一种新型低成本绝缘橡胶电缆护套配方的研究

朱华英, 穆 娟, 孔德忠

（1.无锡江南电缆有限公司, 江苏 宜兴 215234; 2.无锡工艺职业技术学院, 江苏 宜兴 214206）

一种新型低成本绝缘橡胶电缆护套配方的研究

朱华英1, 穆 娟2, 孔德忠2

（1.无锡江南电缆有限公司, 江苏 宜兴 215234; 2.无锡工艺职业技术学院, 江苏 宜兴 214206）

以氯化聚乙烯（CPE）和乙烯-辛烯共聚物（POE）为骨架材料，研究了一般通用橡胶绝缘电缆护套的配方。在对硫化、补强和填充、增塑和偶联、老化和稳定体系进行选择后，确定了该绝缘橡胶的优化配方。对研制的橡胶护套性能进行了测定，结果表明：绝缘橡胶性能优良，加工工艺良好。

氯化聚乙烯（CPE）；乙烯-辛烯共聚物（POE）；配方；绝缘

0 前 言

乙烯-辛烯共聚物（POE）是使用茂金属催化剂开发出来的一种新型热塑性弹性体，是乙烯和辛烯的嵌段共聚物，其中辛烯单体的质量分数约20%～30%。

POE的分子主链结构与三元乙丙橡胶（EPDM）类似，也为饱和结构。由于采用了限定几何构型技术，可人为控制POE的分子支链；茂金属催化剂使得POE又具有较窄的相对分子质量分布。因而POE具有类似EPDM的优异性能，同时在某些性能方面还超过了EPDM，因此，可以作为EPDM的替代材料。

氯化聚乙烯（CPE）是聚乙烯通过氯取代反应制成的无规聚合物，氯的质量分数为35%左右。CPE作为一种弹性体，分子中不含双键，具有较好的耐候性、耐热性、耐臭氧性、耐油性等特点。

基于这两种弹性体均为主链饱和结构，具有较好的共硫化性，将两者进行共混并用，在性能上取长补短[1-2]，制成的橡胶电缆绝缘护套不仅性能优异，且成本低廉。

1 实 验

1.1 主要原材料及生产

CPE，CM352J，杭州科利化工有限公司；POE，日本三井化工；DCP，上海高桥石化精细化工有限公司；钙锌稳定剂，苏州坤兴橡塑材料有限公司；防老剂RD（2,2,4-三甲基-1,2-二氢喹啉聚合物），浙江黄岩华星化学厂；微晶石蜡、氧化镁，苏州坤兴橡塑材料有限公司；硫化促进剂TAIC（三烯丙基异氰脲酸酯），杭州科利化工有限公司；沉淀法白炭黑，苏州藏书建材有限公司。其他原料均为市售。

CM352J的主要性能指标如下：氯质量分数34%～36%；残余结晶质量分数≤3%；纯胶拉伸强度≥8.5 MPa；熔融热≤3 J/g；热分解温度>165 ℃。体积电阻率≥1.0×1014Ω·cm；挥发分≤0.5%；邵尔A硬度 ≤62。

1.2 主要试验仪器、设备

XK-160B型双辊筒开放式塑炼机，无锡第一橡塑机械公司；QLB-25D/Q型平板硫化机，无锡新锐橡塑机械公司；GT270102AE型拉力强度试验机，高铁检测仪器有限公司；BC-2型低温脆化冲击试验仪；XG-CN2型老化试验箱，南通宏大实验仪器有限公司。

1.3 性能测试

试样性能测试按GB7594—1987、GB 5013—2008、GB 2951—2008标准进行测试。

2 结果讨论

2.1 CPE 和POE品种的选取

国内市场上销售的氯化聚乙烯品种较多，质量、性能也有所差异。杭州科利化工专门为低压绝缘橡胶配方生产的CM352J，具有性能稳定、残留结晶度低、氯分布均匀、脱氯化氢温度较高、耐热性较好的特点。相同配方的情况下，CM352J的电性能较好，且氯化聚乙烯与其他合成橡胶相比价格较低(一般12元/kg)，可以有效降低混炼胶成本。因此选用了CM352J。

POE作为弹性体有着较好的电气性能：体积电阻率≥1.0×1017Ω·cm、介电常数2.2～2.4、介电损耗因子≤0.000 5，价格便宜（约14元/kg，而三元乙丙橡胶为30元/kg），用POE代替三元乙丙橡胶可以明显降低成本。

2.2 硫化体系

CPE为主链饱和的橡胶，硫化剂可采用硫脲、有机过氧化物、多胺，以及硅烷接枝等。考虑到产品须具有良好的耐热性能，故采用过氧化物进行硫化。过氧化物交联体系具有硫化温度高、不易焦烧的特点，容易控制硫化速度，无污染，可以使硫化胶得到优良的力学性能，且压缩永久变形小，耐热性好。考虑到成本问题，配方体系选用过氧化二异丙苯（DCP）硫化剂。

