采用共擠技術提高絕緣電線的耐磨性能

文/量子化學有限公司/Ndiba Dioh/Jeff Borke

譯/北京斯普樂電線電纜有限公司/陳果

1 介紹

在電線電纜耐磨方面，已經有過許多研究，特別是在汽車行業和石油開采業，在近海石油工業中，電纜必須能夠抵御來自延伸到井里面的檢測工具的破壞。在汽車工業，耐磨要求處理主要是由于電線線束安裝或組裝的需要；為了避免由于直接或者間接的耐磨原因導致電線絕緣破壞使設計失效。理解耐磨的機理涉及到的每一個具體的系統是非常重要的。這通常涉及不同假定條件下的機械測試模型，例如：電纜與鋒利物體的刮擦。刮針和砂帶磨損試驗這兩種測試方法被使用。

22AWG交聯聚烯烴（ XLPE） 絕緣厚度為16mil（0.41mm）的標準尺寸電線被用在汽車引擎蓋下，諸如此類結構的電線已經符合所有的已經成功運行20多年的美國汽車工程規范。標準包括砂帶耐磨試驗，XLPE結構均符合標準的要求。然而，在國際市場，XLPE 絕緣電線采用鋼針進行耐磨測試的性能指標一直不能令人滿意，已經得到證實。

在本文中，我們涉及開發一個應用在汽車引擎蓋下，滿足鋼針耐磨要求的系統。任何給定的電線電纜系統的鋼針耐磨性能指標能夠通過增加絕緣厚度來實現，成本、重量、空間的限制通常會限制采用增加絕緣厚度這種途徑。在本文中，一個XLPE，HDPE電線的鋼針耐磨機構研究已經實施；其目的是為探索開發一種在給定的絕緣厚度，不犧牲性能指標，采用共擠技術的方式來提高刮針耐磨性能的這種可能性。

只要知道一些材料的基本力學性能，就可以用來預測任何給定的高分子材料制成的電纜的磨損性能的這種方法被提出。

2 實驗

本文研究的相關原材料的屬性包含在表1中，表中的兩種樹脂均由量子化工（Equistar chemicals LP）生產，不同的是分別應用于通信電纜和汽車電線電纜，樣品A是高密度聚乙烯樹脂，具有較低的收縮性能，適合用作通信電纜的絕緣層，樣品B是無鹵阻燃交聯聚烯烴混合物，適合用于低壓汽車電線電纜絕緣。XLPE樣品含有機無鹵阻燃劑填充劑，兩種樹脂采用傳統的擠出設備進行加工。然而，對于樣品B，需要有連續交聯管道。對于樣品A和B，加工的融化溫度大約分別是253℃和122℃。

耐刮針磨試驗設備采用的是TVAB型試驗儀器，刮針耐磨試驗設備的鋼針直徑為45mil (1.14mm)，如圖1所示，鋼針的縱軸方向垂直于測試電線的方向，當線夾第一次夾住電線放下后試驗開始，鋼針以60Hz的頻率，25.4mm的振幅來回擺動。如圖1所示，試驗時在鋼針上施加7N的荷載到絕緣上，電線的耐磨性能決定于電線絕緣被鋼針磨破后接觸時擺動的次數，電線在導體與鋼針之間短路后設備自動停止計數，現行的鋼針耐磨試驗技術要求是超過200次后失效。

本次研究的所有電線是以548.64m/min的速度在普通生產線上生產，對于共擠樣品，采用兩個步驟，第一步在連續交聯生產線上擠出10mil(0.25mm)厚的22AWG的XLPE絕緣結構。電線成圈，下一步在外面擠出一層3mil(0.08mm)厚的HDPE。

表1 目前研究的樹脂的機械性能

3 結果與討論

XLPE,HDPE和共擠結構樣品的耐刮針磨試驗結論如圖2所示，從圖2中可以得出下列令人關注的觀察結果：

（1） 16mil（0.41mm）厚HDPE樣品1363次刮磨后失效，遠遠大于要求的200次，因此，相同的絕緣厚度，相比XLPE 樣品而言，HDPE有的刮針耐磨性能大大優于XLPE樣品。

（2）絕緣厚度為 13mil(0.33mm)的共擠結構的樣品經過843次刮磨后失效。符合200次的要求；事實上,在如此薄的絕緣厚度里， 正如第2部分所提到的， 多層結構包含由10mil (0.25mm)厚XLPE的內層絕緣和3mil (0.08mm)厚HDPE外層絕緣 。 值 得 關 注 的 是10Mil(0.25mm)厚的XLPE 絕緣樣品經過45次刮磨后失效 和3Mil(0.08mm)厚 的HDPE絕緣樣品經過5次刮磨后失效，然而，這種組合的系統是比任何單個自身結構更有耐磨的效果。

（3）正如我們預料的一樣，耐刮磨性能與絕緣厚度有關，薄絕緣比厚絕緣的耐磨性能差。

絕緣厚度均為16mil(0.41mm)時，HDPE結構比XLPE結構在某種程度上性能優異的一種解釋是兩種樹脂中具有的柔量不同，如表1所示，HDPE樹脂有較低的柔量，經過測試過程顯示，由于施加相同的7N的力，鋼針在XLPE絕緣中穿透得更深。因此，當鋼針來回擺動時，更容易導致XLPE絕緣層的破壞，由此看來，采用小直徑的鋼針應該會增加破壞的效果和增加磨損率，這是因為兩個鋼針的法向力相同， 細鋼針的絕緣上承受更高的應力，滲透到絕緣的更深處，因此產生更大的破壞，獲得的數據顯示，細鋼針具有很高的磨損率，如圖3所示。電線的柔量在耐磨機理中扮演一個重要的角色。

