新型抗损伤耐低温软电缆的研制

刘永坚，高 峰，历春阳，陈清海，胡新东

(1.衡阳恒飞电缆有限责任公司，湖南 衡阳421008;2.东莞市联升电线电缆有限公司，广东 东莞523920)

0 引言

普通电缆在冰冻环境或低温天气下，通常变得僵硬，在拖拉、卷挠、弯曲、移动中都有可能出现损坏，特别是在－20℃以下环境中使用时，常会出现脆化、开裂、断裂现象，严重影响其正常使用。

随着工业生产的发展，有大量的勘测设备、仪器仪表、机械设备所需的装配电缆在低温环境下使用，如何确保这些设备在恶劣低温条件下能正常工作，这对电缆的抗损伤性和耐低温性是一个考验。

1 电缆使用环境及现状

根据客户提供的信息，电缆装配的设备和工具用于我国东、西北地区的矿山，冬季气温经常处于－25℃以下，甚至达到－40℃左右。现阶段大多使用的是按照GB/T 5013.4中YZW(中型橡套软电缆)进行改良的软电缆，但通常情况下都存在以下几个问题:(1)电缆僵硬，拖拉、弯曲比较困难;(2)电缆易脆化，常有开裂或断裂现象;(3)电缆抗损伤性差，在受夹挤、压碾时出现破裂;(4)电缆使用寿命短，1～2年内就出现开裂或断芯。

2 电缆设计

新电缆的设计不仅要满足－40～90℃动态工作的需要，还要结合资源矿山的使用环境，进行抗人员踩踏，抗工具夹挤，抗机器设备、交通工具压碾，抗拖拉、刮擦等性能要求的设计。这要求电缆具有良好的低温性能的同时，还要具有优良的机械性能，特别是抗拉强度、耐磨、耐损伤等性能。此外为了携带和使用方便，尽量把电缆设计成外径小、重量轻、柔软、易弯曲，具备优异的抗弯曲疲劳性能。

2.1 性能要求

综合考虑电缆的抗损伤、耐低温和柔软等性能要求，选用国际上性能要求相近或相似的线缆标准，作为新型电缆性能设计的参考依据。经信息收集和研究分析，最终选用欧洲标准HD 22.10作为性能设计基础，并针对性地进行性能提高。以额定电压300/500V 3G 0.75 mm2软电缆为例，电缆的主要性能要求见表1。

新设计的抗损伤耐低温软电缆，绝缘材料在EN 50363中EI6型材料性能基础上增加了低温要求，与YZW电线常用的EI4型材料在老化、热延伸和低温性能方面存在较大差异。外被材料以EN 50363中TMPU(聚氨酯弹性体)性能为基础，除了低温弯曲外，还包括耐油、浸水、抗破裂、抗皂化等性能。成品电缆在欧洲H05BQ-F(乙丙绝缘聚氨酯护套软电缆)电缆基础上，增加阻燃要求，同时还参考UL 62第18版中的抗损伤性能评定，增加耐磨、夹挤、压碾性能，这是为电缆的苛刻工作环境而特别设计的。

表1 抗损伤耐低温软电缆3G 0.75 mm2主要性能

2.2 材料选择

材料的合理选用是电缆成功开发的关键，耐低温软电缆通常选用耐寒软质PVC(聚氯乙烯)、耐低温TPE(热塑弹性体)和耐寒热固性橡胶等材料。

现阶段同类型低温电缆，绝缘多数选用蒸气硫化三元乙丙橡胶(EPDM)，护套选用蒸气硫化氯丁混合橡胶。

从现阶段电缆使用情况来分析，绝缘材料出现异常的情况较少，绝大部分问题都出在电缆外护套。这使外护套材料的选用成了关键。通常对低温材料的评定，是通过评定材料在低温下的机械性能，借助于材料的玻璃化温度。电线电缆常用材料玻璃化温度较低的有:天然橡胶－70℃，氯丁橡胶－50℃，低密度聚乙烯(LDPE)－70℃，顺丁橡胶－105℃和硅橡胶－115℃。顺丁橡胶有抗张强度和抗撕裂性缺陷，天然橡胶有严重自催龟裂问题，硅橡胶有回弹性、耐磨性、耐溶剂性等方面的不足，这几类都不宜选用。虽然氯丁橡胶经硫化后，具有耐磨、耐油、耐腐蚀、耐低温等性能，但有很多信息反映，用氯丁橡胶做同类型低温软电缆，虽然经过材料和结构多方面改善，但在性能和使用方面还存在不足，主要表现在电缆的抗破裂、抗损伤性及可靠性方面，还不能完全满足正常使用的需要。

TMPU是一种新型的热塑性高分子材料，由硬、软二相段交替共聚而成，由软段提供良好拉伸性能和较低玻璃化温度，由硬段提供较高熔点和力学性能，可方便配置出强度和硬度合适的材料。TMPU现有聚醚型和聚酯型二类多元醇，聚醚型在低温性、耐潮湿、耐菌性和抗水解性方面优势明显;聚酯型在机械强度、耐化学性和耐热性方面更为突出。从抗损伤耐低温电缆的使用环境和条件方面考虑，选用聚醚型作为电缆的外护层更有利于问题的解决。

聚醚型聚氨酯不仅具有优异的柔软性和耐环境性(湿度、臭氧、微生物)，而且具有极佳的低温柔韧性、高强度、高弹性、耐磨性和抗撕裂性，其抗张强度能达到40 N/mm2，断裂伸长率能达到600%。这与氯丁橡胶相比，无论在玻璃化温度、低温柔韧性，还是在机械强度、抗外力损伤方面都远优于氯丁橡胶，这正好符合抗损伤和耐低温电缆的需要，弥补氯丁橡胶所存在的不足，虽在阻燃和黄变方面存在欠缺，但合理的选择与设计并不影响电缆的正常使用。

