高強度高阻燃礦用電纜CPE護套材料及其制備方法

張 新， 董振園， 王雪飛， 廉 果， 王 昆， 江斌斌

(江蘇亨通電力電纜有限公司，江蘇蘇州215234)

0 引言

隨著露天煤礦和井下礦用電動采煤機械的發展，對礦用電纜的性能要求也更為嚴格，不僅要求電纜的絕緣層有優異的電氣性能，同時要求護套材料有優良的物理機械性能。礦井中不可避免地存在瓦斯氣體，有燃燒爆炸的危險，采礦井中需敷設數量很大的各種電纜來提供電能、控制信號和監測，要求電纜具有難燃和不延燃性能。

氯化聚乙烯(CPE)具有與氯丁橡膠(CR)和氯磺化聚乙烯(CSM)相近的性能，但CPE加工性能優良，不易焦燒，無粘輥現象，可生產外觀光滑致密的電線電纜，成品率很高。CPE具有耐候、耐油、阻燃和低溫柔軟性，在電纜工業中已普遍取代了CR和CSM，不僅降低成本、加工容易，而且提高了我國橡皮電纜的質量水平，耐溫等級從65℃提高到75～90℃等級，甚至到 105℃水平［1～3］。

1 試驗部分

1.1 主要原材料及生產廠

CPE，牌號135B，濰坊亞星有限公司;過氧化二異丙苯(DCP)，上海高橋石化精細化工有限公司;鈣鋅穩定劑，蘇州品正化工有限公司;沉淀法白炭黑，蘇州藏書建材有限公司;陶土，中國高嶺土有限公司(蘇州);分散劑，上海天留電纜材料有限公司;氧化鎂，邢臺神鎂化工有限公司;半補強炭黑，蘇州寶化炭黑有限公司;硫化促進劑TMPTMA，上海華仲榮貿易有限公司;52#氯化石蠟，上海合意貿易有限公司;其他原料均為市售。

CPE 135B主要性能指標如下:氯質量分數0.34～0.36;殘余結晶質量分數 ≤0.03;純膠拉伸強度≥8.5 MPa;熔融熱≤2 J/g;熱分解溫度 ＞165℃。

1.2 主要試驗儀器

雙輥筒開放式塑煉機(SK—160B型)，上海橡膠機械廠;平板硫化機(QLB—D型)，上海橡膠機械廠;GT270102AE型拉力強度試驗機，高鐵檢測儀器有限公司;門尼粘度儀，高鐵檢測儀器有限公司;硫化儀，高鐵檢測儀器有限公司;氧指數測定儀(HC—2CZ型)，南京市方山分析儀器設備廠。

1.3 性能測試

試樣性能按GB 7594—1987、MT 818—2009、GB 2951—2008標準進行測試。

2 結果與討論

2.1 CPE品種的選取

國內市場上銷售的CPE品種較多，質量、性質也有所差異。濰坊亞星生產的CPE135B性能穩定，殘留結晶度低、氯分布均勻、脫氯化氫溫度較高、起始時間長、耐熱性較好。配方相同的情況下亞星CPE135B強度和伸長率也較高，且CPE與其他合成橡膠相比價格較低(一般在12元/kg)，可以有效地降低混煉膠成本，因此我們選用了濰坊亞星的CPE135B。

2.2 硫化體系

CPE為主鏈飽和的橡膠，硫化劑可采用硫脲、有機過氧化物、多胺以及硅烷等，考慮到產品須具有良好的耐熱性能，采用過氧化物進行硫化。過氧化物交聯體系具有硫化溫度高、不易焦燒的特點，容易控制硫化速度，不污染，可以使硫化膠得到優良的機械性能，壓縮永久變形小，耐熱性、耐油性好。常用的過氧化物有 DCP、BIBP、TPB、BCPO、F-80、雙 2，5等，考慮到成本，配方體系選用DCP做硫化劑。

CPE采用過氧化物硫化體系時，配方中一般要添加具有官能團的共硫化劑。共硫化劑的加入，可大大加快硫化速度，提高交聯密度，改善硫化膠的耐溫性能。常用的共硫化劑有三聚氰酸三烯丙酯(TAC)、三聚異氰酸三烯丙酯(TAIC)、二甲基丙烯酸乙烯酯(EDMA)、二烯丙基異氰酸酯(DAIC)、苯二甲酸二烯丙酯(DAP)、三羥甲基三甲基丙烯酸酯(TMPTMA)等。

硫化劑及硫化助劑的用量對膠料的焦燒時間和硫化膠的機械性能有顯著影響，用量太多，在混煉及擠出加工過程中易焦燒;用量太少，硫化不充分，機械強度偏低，伸長率大。考慮到產品高抗撕性能，選用TMPTMA作為硫化促進劑，DCP用量為3.0份，TMPTMA為1.4份，可滿足產品性能及生產要求。

2.3 補強填充體系對抗撕強度的影響

加入填充材料可起到增大體積、降低成本，改善加工工藝，如減少半成品收縮率、提高半成品表面平整性、提高硫化膠硬度及定伸應力等作用，填料對未硫化膠的加工性能和硫化膠的物理機械性能及動態力學性能有很大影響。加入補強材料，滿足膠料的加工及性能要求。常用的補強填充劑有炭黑、白炭黑、煅燒陶土、碳酸鈣、滑石粉等。

