較少，甚至無(wú)交聯(lián)鍵產(chǎn)生，這樣空間結(jié)構(gòu)交聯(lián)鍵密度低，交聯(lián)不足，最終被拉斷。

(2)色母料對(duì)熱延伸的影響

絕緣線芯:2.5 mm2;材料:硅烷自然XLPE小線料CAX-9100H，PE色母料(5080);顏色:黃、黑。

表2為在相同截面、擠出溫度和蒸汽交聯(lián)時(shí)間下，采用不同的色母料配比試驗(yàn)其對(duì)熱延伸的影響。從表2中可以看到，色母料配比對(duì)硅烷XLPE的熱延伸有一定影響，大部分材料廠家推薦的配比為1‰～3%‰，我們 從1‰到10‰都進(jìn)行了驗(yàn)證，色母料比例從1‰到5‰實(shí)驗(yàn)結(jié)果均合格且基本一致，當(dāng)色母料配比為10‰時(shí)，出現(xiàn)熱延伸不合格。

表2 色母料對(duì)熱延伸的影響

眾所周知，色母料的主要成分為顏料、載體、分散劑，現(xiàn)從這三種主要成分分析色母料對(duì)硅烷XLPE熱延伸的影響。

顏料一般分為有機(jī)顏料和無(wú)機(jī)顏料，有機(jī)顏料如酞菁紅、酞菁藍(lán)、酞菁綠、大分子紅、大分子黃等，無(wú)機(jī)顏料如鎘紅、鎘黃、鈦白粉、炭黑等，這些成分的存在會(huì)對(duì)硅烷XLPE的交聯(lián)過(guò)程起到一定的抑制作用，一定程度上降低交聯(lián)度，從而影響產(chǎn)品的熱延伸指標(biāo)，這也是業(yè)內(nèi)所說(shuō)“硅烷交聯(lián)絕緣的產(chǎn)品顏色太深交聯(lián)度往往不好”這句話的原因所在。

載體即為色母料的基體，通常以與制品樹脂相同的樹脂為載體，兩者相容性最好，一般情況只要選擇專用色母料對(duì)其成品性能影響較小。

分散劑即為促使顏料充分分散并且不再凝聚的高分子化合物，通常為PE低分子蠟等。往往由于生產(chǎn)廠家所采用的分散劑質(zhì)量不好造成擴(kuò)散互溶不良，影響制品的物理機(jī)械性能。

通過(guò)以上試驗(yàn)及分析，可以總結(jié)以下結(jié)論:色母料配比對(duì)硅烷XLPE的熱延伸的確有影響，但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，色母料配比如控制在一定的范圍內(nèi)(5‰以內(nèi))，其影響效果不是很大，但達(dá)到10‰時(shí)，出現(xiàn)了熱延伸不合格。

4 結(jié)論

(1)擠出溫度對(duì)硅烷XLPE的熱延伸指標(biāo)影響較大，在允許的溫度范圍內(nèi)，稍高的擠出溫度對(duì)其熱延伸指標(biāo)有利。

(2)色母料的配比對(duì)硅烷XLPE的熱延伸指標(biāo)有一定影響，配比如控制在一定范圍內(nèi)對(duì)熱延伸影響較小，但超過(guò)一定的范圍可導(dǎo)致熱延伸不合格。

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