饱和橡胶采用过氧化物硫化体系时，配方中一般要添加具有官能团的助硫化剂。助硫化剂的加入，可大大加快硫化速度，提高交联密度，改善硫化胶的耐温性能。选用的助硫化剂为三烯丙基异氰脲酸酯（TAIC）。

硫化剂及硫化助剂的用量对胶料的焦烧时间和硫化胶的力学性能有显著的影响：用量太多，在混炼及挤出加工过程中易焦烧；用量太少，硫化不充分，力学强度偏低，伸长率大。考虑到连续硫化管道的长度等因素，采用DCP用量为3 份、TAIC用量为2.8 份的体系，可满足产品性能及生产要求。

2.3 补强填充体系

补强填充可起到增大体积、降低成本的作用，还可以改善加工工艺性能，如减少半成品收缩率、提高半成品表面平整性、提高硫化胶硬度及定伸应力等。填料对未硫化胶的加工性能和硫化胶的物理性能及动态力学性能有很大的影响。常用的补强填充剂有煅烧陶土、白炭黑、碳酸钙、滑石粉等。

陶土经过900 ℃左右的高温煅烧后，可以降低表面的亲水基团（羟基）的含量；用偶联剂处理后不但会更进一步封闭粒子表面的羟基，使亲水性变为疏水性。由此，材料的绝缘性能可以得到更进一步的提高和稳定。而且硅烷偶联剂的另一端与橡胶结合形成化学键，增加了填料和橡胶的结合力，这进一步提高了橡胶的力学性能。另外，煅烧陶土的形状呈圆球状，可以延长击穿路径并对电击穿起屏蔽作用，从而提高胶料的介电性能。本配方陶土的添加量为30～50份。

白炭黑以其优良的补强性能成为最主要的白色、透明补强填充剂，与炭黑的补强效果相当。白炭黑与炭黑相比粒子更细、比表面积更大，因此硫化胶的拉伸强度、撕裂强度和耐磨性较高。但由于白炭黑的表面极性和亲水性较强，与烃类橡胶分子的相容性不如炭黑好，若在橡胶中大量填充，会使胶料的门尼黏度快速增大，不仅降低了补强效果，而且胶料的定伸应力、压缩变形、磨耗及加工性均不如炭黑填充胶料[3]。白炭黑呈微酸性，会消耗过氧化物，造成线材欠硫或表面起孔，因此用量应适宜。本配方中白炭黑的添加量为3～5份。

碳酸钙有一定的补强作用，又可以吸附CPE分解产生的HCl分子，起到稳定剂的作用。再加上其价格低廉，可以有效降低配方成本。但碳酸钙有一定的吸水性，用量过大会降低胶料的电性能。本配方中碳酸钙的添加量为10～15份。

滑石粉常用于CPE和POE电线配方，可以增加橡胶的硬度；同时，滑石粉可使挤出表面更光滑，使胶料具有较好的挺性，减小压缩变形，并有助于混炼胶在密炼时的分散，改善胶料加工时存在的黏辊现象，使胶料有良好的包辊性[4]。本配方中滑石粉的添加量为40～60份。

2.4 软化、偶联体系

将CPE和POE并用，既有极性橡胶，又有非极性橡胶。考虑到胶料的绝缘电气性能，选用环烷烃类增塑剂。环烷烃类增塑剂本身的弱极性，能同时对CPE和POE进行增塑，以提高产品的表面光亮度、耐热性和耐寒性，提高混合胶的流动性能，适合挤出。

煅烧陶土、白炭黑、碳酸钙、滑石粉等都具有吸水性，特别是白炭黑表面具有亲水性的硅烷醇基。硅烷偶联剂中的官能团可以和碳酸钙、滑石粉发生物理吸附，使其表面憎水性增加、亲水性减弱，增加和橡胶的相容性，还可以和白炭黑表面上硅烷醇反应，使白炭黑分子间的作用力减弱，从而改善其分散性。另一方面，由于和聚合物发生反应，硅烷偶联剂与聚合物结合起来，改变了填充剂的表面结构，使混炼胶的黏度、贮存弹性模量、损耗角正切等性能下降，分散、力学强度和耐磨等性能提高，因而控制填充剂和偶联剂的反应对橡胶材料的高性能化是非常重要的。选用KH-550作为偶联剂。

