铁粉对电缆复合材料电性能和导热性能的影响

雷　岩， 谷龙艳

(许昌学院 微纳米能量储存与转换材料河南省重点实验室，河南 许昌 461000)

铁粉对电缆复合材料电性能和导热性能的影响

雷岩， 谷龙艳

(许昌学院 微纳米能量储存与转换材料河南省重点实验室，河南 许昌 461000)

摘要：以低密度聚乙烯/乙烯-醋酸乙烯共聚物(LDPE/EVA)体系为基础，研究了铁粉对电缆料的机械性能、电性能和导热性能的影响.结果表明，当铁粉含量增加时，电缆复合材料的机械性能下降，但下降幅度不大；表面电阻系数和体积电阻系数均降低，提高了导电性能；铁粉的加入增大了热扩散系数，提高了导热性能.

关键词：电缆；铁粉；静电；导热

随着经济水平的不断提高，电缆的的使用量和种类也逐年上升.人们根据用途不同开发出了各种类型的电缆，如工业用阻燃电缆、船舶用耐油电缆和建筑采暖用发热电缆等[1-4].高分子材料具有极高的表面电阻和体积电阻，一旦摩擦带电后，静电荷不易散开并富集在材料表面，形成火花.为了消除静电，通常添加相应的抗静电剂，如金属粉末、有机铵盐和导电聚合物等[5-8]，但这些原料价格昂贵，尚不能工业化生产，所以研究电缆的传热对解决这一问题有着重要的意义.

低密度聚乙烯(LDPE)和乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)，因其优异的电气性能、物理机械性能、良好的绝缘性能，因而在电缆行业中得到广泛应用.本文采用了LDPE/EVA共混体系，研究了铁粉对电缆料的机械性能、电性能和导热性能的影响.

1实验部分

1.1实验原料

低密度聚乙烯(LDPE，日本宇部公司，MI=1.02 g/10 min，190 ℃，5 kg)；乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA，美国杜邦公司，牌号CM576，MI=3.0 g/10 min，190 ℃，5 kg)；铁粉(上海龙昕科技发展有限公司，粒径约1 μm).

1.2实验仪器

XH-401型双辊机(东莞锡华检测仪器有限公司)；100T平板硫化机(郑州汇生机械设备有限公司)；万能材料测试仪(东莞海达仪器有限公司)；S-4800 型扫描电镜(日立公司)；D8-Advance 型X射线衍射仪(德国Bruker公司)；ZC-36型高阻计(上海强佳电气有限公司)；LFA457型激光导热分析仪(德国耐驰).

1.3样品制备

LDPE和EVA各50份，还原铁粉取5、10、15、20、25份.在双辊开炼机上140 ℃共混10 min，然后在160 ℃下热压成1 mm厚的片材.

1.4测试与表征

1.2.4 抗胃癌植物类中药性味归经 人工检索《中国药典（一部）》（2015年版）和《中药学》（第4版），统计“1.2.2”项下检索到的抗胃癌植物类中药品种的性味归经。

1.4.1力学性能

根据GB/T 528-1998进行制样，成哑铃形，拉力为500 N，速率为250 mm/min，每个样品平行测试5个，取平均值.

1.4.2微观形貌

采用扫描电镜(SEM)进行观测(扫描电压为15 kV).

1.4.3结构特征

采用X射线衍射(XRD)法进行表征(Cu 靶，Kα射线，λ=0.154 nm，扫描速率为8°/min).

1.4.4导电性能

样品制成厚1 mm，直径10 cm的圆形片，在ZC-36型高阻计上进行测试.

1.4.5导热性能(用热扩散系数表示)

试样为直径13 mm、高1 mm 的圆片，上下表面均匀喷涂酒精碳粉.干燥后，进行测试，每10 ℃取一个点，用微机附带软件进行计算.

2结果与讨论

2.1铁粉对电缆复合材料机械性能的影响

图1和图2是加入不同份数铁粉后电缆复合材料的断裂伸长率和断裂强度变化曲线图.可以知道，随着铁粉份数的增加，断裂伸长率呈缓慢降低趋势，由740%下降到590%.同时电缆复合材料的断裂强度也呈缓慢下降趋势，从19.38 MPa下降到12.74 MPa，这是因为铁粉与聚合物具有不相容性，分散的铁粉颗粒与聚合物基体形成界面空隙，这种界面空隙阻碍了力在聚合物中的传递.

图1　铁粉含量对断裂伸长率的影响

图2　铁粉含量对断裂强度的影响

2.2铁粉在电缆复合材料中的分散

图3是复合材料的断面的SEM图片，图3(a)是没有添加铁粉的电缆复合材料，由LDPE和EVA组成，从图中可以看到断面比较平滑；图3(b)是添加铁粉后的断面形貌图，颜色比较亮的为铁粉颗粒，从图3(b)可以看到铁粉颗粒均匀地分散在聚合物基质中，均匀的分散有利于导电性和导热性的提高.

