不同配方的聚丙烯填充绳对电缆的影响
2021-04-06蔡红祥付长琦夏云海潘贤清张学驰
蔡红祥 付长琦 夏云海 潘贤清 张学驰
中天科技海缆股份有限公司 江苏南通 226010
电缆一般是由多根绝缘线芯绞合组成的，在成缆过程中必然会产生缝隙，如果这些缝隙不用材料填充密实，会产生电缆圆整度等外观不良、后续加工易产生质量问题、成品表面受力不均匀等情况，例如：填充不好造成电缆外观呈三角形状；挤包护套时会嵌入成缆缝隙中；钢带由于缆芯不圆绕包造成翘边；周转或施工时成品弧面受力变成线受力，因此，为了使电缆圆整，提高外观质量和产品质量，成缆时需要对缝隙进行填充。通常采用的填充材料有填充条以及填充绳两种。填充条较硬，成缆时易打扭，不同规格缆芯无法通用，因此大多数情况下都采用填充绳的方式，也是行业内普遍使用的材料，本文通过对填充绳中聚丙烯含量的研究和试验，比较了填充绳对电缆的影响。
1 聚丙烯的简介
电缆行业使用的填充绳一般是以聚丙烯（PP）填充绳为主。聚丙烯树脂与其他塑料相比，具有相对密度小、价格低、加工性好以及综合性能良好的优点，但同时也存在低温脆性差、成型收缩率大、易老化等缺点[1]，因此需要改性后才能进行使用。我国聚丙烯填充绳改性技术发展较晚，20 世纪70 年代，才出现使用碳酸钙（CaCO3）、滑石粉（主要成分水合硅酸美：Mg3[Si4O10](OH)2）、硫酸钙（CaSO4）等材料改性的聚丙烯填充绳[2]。
聚丙烯改性的添加剂材料种类较多，早期研究主要集中在云母以及滑石粉上，以后逐渐扩展到了其他材料。主要情况介绍如下：
（1）碳酸钙：价格低廉、来源丰富、无毒、无刺激性气味、白度好，易于着色、粒度分布均匀、能增进塑料色泽；同时本身是球形结构，对加工机械无磨损。
（2）硅酸盐类：包括滑石粉、云母等。滑石粉与云母均为片状结构，滑石粉的加入可提高聚丙烯的硬度以及电绝缘性能，而云母的加入可提高聚丙烯的耐热性、耐候性以及电绝缘性能。
（3）氢氧化铝：为白色粉末，热分解会吸收大量的热，无挥发性、无毒。氢氧化铝的加入可提高聚丙烯的阻燃特性、电绝缘性以及消烟性。
（4）其他材料：如炭黑、木粉、废纸等，都可作为添加剂加到聚丙烯填充绳的生产中，从而提高材料的性能。
2 不同配方填充绳的性能研究
电缆行业中要求使用的非吸湿性聚丙烯填充绳一般都含有部分添加剂。填充绳吸水性能主要取决于其中聚丙烯含量的多少，聚丙烯含量越高，越不易吸潮。随着填充绳价格越来越低，为了节约成本，厂家会降低聚丙烯的含量，添加更多的其他辅助材料。
2.1 配方对力学性能的影响
目前，大部分企业使用的是1:6 配方的PP 填充绳（1 份聚丙烯，6 份辅料，下同），甚至使用1:8，1:10 的填充绳。分别取直径为20mm，相同长度的1:6；1:2；1:1 和1:0 这四种配方的单股填充绳进行了力学性能测试，实验结果见表1。
表1 不同配方单股填充绳的力学性能比较
从表中可看出，随着聚丙烯含量的增加，同种规格相同长度的填充绳，重量明显减少，单股填充绳的断裂力明显增加。这是因为填充绳中聚丙烯强度高，结构连续，而其他添加剂如碳酸钙（CaCO3），滑石粉以及硫酸钙（CaSO4）主要以固体粉末颗粒存在于填充绳中，与聚丙烯相容性差，结合不牢[3]，同时添加剂本身结构不连续，会降低本身的拉伸强度，因此聚丙烯含量越高，强度越大；聚丙烯含量越低，强度越小。同时由于添加剂的形态主要为固体粉末颗粒，因此当添加剂含量较高时，缆芯表面常会沾有白色粉状物。
2.2 配方对吸水性能的影响
分别取1:6；1:2；1:1 和1:0 这四种配方的填充绳全部浸于水中20s 以及1 分钟，对比浸水前后的重量，进行分析，结果见表2：
表2 不同配方单股填充绳的吸水性能比较
从表中数据可看出，1:0-1:2，这三种填充绳浸水20s 以及1分钟，重量基本无变化，而1:6 的填充绳变化较明显，说明聚丙烯含量越高，水份越易达到饱和，从而降低其吸水性。两次浸水，1:0配方的填充绳，其水份增加比最低，只有4.2%；1:6 配方的填充绳，其水份增加比最高，达到19.5%。
2.3 配方对电缆圆整度的影响
由于配方的不同，这四种配方的填充绳也呈现出不一样的外观，见图1：
图1
图中从左到右，依次为1:6；1:2；1:1；1:0 填充绳的外观。1:6表面较白，这是滑石粉、碳酸钙等添加剂较多的缘故，滑石粉、碳酸钙等物质可有效地改进填充绳表面的白度，添加剂越多，表面越白，并且摸上去会有一层粉末。而1:0 表面较透明，这是因为聚丙烯含量很高，呈现塑料特性。
我们在生产过程中发现，同样使用3 根直径20 的填充绳，用1:2或1:1 配方的填充绳成缆时圆整度较好，而1:6 配方的，则较差。经分析，1:2 或1:1 配方的填充绳，聚丙烯含量高，添加剂含量低，更易蓬松，填满缝隙，而1:6 的，添加剂较多，易结成块，无法彻底铺开，导致成缆圆整度较差。
2.4 配方对铜带屏蔽表面的影响
将这四种配方的填充绳存放时间超过30 天（期间有潮湿天气）进行成缆试验，一周后观察绝缘线芯表面的铜带外观情况，发现使用1:6 配方的填充绳与之接触的铜带已发黑，出现较严重的氧化现象。而使用另三种配方的填充绳，对铜带表面基本无影响。配方的不同，填充绳的吸湿性有明显的区别，聚丙烯含量越高，越不易吸潮，对铜带屏蔽层的影响越小。
3 结语
聚丙烯填充绳的生产配方不同，其力学性能、吸水性能、对电缆圆整度的影响以及对铜带表面的影响都存在明显差异。聚丙烯含量越高，填充绳质量越轻，越不易吸潮，对铜带表面影响较小，结构蓬松，成缆圆整，但同时成本也随之增加，因此在进行材料选择时，需要综合多方面因素，进行配方选择。