從表1可以看出，白炭黑補強膠料的抗拉強度、撕裂強度和門尼粘度均較高;從補強效果上來看，輕質碳酸鈣、滑石粉的效果比較差，炭黑、白炭黑和高嶺土的效果較好;輕質碳酸鈣和高嶺土膠料的門尼粘度比較低，加工工藝較好;炭黑、滑石粉的門尼粘度相對較高，但均比白炭黑低;從抗撕強度上看，白炭黑最好，陶土的抗撕強度僅次于炭黑，但是門尼粘度要低很多。綜合考慮，將白炭黑和陶土并用，在提高抗撕強度的同時不會使門尼粘度太高，有利于加工和擠出。

表1 不同填料對硫化膠性能的影響

2.4 阻燃體系選擇

考慮到礦用電纜的使用環境，對其阻燃性能提出了很高的要求，氧指數標準規定一般不能低于35，本公司要求氧指數要大于38。為了達到這個目的，選用具有協效功能的阻燃劑共同使用，增加其阻燃性能。

選用 Sb2O3和氯化石蠟并用，同時選用Mg(OH)2和磷酸三甲苯酯并用，共同達到阻燃效果。Sb2O3可以和釋放出的HCl生成SbOCl，然后SbOCl進行熱分解，在吸取大量熱的同時生成SbCl3。SbCl3在火焰溫度下，分解出 Cl·游離基，與火焰中的活性H·、·OH等結合，起到抑制火焰的作用。同時SbOCl、SbCl3蒸汽比重大，附于物料表面，起到隔絕空氣的作用。并在火焰上空凝結成液滴或者固體微粒，能量在固體表面被消耗，使燃燒速度減慢或停止。磷酸三甲苯酯吸收Mg(OH)2分解釋放的大量水分，并受熱生成磷酸、偏磷酸、聚偏磷酸等，這些有氧酸可促使CPE脫水碳化，通過兩組具有協同效應的阻燃體系，可以使復合材料的氧指數達到43。成品電纜的負載燃燒續燃時間均小于4 min，炭化長度均小于150 mm。

2.5 防老劑和穩定劑

CPE是在主鏈上沒有雙鍵的含氯聚合物，具有良好的耐熱性，脫氯化氫的速度比聚氯乙烯慢。但在加工過程中，硫化管道溫度在190℃以上，長時間處于高溫，仍會產生HCl，故在配方中需加入HCl的吸收劑，以保證硫化的順利進行。另外，它在長期應用中受熱、氧、光等環境條件的影響，也會老化降解，故在配方中需使用穩定劑和防老劑。穩定劑的選擇，以前主要以鉛鹽為主，美國2001年3月已禁止含鉛線纜產品的進口和銷售，因此使用市場最新出現的鈣鋅復合穩定劑，有較好的穩定作用。根據膠料的工藝性能和老化性能要求，防老劑選用RD可以起到良好的防老化效果。

3 膠料的物理機械性能

3.1 物理機械性能

優化后膠料的物理機械性能見表2。

表2 混煉膠性能

3.2 混煉工藝

先將CPE在70～80℃密煉機中塑煉2～3 min;其次加入“小料”混煉3～4 min;最后加入白炭黑、煅燒陶土、滑石粉等2～3 min。密煉機溫度在90～100℃開始排料，將混煉膠在開煉機上薄通1～2次，并在擺膠裝置上擺膠2～3次，三輥壓延機壓延過粉箱后出片。混煉膠存放8 h后放入密煉機混煉，溫度在100℃以下加硫化劑DCP和硫化助劑TMPTMA，混煉1 min左右排料，開煉機薄通1～2次并機擺膠2～3次，三輥壓延機開條出片，經冷卻輥冷卻，過粉箱制得成品。

4 成品電纜護套性能

試制型號規格為MYPTJ-8.7/10 kV 3×50+3×25/3+3×2.5的橡皮絕緣電纜，電纜外徑約為57 mm，共生產5000 m，擠出在德國TROESTER冷喂料 120+ 90+ 70連續硫化擠橡機上進行，擠出機螺桿直徑150 mm，長徑比16∶1。

硫化管為不銹鋼管，長128 m，傾斜35 m，最高蒸汽壓力為2.0 MPa，溫度200℃左右，冷卻水槽長20 m。擠出機溫度分布:模口100～105℃，機頭90～95℃，喂料口45～50℃，機身一區70～75℃，機身二區80～85℃，螺桿45～50℃。擠出機各部位及螺桿的溫度均用模溫機加熱冷卻調節，擠出電纜外徑均勻一致，表面光滑，斷面沒有氣孔。該電纜的物理機械性能見表3。

表3 成品電纜護套性能

5 結論

(1)研制的橡皮絕緣電纜用CPE橡皮護套，性能完全滿足MT 818—2009《額定電壓8.7/10 kV及以下移動金屬屏蔽監視型軟電纜》的要求;成品電纜物理機械性能符合GB 7594.5—1987《電線電纜橡皮絕緣和橡皮護套》的要求。

(2)礦用電纜橡皮護套綜合性能良好，具有較好的抗撕和阻燃性能，且可有效地降低生產成本。

［1］白文業，徐東國，謝忠麟.氯化聚乙烯橡膠的性能、加工和應用［J］.特種橡膠制品，2002，23(1):22-28.

［2］沈 梅，聶 軍，張振秀，等.氯化聚乙烯橡膠CM135B補強填充體系的研究［J］.特種橡膠制品，2004，25(5):17-19.

［3］劉夢琴，謝 靜，苑立強.電線電纜用CPE彈性體配方研究［J］.彈性體，2005，5(2):51-54.