2.3 结构设计

电缆结构的设计，不仅关系到电缆的制造成本、加工工艺、生产难易程度，还关系到整个电缆的性能设计能否实现。

为提高导体耐腐蚀、抗氧化及电缆的柔软性，导体选用HD383第6类镀锡铜丝，以20倍节距比进行绞合，并在铜丝绞合中间添加3000D Kevlar。为进一步提高电缆的抗冲击性，在缆芯与外护套之间增加一层抗冲击隔离层，隔离层选用低温性、冲击性和疲劳性匀较好的线性低密度聚乙烯(LLDPE)，LLDPE作为隔离层不仅能提高抗冲击能力，而且还具有较好的润滑性，在一定程度上能提高电缆的耐交变弯曲性能。

2.4 电缆结构

综合上述选择与设计，并结合欧洲标准HD 22.10，设计出新型抗损伤耐低温软电缆3G 0.75 mm2，电缆结构见图1及表2。

图1 3G 0.75 mm2软电缆截面示意图

表2 抗损伤耐低温软电缆3G 0.75 mm2结构表

导体选用江西铜业产无氧电工铜，加强绳用Dupont产3000D Kevlar，绝缘用DOW EPDM 4640，隔离层用DOW LLDPE 6059，外被用Lubrizol阻燃聚醚型TMPU 58887。

3 工艺特点与注意事项

从电缆结构和性能要求中不难看出，新设计的抗损伤耐低温软电缆，在导体生产技术方面问题不是很大，在绝缘性能方面需要就老化、热延伸和低温等性能进行相应的配方调整，这对于经验丰富的配方工程师来说难度也不是很大，这里就不作介绍，重点介绍外被材料聚醚型聚氨酯的制造工艺与注意事项。

聚醚型聚氨酯是新型的热塑性高分子材料，在空气中极易吸湿，吸湿后的聚氨酯会在电缆表面显现泡沫和水纹，不仅影响到加工性，而且会降低电缆的机械性能，在加工前必须进行充分干燥，推荐加工前进行90℃、3～4 h干燥处理。

聚氨酯弹性体推荐使用压缩比2.5、长径比25∶1、 90及以下配有大动力电机的挤塑机进行生产，在挤制聚氨酯热塑弹性体时，必须注意以下几点:(1)在螺杆启动时，因螺杆内的聚氨酯会在螺杆和螺筒之间产生很大的剪切应力和反作用力，极易造成设备损坏，严重时会造成螺杆断裂、键槽破裂或机头开裂，必须在确定已达到设计温度后才能开机，并且启动要缓慢;(2)温度的设定要合适，因聚氨酯融熔温度相对较窄，而且不同厂家和牌号之间差异性较大，在开机前需事先确定好工艺温度;(3)挤出速度不宜过快，因融熔的聚氨酯在机筒内呈粘流态，且粘度极大，弹性又高，所产生的剪切力很大，一旦跳闸，重启会很困难;(4)生产时螺杆转速不宜过快变速，转速的过快变化，会产生急剧反作用力，易造成设备损伤或过载停机;(5)生产完要及时排尽螺杆内余料，并清理机台，否则粘连会使拆卸和清理变得困难。

用Lubrizol阻燃聚醚型TMPU 58887生产时的挤出工艺温度参数见表3。

表3 挤出工艺温度参数

4 试验结果

经过多次试验，最终制备出符合设计要求的电缆，测试部分性能数据如表4。从表4中可以看出，对电缆的阻燃要求是水平燃烧FT2，不是常用的垂直燃烧VW-1和IEC 60332-1。因TMPU本身不含氯素，且易燃、易滴落，虽经改性后阻燃性有很大提高，但相对于含有氯素的基材来说确有不及。不过结合电缆的使用环境，只要燃烧符合试验FT2则不影响电缆的正常使用。另值得一提的是，测试表中还提到了抗皂化性，这是针对聚氨酯在碱催化作用下耐水解能力进行的考虑。

表4 抗损伤耐低温软电缆部分性能测试数据

5 结束语

制备的电缆样品装配在电动工具上，在满洲里的矿山工地进行了两年实地试用。当地冬季气温在－40～－15℃，电缆在此工作环境中移动、弯曲，未出现脆化、开裂、破裂、断芯现象，不逊于欧洲进口的同类型电缆。

聚醚型聚氨酯弹性体在特种电缆的成功应用，有利于推动聚氨酯弹性体在电线电缆上的发展，可为电线电缆特殊性能的解决提供更多的解决方案。

［1］徐应麟.电线电缆手册 第二册［M］.北京:机械工业出版社，2001.

［2］VDE 0282-4:2005 Cables of rated voltages up to and including 450/750 V and having crosslinked insulation-Part 4:Cords and flexible cables［S］.

［3］HD 22.10:2007 Cables of rated voltages up to and including 450/750 V and having crosslinked insulation-Part 10:EPR insulated and polyurethane sheathed flexible cables［S］.

［4］UL62，18thEdition flexible cord and cables［S］.

［5］王春江.阻燃、聚醚型聚氨酯热塑弹性体在野外特种用途通信电缆中的应用［J］.电线电缆，2007(5):1-5.

［6］Polyurethane sheathed material［Z］.Techno-information of BASF.

［7］高峰.生活电器用氯化聚乙烯绝缘105℃软电缆的抗机械损伤性能［J］.电线电缆，2012(1):16-18.