聚丙烯絕緣電纜的耐熱與耐寒

1.電纜的耐熱性
  聚丙烯電纜絕緣層在短期或長(zhǎng)時(shí)間承受高溫或溫度劇變時(shí)能保持基本性能而維持正常使完的能力稱(chēng)耐熱性。按材科承受高溫作用時(shí)間的長(zhǎng)短分為短時(shí)耐熱性和長(zhǎng)期耐熱性。
  短時(shí)耐熱性是指材料在高溫下是否出現(xiàn)軟化、變形、分解等現(xiàn)象，或者材料在熱態(tài)下的性能指標(biāo)的變化，即通常所說(shuō)的熱變形性。長(zhǎng)期耐熱性是指高分子材料處于一定溫度下，能否獲得預(yù)期壽命。通常用絕緣材料的耐熱等級(jí)、溫度指數(shù)、長(zhǎng)期 高工作溫度來(lái)表示。它反映了電纜絕緣材料的熱穩(wěn)定性，常指抵抗熱氧老化性能。
  電線電纜用橡膠和塑料的耐熱性，一般是指高溫下的熱變形能力和抗氧化能力。

(1)高溫下材料熱變形能力(熱變形性)
  對(duì)于聚丙烯電纜，在軟化點(diǎn)之前聚丙烯電纜絕緣層基本處于玻璃態(tài)，其受力產(chǎn)生很小的彈性形變塑性形變，表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度、硬度。隨著溫度升高，大分子及鏈段熱運(yùn)動(dòng)加劇，表現(xiàn)為塑性增大，彈性降低，硬度降低。當(dāng)溫度升至軟化點(diǎn)時(shí)，很容易產(chǎn)生塑性變形。并很快轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài)。
  1)抗張強(qiáng)度（拉伸強(qiáng)度）     對(duì)于橡膠，在熱的作用下，機(jī)械性能的變化可大體分為三類(lèi)。一類(lèi)如天然橡膠、氨丁橡膠、丁苯橡膠，它們?cè)谑覝叵戮休^高的抗張強(qiáng)度。隨溫度升高，抗張強(qiáng)度隨溫度急劇下降。第二大類(lèi)如丁基橡膠和硅橡膠。它們?cè)谑覝叵驴箯垙?qiáng)度不高，但是溫度對(duì)其影響也不大。第三類(lèi)是氟橡膠和氯磺化聚乙稀，它們的抗張強(qiáng)度在一定溫度時(shí)急劇下降，但繼續(xù)升溫時(shí)變化不大。而塑料抗張強(qiáng)度一般是隨溫度升高面逐漸降低，直至熔化。改性聚丙烯PI-2001D就是典型的這類(lèi)材料。
  2)伸長(zhǎng)率   隨溫度上升，橡膠的伸長(zhǎng)率逐漸變小。而對(duì)于塑料，其伸長(zhǎng)率一般先有上升再很快下降。改性聚丙烯絕緣料PI-2001D伸長(zhǎng)率溫度曲線如圖。
  3)表面硬度      隨著溫度升高，橡膠類(lèi)彈性材料硬度變化緩慢，但是仍然保持一定數(shù)值。對(duì)于熱塑性材料，特別是結(jié)晶聚合物如聚乙烯聚丙烯，當(dāng)溫度升高到某一數(shù)值時(shí)，硬度會(huì)急劇下降，以致*軟化或融化。電線電纜在使用過(guò)程中不可避免會(huì)發(fā)生短時(shí)過(guò)載和短路的現(xiàn)象，使絕緣層溫度上升很高，為保持使其達(dá)不到軟化溫度，就要限制電纜工作溫度的上限。建議改性聚丙烯絕緣料PI-2001D電纜長(zhǎng)期使用溫度不超過(guò)120℃，短期使用溫度不超過(guò)150℃。

總結(jié)，在電纜中各種橡膠彈性材料抗高溫?fù)p壞的能力優(yōu)于熱塑性材料，而在熱塑性材料中，非結(jié)晶塑料電纜絕緣層又優(yōu)于結(jié)晶塑料電纜絕緣層。

(2)高溫下熱氧化能力(熱穩(wěn)定性)
  在熱作用時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，特別是高分子材料不可避免要接觸到氧，在氧和熱的共同作用下，電纜絕緣層的氧化反應(yīng)產(chǎn)生兩種結(jié)果，一是聚合物大分子或網(wǎng)狀大分子斷鏈降解，使電纜絕緣層材料結(jié)構(gòu)變得松散，并降低高分子的分子量，其結(jié)果導(dǎo)致電纜絕緣層材料軟化，發(fā)黏和產(chǎn)生低分子揮發(fā)物。二是被氧化的鏈段連接起來(lái)，聯(lián)成一個(gè)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)結(jié)實(shí)，分子量增大，結(jié)果導(dǎo)致聚丙烯電纜絕緣層材料硬脆開(kāi)裂。

