電線電纜用聚氯乙烯的氙燈加速老化性能研究

周良東

（福建省產品質量檢驗研究院，福建 福州 350002）

PVC樹脂具有優良的物理機械性和電絕緣性能，而且具有難燃、耐化學品腐蝕、耐油、耐水等特性，是電線電纜行業理想的絕緣和護套材料[1]。雖然正常的PVC結構是很穩定的，但聚合過程中的副反應會導致PVC的鏈結構在個別部位發生了變化，從而產生結構上的缺陷。大量研究表明，電線電纜用PVC在受到太陽光輻射時，PVC會降解而發生鏈式脫HCl，電纜料很容易變色和變脆而直至整體性能的惡化和喪失[2-3]。為了研究電線電纜用PVC的耐老化性能和預測其使用壽命，文中選用光譜和太陽光接近度最高的氙弧燈對電線電纜用PVC進行人工加速老化研究，對老化前后的電線電纜用PVC的性能進行分析和評價。

1 實驗部分

1.1 主要原材料和設備

電線電纜用PVC，H70，福建南平華陽電線電纜有限公司；

氙燈老化機，CI4000，美國亞太拉斯（Atlas）材料測試技術公司；

電子顯微鏡，E200-F+，日本尼康株式會社；

電子萬能試驗機，T1-FR020TN.A50，德國Zwick公司；

電壓擊穿試驗儀，HCDJC-100kV，北京華測試驗儀器有限公司；

體積、表面電阻率測試儀，HEST-200，北京華測試驗儀器有限公司；

氧指數測定儀：HC-2，南京江寧區分析儀器廠。

1.2 實驗方法

試片的制備按GB/T 8815《電線電纜用軟聚氯乙烯塑料》的規定進行，將粒料混后在165℃的塑煉機上煉塑8min，再在溫度為165℃的液壓機中按不加壓預熱、恒溫加壓、加壓冷卻的順序壓制17min后出模，厚度為1mm。

電線電纜用PVC的人工加速老化方法按ISO 4892.2中的A法進行，黑標準板溫度60℃，濕度50%，箱體溫度50℃；拉伸性能按GB/T 1040.3《塑料拉伸性能測試》的規定測試；20℃時體積電阻率按GB/T 1410《固體絕緣材料體積電阻率和表面電阻率試驗方法》的規定測試；介電強度按GB/T 1408.1《絕緣材料電氣強度試驗方法 第1部分：工頻下試驗》的規定測試；氧指數按GB/T 2406《塑料用氯指數法測定燃燒行為》的規定測試；200℃時熱穩定時間的測定按GB/T 8815《電線電纜用軟聚氯乙烯塑料》的規定測試；熱老化性能按GB/T 8815《電線電纜用軟聚氯乙烯塑料》的規定測試。

2 結果與討論

2.1 微觀形貌分析

從圖1可以看出，電線電纜用PVC經過人工老化后，表面出現了明顯的裂紋，隨著老化時間的延長，裂紋逐漸加深。經過1000h老化后，材料表面出現了較淺的裂紋，2000h老化后的材料表面立體感大幅加強，這說明電線電纜用PVC的老化是個由表往內的過程。

圖1 人工加速老化前后材料的微觀形貌

2.2 力學性能

由圖2可知，電線電纜用PVC的拉伸性能隨著老化時間的延長而下降，在老化時間為1000 h時，拉伸強度和拉斷伸長率的保持率分別為78.64%和77.13%。隨著老化的進一步進行，電纜料的性能逐漸下降，但趨勢逐步放緩。這是因為PVC材料的導熱性較差，PVC的降解只在與太陽光接觸的材料表面的一個薄層進行。老化剛開始時，PVC的老化速度較快，老化形成的粉末附著在材料表面形成了保護層，延緩了材料的進一步老化。按國標GB/T 8815對電纜料的老化后性能保持率的界定，老化后性能保持率低于80%即可視為材料不滿足使用要求。因此，從文中的試驗結果來看，普通用途電線電纜用PVC的人工加速老化時間定為1000h是較為合適的。

圖2 電線電纜用PVC經過不同人工加速老化時間的力學性能

2.3 體積電阻率和介電強度

從表1可以看出，電線電纜用PVC的體積電阻率隨著老化時間的延長而急劇下降，這是因為經過老化后的材料表面開裂形成了大量的細微裂紋，裂紋中殘留了大量水分而造成的。將老化后的材料擦干并晾置30min后，體積電阻率無明顯變化，這說明，在干燥狀態下人工加速老化對材料體積電阻率的影響不大。

