通信電纜交聯聚乙烯材料耐濕熱性能研究

李森林 ，何 凱 ，劉宇舜，嚴 波，郭可貴

（1國網安徽電科院，安徽合肥 230601；2國網合肥供電公司，安徽合肥 230022；3國網安徽省電力有限公司，安徽合肥230022）

聚乙烯是一種高質量、低成本、使用范圍較廣的高分子材料。在薄膜、管道、電線電纜、日用品的制作中較為常見[1]，也能夠使用在雷達和電視等高頻絕緣材料中。聚乙烯（PE）交聯技術屬于聚乙烯改性的核心方法，交聯后的聚乙烯與常規聚乙烯對比后，前者具有顯著的電絕緣性能與機械性能，且耐磨性較好[2]。聚乙烯交聯方法由輻射交聯法與化學交聯法構成，化學交聯法包含過氧化物交聯法與硅烷交聯法。輻照[3]交聯和過氧化物交聯法均具有某些缺點，例如交聯設施昂貴和工藝操作難度大，勞動保護措施需求大等，但硅烷交聯PE技術能夠克服此類缺點[4]。為了分析通信電纜交聯聚乙烯材料耐濕熱性能，本文使用硅烷交聯聚乙烯技術，制造通信電纜交聯聚乙烯材料。硅烷交聯聚乙烯在電線電纜、熱收縮套管等功能性材料中的使用較多，特別是城鄉電網改造，硅烷交聯聚乙烯憑借自己卓越的應用性能，在電力電纜生產中大量使用[5]。本文在通過硅烷交聯聚乙烯技術獲取通信電纜交聯聚乙烯材料后，對通信電纜交聯聚乙烯材料實施耐濕熱性能檢測。

1 通信電纜交聯聚乙烯材料耐濕熱性能研究方法

1.1 硅烷交聯聚乙烯技術

硅烷交聯聚乙烯技術將聚乙烯材料和硅烷在反應混合器皿里實施接枝反應，讓硅烷接枝在聚乙烯鏈側端實施反應，并得到接枝共聚類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，將D料與C料實施混合，獲取通信電纜交聯聚乙烯材料[6-7]。制作流程如圖1所示。

圖1 通信電纜交聯聚乙烯材料制作流程Fig.1 Manufacturing process of cross linked polyethylene material for communication cable

1.2 測試方法

測試原料主要使用1.1小節獲取的通信電纜交聯聚乙烯材料。并在獲取的通信電纜交聯聚乙烯材料中分別加入聚乙烯基吡咯烷酮、混雜纖維增強環氧樹脂復合材料后，放在沸水里持續煮200h，以此模擬濕熱老化環境，分析材料耐濕熱性能[8]。

（1）加入聚乙烯基吡咯烷酮后材料耐濕熱性能測試方法

檢測通信電纜交聯聚乙烯材料的尺寸穩定性時，尺寸穩定性也可理解成因次穩定性，屬于通信電纜交聯聚乙烯材料在指定環境中的尺寸變動度，能夠體現通信電纜交聯聚乙烯材料在濕熱環境中，可以保持自身形狀和尺寸的性能[9-10]。為降低誤差，通過體積變動率代表通信電纜交聯聚乙烯材料尺寸穩定性[11]。

加入聚乙烯基吡咯烷酮后，通信電纜交聯聚乙烯材料的可彎曲強度、彎曲保持度在ZMG1材料檢測儀中根據GB2570-81實現檢測[12-13]。通信電纜交聯聚乙烯材料的沖擊強度通過XCj-50沖擊檢測儀獲取[12]。動態力學能力通過DMA檢測儀獲取。主要測試當聚乙烯基吡咯烷酮含量（質量分數）依次是0%、3 %、6%、9 %、12 %時，材料的可彎曲強度、彎曲保持度、抗沖擊強度、尺寸穩定性。

（2）加入混雜纖維增強環氧樹脂復合材料后材料耐濕熱性能測試方法

混雜纖維增強環氧樹脂復合材料[14]中的纖維主要是玻璃纖維+碳纖維+環氧樹脂。玻璃纖維來自泰山玻纖單位制造；碳纖維[15]來自日本東麗公司制造；環氧樹脂屬于無錫美華化工公司產品[16-17]。