根據(jù)聚合物分子的結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵、基團(tuán)的熱穩(wěn)定順序，一般認(rèn)為:
  1) 飽和聚合物的耐熱氧化性較不飽和的二烯烴聚合物要好。如乙丙橡膠熱穩(wěn)定性比丁苯橡膠要好，雙鍵數(shù)目越多熱穩(wěn)定性越差，如丁笨橡膠比天然橡膠熱穩(wěn)定性好。
  2)線性聚合物比支鏈聚合物有更高的耐氧化能力。如高密度聚乙烯比低密度聚乙烯含有較少的支化結(jié)構(gòu)，因此，熱穩(wěn)定性更高。高等規(guī)度的聚丙烯熱穩(wěn)定性比高密度聚乙烯好。
  3) 體型高分子耐熱性比線性、支鏈聚合物高。如交聯(lián)聚乙烯熱穩(wěn)定性?xún)?yōu)于聚乙烯。

4)結(jié)晶聚合物在熔點(diǎn)以下比非結(jié)晶聚合物耐熱氧老化。
  5)取代基的存在，能改變高分子的熱穩(wěn)定性，例如聚氯乙烯樹(shù)脂在降解的過(guò)程中，熱的作用有一個(gè)感應(yīng)期，分子氧在降解過(guò)程中的某一點(diǎn)之前，并不起明顯作用。含氟的聚合物中，聚四氟乙烯是穩(wěn)定性好的，這是由于C-F鍵的穩(wěn)定性大于其他任何C-C、C-H、C-CI鍵。
  6)硅橡膠熱穩(wěn)定性好是因其主鏈?zhǔn)荢i-0，Si-0鍵能大，穩(wěn)定性高。

  2.電纜的耐寒性

  當(dāng)絕緣材料冷卻至低溫時(shí)，因分子被凍結(jié)而產(chǎn)生較大的收縮，使內(nèi)部變形，不產(chǎn)生松弛，伸長(zhǎng)率降低。當(dāng)電纜彎曲時(shí)，將因變形增大而會(huì)導(dǎo)致機(jī)械開(kāi)裂，給電纜絕緣造成大的缺陷。特別是潛油泵東北地區(qū)冬季戶(hù)外施工，有時(shí)溫度在零下30℃，對(duì)材料的耐寒要求更高。另外，絕緣材料比金屬材料的收縮大，因此它與電纜中的導(dǎo)體相配合是很重要的。
  耐寒性是指高分子材料在低溫下仍能保持電線電纜較好的物理力學(xué)性能，以滿(mǎn)足使用要求的能力。當(dāng)材料冷至低溫時(shí)，其變形能力逐漸消失，變?yōu)橛泊啵敝吝_(dá)到脆化溫度，材料即使受到很小的變形也會(huì)斷裂，所以脆化溫度可以作為材料耐寒性的指標(biāo)。這方面，改性聚丙烯絕緣料PI-2001D因?yàn)樵黾恿司垡蚁┑墓簿鄱?，良好的解決了電纜耐寒性的問(wèn)題。

  對(duì)無(wú)定形態(tài)高聚物來(lái)講，從高彈態(tài)過(guò)渡到玻璃態(tài)的臨界溫度范圍越寬越好，因此耐寒性的問(wèn)題，就是影響電纜絕緣層的問(wèn)題。一般來(lái)講該范圍主要取決于大分子鏈段的活動(dòng)性，凡是分子間力小，分子鏈柔性大的高聚物它的脆化溫度就越低。一般來(lái)講聚乙烯的脆化溫度很低，引進(jìn)極性基后，增加分子間作用力，脆化溫度提高；非極性的無(wú)規(guī)側(cè)基由于阻礙了鏈段的活動(dòng)，也會(huì)提高脆化溫度。但是為了滿(mǎn)足各種要求，有時(shí)，不得不引入這些基團(tuán)。一般脆化溫度較低的電纜絕緣層，如聚乙烯、順丁橡膠、硅橡膠耐寒性都比較好。

總之，聚丙烯電纜既要考慮耐熱性，也要考慮耐寒性。耐寒性主要是施工期考慮的指標(biāo)，耐熱性是工作時(shí)的指標(biāo)，兩者需要兼顧。