2.5 防老剂和稳定剂

CPE和POE是主链上没有双键的橡胶，他们本身都具有良好的耐热性，CPE脱氯化氢的速度比聚氯乙烯慢。但在加工过程中，硫化管道温度在190 ℃以上，长时间处于高温下仍会产生氯化氢，故在配方中需加入氯化氢的吸收剂，以保证硫化的顺利进行。另外，它在长期应用中受热、氧、光等环境条件的影响，也会老化降解，故在配方中需使用稳定剂和防老剂。稳定剂的选择，以前主要以铅盐为主，现在使用有环保作用的钙锌复合稳定剂，效果较好。同时为了增加POE的耐热性能，添加少量的氧化锌。根据胶料的工艺性能和老化性能要求，防老剂选用RD和MB并用可以得到良好的防老化效果。

3 胶料配方及物理性能

3.1 橡胶配方

经优化设计及多次工艺试验，最终确定胶料的配方（单位：份）为：CPE 50.0，POE 50.0，DCP 3.0，TAIC 2.8，滑石粉 50.0，碳酸钙 10.0，白炭黑 5.0，煅烧陶土45.0，氧化镁5.0，石蜡基橡胶油17.0，其他 33.0。含胶量为38%(质量分数)。

3.2 胶料的物理性能

优化后胶料的物理性能详见表1。

表1 混炼胶性能

3.3 混炼工艺

先将CPE和POE在70～80 ℃密炼机中塑炼2～3 min；其次将钙锌稳定剂、防老剂RD、石蜡基橡胶油等加入混炼1～2 min；最后加入碳酸钙、陶土、白炭黑等混炼2～3 min；胶料成型后排料，将混炼胶在开炼机上薄通1～2次，并在摆胶装置上摆胶2～3次，滤橡，三辊压延机压延过粉箱后出片。混炼胶存放8 h后放入密炼机混炼，温度在100 ℃以下加DCP和TAIC，混炼1 min左右排料，开炼机薄通1～2次并机摆胶2～3次，三辊压延机辗叶，经冷却辊冷却，过粉箱制得成品。

4 成品电缆护套性能

试制型号规格为60245 IEC 66(YCW) -450 /750V 3×25的绝缘橡胶电缆，共生产3000 m，在天津天缆电工冷喂料ø90连续硫化挤橡机上挤出。挤出机参数为∶螺杆直径90 mm，长径比16∶1。硫化管为不锈钢管，长118 m，倾斜25 m，最高蒸气压力2.0 MPa，即温度为200 ℃左右，冷却水槽长为20 m。挤出机温度分布：模口温度为80～85 ℃，机头温度为80～85 ℃，喂料口45～50 ℃，机身一区温度为70～75 ℃，机身二区温度为70～75 ℃，杆温45～50 ℃。挤出机各部位及螺杆的温度均用模温机加热冷却调节，挤出电缆外径均匀一致，表面光滑，断面没有气孔。以上说明配方的混炼及挤出工艺是可行的。该电缆的物理性能标准要求见表2。

表2 成品电缆护套性能

5 结 论

(1) 研制的绝缘电缆用橡胶护套，性能上完全满足国标GB 5013—2008《额定电压450/750 V及以下橡皮绝缘电缆》的要求；成品电缆的物理性能符合国标GB 7594.5—87《电线电缆橡皮绝缘和橡皮护套》要求。

(2) CPE/POE共混胶的综合性能良好，作为电缆用绝缘材料，可有效地降低生产成本。

[1] 谢遂志 编. 橡胶工业手册 (第一分册) [M]. 北京:化学工业出版社, 1989.

[2] 彭立新，王金银. 氯化聚乙烯/ EPDM 空调器电线电缆线芯的研制[J]. 橡胶工业, 2001, 48(8):481-483.

[3] 木通口秀臣 著，林孔勇 摘译.氯化聚乙烯(二)[J].橡胶译丛，1996(5):371-376.

[4] Eberhart R C, Donbbins R W.Neural Network PC Tool: A Practical Guide[M].New York: Academic Press,1990:67.

[责任编辑：朱 胤]

Study on a New Low-Cost Insulating Formula for Rubber Sheath

Zhu Huaying, Mu Juan, Kong Dezhong
(1.Wuxi Jiangnan Wire Cable Co. , Ltd., Wuxi 215234 , China; 2.Wuxi Institute of Art & Technology, Yixin 214206, China)

In this paper, the formula of a general insulating rubber sheath was developed. Chlorinated Polyethylene(CPE) and Ethylene-Octene Copolymer(POE) was used as the base polymer. The insulating compound based on suitable curing system, fi lling and reinforcing system, plasticizing and coupling system, anti-aging and stabilizing system was investigated. The properties of the rubber sheath were tested. The results showed that the rubber formula and the processing technology were excellent.

Chlorinated Polyethylene(CPE); Ethylene-Octene Copolymer(POE); Formula; Insulating

TQ336.4+2

B

1671-8232(2015)04-0033-03

2014-10-15