通信电缆交联聚乙烯材料耐湿热性能研究

李森林 ，何 凯 ，刘宇舜，严 波，郭可贵

（1国网安徽电科院，安徽合肥 230601；2国网合肥供电公司，安徽合肥 230022；3国网安徽省电力有限公司，安徽合肥230022）

聚乙烯是一种高质量、低成本、使用范围较广的高分子材料。在薄膜、管道、电线电缆、日用品的制作中较为常见[1]，也能够使用在雷达和电视等高频绝缘材料中。聚乙烯（PE）交联技术属于聚乙烯改性的核心方法，交联后的聚乙烯与常规聚乙烯对比后，前者具有显著的电绝缘性能与机械性能，且耐磨性较好[2]。聚乙烯交联方法由辐射交联法与化学交联法构成，化学交联法包含过氧化物交联法与硅烷交联法。辐照[3]交联和过氧化物交联法均具有某些缺点，例如交联设施昂贵和工艺操作难度大，劳动保护措施需求大等，但硅烷交联PE技术能够克服此类缺点[4]。为了分析通信电缆交联聚乙烯材料耐湿热性能，本文使用硅烷交联聚乙烯技术，制造通信电缆交联聚乙烯材料。硅烷交联聚乙烯在电线电缆、热收缩套管等功能性材料中的使用较多，特别是城乡电网改造，硅烷交联聚乙烯凭借自己卓越的应用性能，在电力电缆生产中大量使用[5]。本文在通过硅烷交联聚乙烯技术获取通信电缆交联聚乙烯材料后，对通信电缆交联聚乙烯材料实施耐湿热性能检测。

1 通信电缆交联聚乙烯材料耐湿热性能研究方法

1.1 硅烷交联聚乙烯技术

硅烷交联聚乙烯技术将聚乙烯材料和硅烷在反应混合器皿里实施接枝反应，让硅烷接枝在聚乙烯链侧端实施反应，并得到接枝共聚类聚乙烯硅烷接枝共聚物（C料），在混合器皿里制作催化母料（D料）后，将D料与C料实施混合，获取通信电缆交联聚乙烯材料[6-7]。制作流程如图1所示。

图1 通信电缆交联聚乙烯材料制作流程Fig.1 Manufacturing process of cross linked polyethylene material for communication cable

1.2 测试方法

测试原料主要使用1.1小节获取的通信电缆交联聚乙烯材料。并在获取的通信电缆交联聚乙烯材料中分别加入聚乙烯基吡咯烷酮、混杂纤维增强环氧树脂复合材料后，放在沸水里持续煮200h，以此模拟湿热老化环境，分析材料耐湿热性能[8]。

（1）加入聚乙烯基吡咯烷酮后材料耐湿热性能测试方法

检测通信电缆交联聚乙烯材料的尺寸稳定性时，尺寸稳定性也可理解成因次稳定性，属于通信电缆交联聚乙烯材料在指定环境中的尺寸变动度，能够体现通信电缆交联聚乙烯材料在湿热环境中，可以保持自身形状和尺寸的性能[9-10]。为降低误差，通过体积变动率代表通信电缆交联聚乙烯材料尺寸稳定性[11]。

加入聚乙烯基吡咯烷酮后，通信电缆交联聚乙烯材料的可弯曲强度、弯曲保持度在ZMG1材料检测仪中根据GB2570-81实现检测[12-13]。通信电缆交联聚乙烯材料的冲击强度通过XCj-50冲击检测仪获取[12]。动态力学能力通过DMA检测仪获取。主要测试当聚乙烯基吡咯烷酮含量（质量分数）依次是0%、3 %、6%、9 %、12 %时，材料的可弯曲强度、弯曲保持度、抗冲击强度、尺寸稳定性。

（2）加入混杂纤维增强环氧树脂复合材料后材料耐湿热性能测试方法

混杂纤维增强环氧树脂复合材料[14]中的纤维主要是玻璃纤维+碳纤维+环氧树脂。玻璃纤维来自泰山玻纤单位制造；碳纤维[15]来自日本东丽公司制造；环氧树脂属于无锡美华化工公司产品[16-17]。

测试当混杂纤维增强环氧树脂复合材料厚度依次是6.6mm、8.6mm时，伴随水煮时间的变动，材料的力学性能[18]。

2 结果分析

2.1 加入聚乙烯基吡咯烷酮后通信电缆交联聚乙烯材料耐湿热性能测试结果

图2为湿热老化对材料可弯曲强度的干扰分析结果。

图2 湿热老化对材料可弯曲强度的干扰分析结果Fig.2 Analysis results ofinterference of hygrothermal aging on bendable strength of materials

水煮前，在聚乙烯基吡咯烷酮含量是9%时，材料的可弯曲强度出现最高值。但水煮后，在聚乙烯基吡咯烷酮含量是6%时，材料的可弯曲强度出现最高值。经测试可知，在湿热老化环境中，加入6%聚乙烯基吡咯烷酮后通信电缆交联聚乙烯材料的可弯曲强度最高。