图3　样品的表面形貌

图4是与图3相对应的EDX能谱曲线.曲线a只有两种元素：碳和氧，碳元素来自于聚合物(LDPE和EVA)链段，氧元素来自于EVA侧链的羰基；曲线b中出现一种新的元素铁，来自于添加的铁粉，铁元素峰的出现不仅证明了共混的成功，同时也证明了图3(b)中亮色的为铁粉颗粒.

2.3铁粉对电缆复合材料的结构影响

图5是不同铁粉含量下电缆复合材料的XRD曲线图.在LDPE/EVA衍射曲线中，主要出现两个衍射峰，分别在2θ=21.38°和23.78°，可归为LDPE晶体的(110)和(200)衍射[9].当加入铁粉时测分别在2θ=44.71°，65.16°和82.40°处出现三个新的衍射峰，它们可归为单质铁晶体的(110)、(200)和(211)衍射[10]，并且衍射峰强度也随着铁粉含量的增加而增加.XRD测试结果表明，铁粉的加入并没有改变聚合物的晶体结构.

图4　样品的EDX能谱

图5　不同铁粉含量样品的XRD图

2.4铁粉对电缆复合材料电阻系数的影响

金属粉末具有良好的导电性，因此常常被用来填充聚合物以提高其抗静电性能[6].图6(a)和图6(b)分别给出了不同铁粉含量对电缆复合材料的体积电阻系数和表面电阻系数的影响.图6(a)中电缆复合材料的体积电阻系数随着铁粉含量的增加而逐渐降低，当添加20 phr时，降低了一个数量级；而图6(b)中电缆复合材料的表面电阻系数，当加入5 phr时突然降低，然后随着铁粉含量的增加而逐渐降低，这是因为铁粉的导电性能远远高于聚合物，所以少量铁粉就能对聚合物表面导电产生很大的影响.

图6　不同铁粉含量对电缆复合材料电阻的影响

图7　不同铁粉含量对电缆复合材料热扩散系数的影响

热扩散系数是材料传播温度变化能力大小的指标，热扩散系数越大，材料中温度变化传播得越迅速.本实验所测试样的热扩散系数与温度的关系如图7所示.从图7可以看出,每种电缆复合材料的热扩散系数均为温度的单值函数,即每种电缆复合材料的热扩散系数随温度的升高均呈现逐步下降的趋势.图中含铁量高的样品热扩散系数高，这是因为铁粉的热扩散系数要远远高于聚合物LDPE和EVA的热扩散系数[11],导致铁粉含量对电缆复合材料的热扩散行为影响较大.

将图7中数据进行曲线拟合,可知所测电缆复合材料的热扩散系数与温度之间均满足关系式(1)[12].将含铁电缆复合材料热扩散系数与温度的关系式列于表1，表1中各热扩散系数表达式的相关系数R2均大于0.99,说明在测试温度35～65 ℃范围内,这种含铁电缆复合材料的热扩散系数均能很好地满足所得到的关系式(1).

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3结论

本实验采用融熔共混的方法制备了含铁电缆复合材料，并对其进行测试与表征.

(1)铁粉的加入降低了电缆复合材料的机械性能，断裂伸长率由740%下降到590%，断裂强度也从19.38 MPa下降到12.74 MPa.

(2)铁粉的加入降低了电缆复合材料的电阻系数，即提高了导电性能.

(3)铁粉的加入提高了电缆复合材料的导热性能.

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Effects of Iron Powder on the Electrical Properties and Thermal

Properties of Composite Cable

LEI Yan, GU Long-yan

(KeyLaboratoryofMicro-NanoMaterialsforEnergyStorage

andConversionofHenanProvince,XuchangUniversity,Xuchang461000,China)

Abstract:In this study, Firstly the iron powder/LDPE/EVA composite was prepared by melt blend, then the effect of iron powder on the mechanical properties, electrical properties and thermal properties of cable composite was analyzed. Results show that when the iron powder content increases, the mechanical property of the composite cable decreases but not shapely, while both the surface resistance and the volume resistance come down, thereby improving conductivity. Therefore, to add iron powder can increase thermal diffusivity and improve thermal performance.

Key words:cable; iron powder; static electricity; thermal conductivity

责任编辑：卫世乾

中图分类号：TB333

文献标识码：A

文章编号：1671-9824(2015)02-0099-04

作者简介：雷岩(1985—)，男，河北三河人，助教，硕士，研究方向：新能源材料转换及改性.

基金项目：许昌学院校内科研基金重点项目(2014078)

收稿日期：2014-06-25