HDPE絕緣電線比XLPE絕緣耐磨性能更優異的更進一步的解釋是相互的摩擦機理明顯不同。 絕緣厚度均為16mil(0.41mm) 的XLPE絕緣樣品和HDPE樣品的電子掃描顯微鏡刮磨面的圖片如圖4和圖5所示。

圖4和圖5是經過5次刮磨測試后電子顯微鏡顯示的圖片，可以看到，兩種電線表現出高分子材料在嚴重的磨損時的典型的脊線模式[1]。它的特征是一系列的成直角的滑動方向的凸脊，鋼針在絕緣上來回擺動，磨損主要是發生在山脊底部的裂紋擴展，在這個過程中，微小規模的斷裂過程發生。包括相當大的碎料從凸脊的邊緣分離。在高填充的混合物中，由于其磨損特性，分離的碎片更容易導致更嚴重的磨損[2]。

由此可得出具有較好的抵御裂紋擴展的材料很有可能會具有較好的耐刮磨性，因此，雖然XLPE和HDPE體現出類似磨損模式（至少在測試的初始階段），HDPE的裂紋擴展性能優于高填充的XLPE，導致具有更好的耐刮磨性能。

圖6是經過5次刮磨后采用共擠工藝樣品的電子顯微圖片。與單層絕緣層結構不同，共擠樣品的表面經過5次刮磨后無明顯的破壞。使用HDPE絕緣的表面優于XLPE絕緣表面，因此，延長了對絕緣表面初始階段的破壞，以致觀察到耐刮磨性能提高，盡管存在于復合絕緣層結構的機理還沒有完全弄明白。可以認為與存在于絕緣內外表面的破壞區域有關[3]。

在鋼針刮磨測試過程中，施加在絕緣表面的法向力在鋼針與絕緣接觸面堅硬材料處產生一個破壞區，這個法向力在電線的導體與絕緣內側也產生另外一個破壞區（圖7）。由于絕緣厚度變薄，內外破壞區域重疊，結果，位于導體和測試電線絕緣之間的大部分材料超過本身的屈服點，體現出很低的彈性模量，很高的柔量，結果是鋼針深深地滲透進絕緣，導致絕緣產生更嚴重的破壞。顯然，絕緣厚度達到某個數值，內外破壞區域將重疊，導致嚴重的磨損破壞，表現出高的磨損率，這在表8的數據中已經得到證實。在目前試驗中，薄絕緣的樣品表現出的磨損率至少比厚絕緣樣品高一個數量級。值得注意的是，在XPLE外面擠出一層HDPE，這種共擠結構的磨損率與相同絕緣厚度單一HDPE結構磨損率類似。

給出一個準確的計算鋼針刮磨破壞區域大小的計算模型是很困難的，需要采用數據有限元或有限體積方法。然而，為比較材料的相關性能，采用塑性區域大小作為破壞區域的缺陷的尺寸標志。塑性區定義為裂縫末端周圍的材料屈服可以預測的區域[4]。

在等式（1）中，Rp為塑料破壞區的尺寸，E，Gc和σ y分別為材料本身的楊氏模量、能量釋放率和屈服應力。能量釋放率是一個測量材料的斷裂韌度測量數值。參數Rp，取決于單個材料的柔量數值，韌性和材料的屈服應力值，鋼針刮磨的這些機械特性綜合影響可以通過分析耐磨試驗中塑性區域的尺寸來研究。

許多常見的高分子材料的E，Gc和σ y在文獻中也很容易查到, 鋼針耐磨數據已經獲得。圖9是所研究的聚合物計算塑性區尺寸。圖10是相應材料采用絕緣厚度為10mil(0.25mm) 22AWG電線的剛針刮磨的試驗值，顯然，像 PVC,聚丙烯和尼龍具有很小的塑性區尺寸，體現出比較好的鋼針耐磨性能。鋼針耐磨性能能夠通過一個參數Rp來預測，Rp主要與材料的柔量，韌性，屈服應力有關。這與應用在目前工作的結論一致，目前工作結論表明材料的柔量，韌性影響XLPE和HDPE絕緣電線的鋼針刮磨性能。

圖9和圖10所反映的結果是由上述列出的材料機械特性和每個特性與耐磨性的關系得出的。結果表明鋼針耐磨性能與單個機械性能存在關聯，然而，最恰當的相互關系是將上述所有機械特性都集中體現在塑性區域這個定義中。

4 結論

研究數據表明XLPE 絕緣電線的刮針耐磨性能差的缺點能夠通過在單個XLPE絕緣層結構外面擠出一層HDPE外層來解決，刮針耐磨性的這項改進歸咎于對撕裂機理臨時抑制，否則會迅速磨損。另外，研究表明，高分子材料電線絕緣的磨損率與絕緣厚度緊密關聯，薄絕緣相對于厚絕緣而言體現出較高的磨損。最后，結論顯示，單一參數如塑性區域尺寸與絕緣材料的剛度，韌性，屈服應力有關，塑性區域尺寸能夠用來預測刮針耐磨性能。

[1]Andrews E H.Developments in Polymer Fracture[M].London:Applied Science Publishers Ltd,1979:173.

[2]Symonds N,Mellor B G.Polymeric coatings for impact and wear resistance[J].Wear, 1999,111(1):225-229.

[3]Kinloch A J,Young R J. Fracture behavior of polymers[M].London: Applied Science Publishers,1983:91.

[4]Howatson A M,Lund P G,Todd J D.Engineering tables and data[M]. 2nd ed.London: Chapman and Hall,1991.