根据图2获取通信电缆交联聚乙烯材料弯曲强度保持率，结果见表1。

表1 通信电缆交联聚乙烯材料弯曲强度保持率Table 1 Bending strength retention of XLPE material for communication cable

分析表1可知，材料弯曲强度保持率伴随聚乙烯基吡咯烷酮含量变多出现先变多后变小的规律，但聚乙烯基吡咯烷酮大于6%时，保持率快速变小，如果聚乙烯基吡咯烷酮含量为12%，保持率为34.7%。经测试可知，在湿热老化环境中，加入6%聚乙烯基吡咯烷酮后通信电缆交联聚乙烯材料的弯曲保持率最高。

图3是通信电缆交联聚乙烯材料中加入聚乙烯基吡咯烷酮前后材料的抗冲击强度的变动情况。

图3 抗冲击强度变动测试结果Fig.3 Test results of impact strength variation

分析图3可知，通信电缆交联聚乙烯材料中加入聚乙烯基吡咯烷酮后，含量为6%时，通信电缆交联聚乙烯材料的抗冲击强度最高。

表2是通信电缆交联聚乙烯材料湿热老化前后材料的介电性能测试结果。

表2 介电性能测试结果Table 2 Dielectric property test results

分析表2可知，对比之下，不管是否实施水煮湿热老化，当聚乙烯基吡咯烷酮含量为6%时，材料的介电性能佳，介电损耗小。

表3为加入聚乙烯基吡咯烷酮后通信电缆交联聚乙烯材料的尺寸稳定性测试结果。

表3 通信电缆交联聚乙烯材料尺寸稳定性测试结果（单位：%）Table 3 Dimensional stability test results of cross linked polyethylene material for communication cable （unit：%）

分析表3可知，伴随水煮时间的增多，加入聚乙烯基吡咯烷酮后，通信电缆交联聚乙烯材料的尺寸稳定性存在一定变动，但当聚乙烯基吡咯烷酮含量是6%时，加入聚乙烯基吡咯烷酮后通信电缆交联聚乙烯材料的尺寸稳定性最高。

2.2 加入混杂纤维增强环氧树脂复合材料后通信电缆交联聚乙烯材料耐湿热性能测试结果

加入混杂纤维增强环氧树脂复合材料后通信电缆交联聚乙烯材料的力学性能见表4。

表4 加入混杂纤维增强环氧树脂复合材料后材料力学性能测试结果Table 4 Test results of material mechanical properties after adding hybrid fiber reinforced epoxy resin composite

分析表4可知，水煮老化时，加入混杂纤维增强环氧树脂复合材料后，通信电缆交联聚乙烯材料的弯曲强度与弯曲模量没有持续变小，存在一种起伏变动的趋势。这是因为温度、湿度与加入混杂纤维增强环氧树脂复合材料后的通信电缆交联聚乙烯材料性能利弊并存，致使其力学性能变差；此外，高温让材料里的树脂固化水平变大，提升了力学性能。加入混杂纤维增强环氧树脂复合材料后，通信电缆交联聚乙烯材料在水气的影响下，由于水可以让基体溶胀塑化后蔓延至基体和纤维中间，致使基体强度变低，界面脱粘，层间剪切强度变差。加速湿热老化时，层间剪切强度突显材料性能。厚度是6.6mm与8.6mm的混杂纤维增强环氧树脂复合材料的通信电缆交联聚乙烯材料相比，6.6mm的材料可弯曲强度、弯曲模量以及剪切强度都大于8.6mm，耐老化性能较好。

湿热老化时间和材料弯曲强度保留率详情见表5。

表5 湿热老化时间和可弯曲强度保留率的关系Table 5 Relationship between humid heat aging time and flexural strength retention

表5中，当加速湿热老化200h后，6.6mm电缆材料可弯曲强度保留率大约是76%，但8.6mm电缆材料的保留率是75%。且不论水煮老化的时间是多久，6.6mm电缆材料的可弯曲强度保留率均大于8.6mm电缆材料。

表6是湿热老化时间和材料剪切强度保留率的关系测试结果。

表6 湿热老化时间和剪切强度保留率测试结果Table 6 Test results of wet heat aging time and shear strength retention

分析表6可知，加速湿热老化200h后，6.6mm电缆芯剪切强度保留率是60%，但8.6mm电缆芯的保留率是57%。由此可见，含6.6mm混杂纤维增强环氧树脂复合材料的通信电缆交联聚乙烯材料在湿热老化环境中的剪切强度保留率较高，耐湿热性能最好。

3 结论

交联聚乙烯电缆材料属于一类具有有机过氧化物的聚乙烯，电气性能优，介电损耗小。将其使用在通信电缆中，并研究通信电缆交联聚乙烯材料耐湿热性能，对电缆应用质量存在一定帮助。本文方法对此研究后可知，当在通信电缆电联聚乙烯材料中加入6%聚乙烯基吡咯烷酮，或加入厚度为6.6mm混杂纤维增强环氧树脂复合材料后，其在耐湿热环境中的应用后性能最佳。