几种电缆外护套的南海海洋大气环境适应性研究

2014-03-20邱森宝闫杰

电子产品可靠性与环境试验 2014年3期

邱森宝，闫杰

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东广州 510610；2.广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室，广东广州 510610；3.广州市电子信息产品可靠性与环境工程重点实验室，广东广州 510610）

0 引言

电缆中线芯导体的长期载流发热和外界环境因素影响会导致绝缘材料老化以至最终失效[1]。在严酷的南海海洋环境条件下，电缆常年在湿热、高温、震动甚至充满盐雾、油雾的恶劣环境中，其电气绝缘性能受到严重的影响，容易老化断裂，导体外露，极易造成短路起火，损坏电气设备；太阳辐射、温度和湿度对电缆绝缘层老化影响最大，使得橡胶电缆绝缘失去弹性而变硬，塑料电缆绝缘失去韧性而变硬、变脆。

橡胶和塑料材料的老化机理和环境老化行为，很多人都已进行了研究[2-6]，但大多数都是在实验室中进行，而由橡胶和塑料的制成的电缆外护套在恶劣的高温、高湿、高盐雾的南海海洋性环境下的老化行为的研究则少见报道。

本文选用不同的护套材料工艺，在南海西沙试验站进行海洋大气暴露试验，观察其老化行为，并进行对比分析，分析其老化原因，为合理选材、减少老化造成的损失提供参考。

1 试验方法

1.1 试验样品

本试验选用4种不同护套材料的电缆样品进行西沙海洋大气环境老化试验，分别如表1所示：

表1 西沙大气暴露试验电缆样品护套名称

1.2 试验方法

试验参照GB/T 3681-2001 《塑料大气暴露试验方法》要求进行，将试样固定在试验架上，朝南45°角暴露试验，试验在南海西沙试验站进行户外、棚下大气暴露试验。在试验过程中，每种样品采用6件平行样来综合评价，本文对样品暴露9个月的试验结果进行对比分析。

2 结果与讨论

2.1 外观评价

参照GB/T 15596-2009《塑料在玻璃下日光、自然气候或实验室光源暴露后颜色和性能变化的测定》进行样品目测外观评价，结果显示：电缆受试样品在西沙户外和棚下开展了9个月的大气暴露试验，4种样品的外观均未发生明显的变化，此外观表现出较稳定的特性。

2.2 硬度的表征

根据GB/T 2411-2008《塑料和硬橡胶——使用硬度计测定压痕硬度（邵尔硬度）》分别对西沙户外、棚下各试验周期样品进行检测，其结果如图1、2所示：

图1 西沙户外电缆护套的邵尔硬度D变化趋势

图2 西沙棚下电缆护套的邵尔硬度D变化趋势

由图1、2可知，4种电缆护套不论是在户外还是棚下暴露，其硬度都是不同程度地变大，在暴露9个月时，户外的样品相比棚下的样品硬度变化更大一些，这主要是在护套材料的暴露过程中，户外的环境因素比棚下的环境更为恶劣，不仅直射温度更高，光辐射强度也更加强烈，这些因素都会加速电缆护套的老化速度和强度。

2.3 机械性能的表征

根据GB/T 2951.11-2008《电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法第11部分：通用试验方法厚度和外形尺寸测量机械性能试验》对样品进行抗拉强度、断裂伸长率变化周期检测，图3、4是受试样品抗拉强度的变化趋势，图5、6是受试样品断裂伸长率的变化趋势。

图3 西沙户外电缆护套的抗拉强度变化趋势

图4 西沙棚下电缆护套的抗拉强度变化趋势

图5 西沙户外电缆护套的断裂伸长率变化趋势

图6 西沙棚下电缆护套样品的断裂伸长率变化趋势

由图3、4可知，对于本文中的塑料和硬质橡胶护套材料，不管是西沙的户外还是棚下，其抗拉强度先是稍有提高，然后随着老化时间的增加而下降。主要原因是老化初期，材料内部产生部分交联，由线性分子变为体型分子，其抗拉强度有所增强；随着老化的继续，高分子材料的化学键受到光、热、氧等因素的持续影响，分子键发生断裂，其抗拉强度也会不断地下降。

对于塑料护套材料（1#、3#和4#），样品在西沙的户外和棚下大气暴露9个月后，其断裂伸长率变化不大，而对于2#氯丁橡胶样品，其断裂伸长率下降表现较为明显。

从拉伸应力-应变曲线（如图7所示）上看，塑料外护套（1#、3#、4#）在拉伸初期表现出较高的杨氏模量，应力-应变曲线有一个陡升的阶段，而后产生屈服、延展和断裂（脆性塑料不发生屈服变形，直接断裂）；橡胶外护套（2#）则通常在微小变形阶段有一个明显的应力上升，而后则进入平缓上升阶段，直至即将断裂时应力应变曲线才表现出一个陡升区（通常导致最终应力陡升的原因是应变诱导结晶）。

图7 电缆护套样品的应力-应变曲线

2.4 电缆护套材料的老化原因浅析

对于电缆的外护套用塑料或橡胶的老化原因，人们已经进行了大量的研究工作。其工作环境的太阳辐射、温度、湿度、大气和微生物等环境因素的综合作用引起护套的环境行为失效，导致了护套材料的老化。根据试验站环境监测统计，西沙年平均气温达27.2℃，年平均湿度为82%，年日照时数为2891.7 h，年日照总辐射量6686.9 MJ/m2，平均大气盐雾氯离子含量为0.0713 mg/m3，西沙试验站属于典型的强太阳辐射、高温、高湿和高盐雾的湿热海洋性气候类型气候类型，尤其是西沙由于地理位置靠近赤道，年日照时间长，紫外线比例大，气候环境极为恶劣。

a）西沙站的强太阳辐射、高温是护套老化的重要要原因

阳光中的紫外线可以使护套中的聚合物部分碳氢键和碳氮键断裂，从而使护套老化和失效，而热是促进高聚物发生老化反应的主要因素之一。热可使高分子发生链断裂从而产生自由基，形成自由基链式反应，导致聚合物降解和交联[7]，性能劣化。

b）西沙试验站大气的高湿、高盐雾含量加速了护套的老化

常温环境中使用的电缆护套的老化降解主要是光引发的氧化和水解。已有的研究表明：光氧化降解随湿度增大而加剧，同样水解降解也因光照而加剧[8]。在高湿度的环境下，大气中湿气会在护套表面形成一层水膜，随着时间的推移，水通过护套的各种缺陷如孔隙、裂纹和杂质等进入护套内，水分会以浓度梯度和渗透压为主要动力，向护套内部扩散。护套吸收的水分会造成护套材料的膨胀，在护套内部产生应力，干湿交替会使护套内部的应力加剧，诱发护套降解。而水分中的氯离子沉降附着在护套的表面时，便迅速吸潮而溶解成氯化物的水溶液，在一定的温湿条件下，溶液中的氯离子通过材料的微孔逐步地渗透到内部引起材料的老化。