表1 電線電纜用PVC經過不同人工加速老化時間的電性能

從圖3可以看出人工加速老化對材料介電強度無明顯影響，這是因為PVC的老化是個薄層老化的過程，老化形成的粉末仍然附著在材料表面，老化后的材料厚度變化并不明顯，表現為老化后材料的介電強度變化不明顯。

圖3 電線電纜用PVC經過不同人工加速老化時間的介電強度

2.4 阻燃性能

從圖4可以看出，隨著人工加速老化時間的延長，電線電纜用PVC的氧指數基本維持在一個范圍內波動，這說明人工加速老化對電線電纜用PVC的阻燃性能影響不大。這是因為電纜料的老化是典型的由表及里漸進的老化過程，有研究表明，PVC材料的老化層深度只有100μm，而發生強列破壞的僅在表面10μm的深度，而PVC材料的導熱性較差，對光和熱的傳遞也較為遲緩，HCl的脫出也只在材料與日光接觸的表面上進行。同時，材料表層在降解粉化后附著在材料表面對材料也有一定的遮蓋保護作用，粉化層在脫落后新一層出現后再進行新一層的老化，因此在材料的老化過程中，內層材料的性能相對穩定，表現為其阻燃性能變化不大。

圖4 電線電纜用PVC經過不同人工加速老化時間的阻燃性能

2.5 200℃熱穩定時間

電線電纜用PVC的200℃熱穩定時間是最重要的指標，體現的是電纜料耐熱、耐高溫的能力。穩定時間短，材料在使用時受熱就會快速分解，性能將嚴重降低。文中采用甘油為加熱介質，將粒狀電纜料放入試管后用膠塞塞住，置于200℃的甘油中加熱并開始計時，記錄剛果紅試紙下邊緣開始變藍時的時間為熱穩定時間。從表2可以看出，老化前的電線電纜用PVC具有良好的熱穩定性能，熱穩定時間超過260min，只要經過老化后，不論老化時間的長短，熱穩定時間均急劇下降。這是因為電纜料經老化后，曝曬面的PVC分子鏈上的雙鍵和支化點被活化形成了游離基，PVC在游離基的作用下產生連鎖反應脫去HCl而發生降解[4]。降解的結果使材料的分子量降低，熱穩定時間大幅降低。對于某些用途的電纜料，有針對性地改變配方，提高其熱穩定時間就顯得十分有必要。

表2 電線電纜用PVC經過不同人工加速老化時間后的200℃熱穩定時間

2.6 老化質量損失

電線電纜用PVC在老化后除拉伸性能保持率外，老化質量損失也是一項重要的評定指標。它的好壞可說明某溫度等級的電線電纜用PVC中所用的原材料是否適用于該溫度等級。若質量損失過大則說明材料在使用溫度下助劑易析出揮發，材料易變硬變脆而失去原有性能。如果90型PVC料熱失重只能滿足70型PVC料的失重量要求，那么90型料就無從談及90℃。從表2可以看出，隨著老化日光曝曬時間的延長，電線電纜用PVC老化質量損失大幅上升，在老化時間為1000h時，質量損失高達45.81g，這遠遠超出了業內一致認可的經熱老化試驗后質量損失不超過20g的指標。這可能是因為電線電纜用PVC在進行人工曝曬試驗時，電線電纜用PVC在有氧環境中不僅在經受著熱老化，同時還在進行光老化，光、熱和氧三因素的協同作用使得助劑揮發速度加快。助劑揮發也將使PVC的穩定性下降，使PVC分子發生降解和分子間的斷鏈交聯。降解的結果使材料的分子量降低，交聯的結果使材料的分子量增大，成網狀結構，脆性提高。在降解和交聯的互相競爭過程中，最后以其中一種占優勢而告終。

圖5 電線電纜用PVC經過不同人工加速老化時間的老化質量損失

3 結論

（1）電線電纜用PVC經人工加速老化后，其機械物理性能明顯下降。

（2）隨著人工加速老化時間的延長，電線電纜用PVC的機械物理性能變化明顯，當老化時間達到1000h時，材料的拉伸性能下降20%，質量損失達45.81g，200℃熱穩定時間急劇降低。

（3）人工加速老化對材料的介電強度、阻燃性能沒有明顯影響，按標準測試的老化后材料的20℃時體積電阻率急劇下降，但干燥后可恢復原值。