測試當混雜纖維增強環氧樹脂復合材料厚度依次是6.6mm、8.6mm時，伴隨水煮時間的變動，材料的力學性能[18]。

2 結果分析

2.1 加入聚乙烯基吡咯烷酮后通信電纜交聯聚乙烯材料耐濕熱性能測試結果

圖2為濕熱老化對材料可彎曲強度的干擾分析結果。

圖2 濕熱老化對材料可彎曲強度的干擾分析結果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%時，材料的可彎曲強度出現最高值。但水煮后，在聚乙烯基吡咯烷酮含量是6%時，材料的可彎曲強度出現最高值。經測試可知，在濕熱老化環境中，加入6%聚乙烯基吡咯烷酮后通信電纜交聯聚乙烯材料的可彎曲強度最高。

根據圖2獲取通信電纜交聯聚乙烯材料彎曲強度保持率，結果見表1。

表1 通信電纜交聯聚乙烯材料彎曲強度保持率Table 1 Bending strength retention of XLPE material for communication cable

分析表1可知，材料彎曲強度保持率伴隨聚乙烯基吡咯烷酮含量變多出現先變多后變小的規律，但聚乙烯基吡咯烷酮大于6%時，保持率快速變小，如果聚乙烯基吡咯烷酮含量為12%，保持率為34.7%。經測試可知，在濕熱老化環境中，加入6%聚乙烯基吡咯烷酮后通信電纜交聯聚乙烯材料的彎曲保持率最高。

圖3是通信電纜交聯聚乙烯材料中加入聚乙烯基吡咯烷酮前后材料的抗沖擊強度的變動情況。

圖3 抗沖擊強度變動測試結果Fig.3 Test results of impact strength variation

分析圖3可知，通信電纜交聯聚乙烯材料中加入聚乙烯基吡咯烷酮后，含量為6%時，通信電纜交聯聚乙烯材料的抗沖擊強度最高。

表2是通信電纜交聯聚乙烯材料濕熱老化前后材料的介電性能測試結果。

表2 介電性能測試結果Table 2 Dielectric property test results

分析表2可知，對比之下，不管是否實施水煮濕熱老化，當聚乙烯基吡咯烷酮含量為6%時，材料的介電性能佳，介電損耗小。

表3為加入聚乙烯基吡咯烷酮后通信電纜交聯聚乙烯材料的尺寸穩定性測試結果。

表3 通信電纜交聯聚乙烯材料尺寸穩定性測試結果（單位：%）Table 3 Dimensional stability test results of cross linked polyethylene material for communication cable （unit：%）

分析表3可知，伴隨水煮時間的增多，加入聚乙烯基吡咯烷酮后，通信電纜交聯聚乙烯材料的尺寸穩定性存在一定變動，但當聚乙烯基吡咯烷酮含量是6%時，加入聚乙烯基吡咯烷酮后通信電纜交聯聚乙烯材料的尺寸穩定性最高。

2.2 加入混雜纖維增強環氧樹脂復合材料后通信電纜交聯聚乙烯材料耐濕熱性能測試結果

加入混雜纖維增強環氧樹脂復合材料后通信電纜交聯聚乙烯材料的力學性能見表4。

表4 加入混雜纖維增強環氧樹脂復合材料后材料力學性能測試結果Table 4 Test results of material mechanical properties after adding hybrid fiber reinforced epoxy resin composite

分析表4可知，水煮老化時，加入混雜纖維增強環氧樹脂復合材料后，通信電纜交聯聚乙烯材料的彎曲強度與彎曲模量沒有持續變小，存在一種起伏變動的趨勢。這是因為溫度、濕度與加入混雜纖維增強環氧樹脂復合材料后的通信電纜交聯聚乙烯材料性能利弊并存，致使其力學性能變差；此外，高溫讓材料里的樹脂固化水平變大，提升了力學性能。加入混雜纖維增強環氧樹脂復合材料后，通信電纜交聯聚乙烯材料在水氣的影響下，由于水可以讓基體溶脹塑化后蔓延至基體和纖維中間，致使基體強度變低，界面脫粘，層間剪切強度變差。加速濕熱老化時，層間剪切強度突顯材料性能。厚度是6.6mm與8.6mm的混雜纖維增強環氧樹脂復合材料的通信電纜交聯聚乙烯材料相比，6.6mm的材料可彎曲強度、彎曲模量以及剪切強度都大于8.6mm，耐老化性能較好。

濕熱老化時間和材料彎曲強度保留率詳情見表5。

表5 濕熱老化時間和可彎曲強度保留率的關系Table 5 Relationship between humid heat aging time and flexural strength retention

表5中，當加速濕熱老化200h后，6.6mm電纜材料可彎曲強度保留率大約是76%，但8.6mm電纜材料的保留率是75%。且不論水煮老化的時間是多久，6.6mm電纜材料的可彎曲強度保留率均大于8.6mm電纜材料。

表6是濕熱老化時間和材料剪切強度保留率的關系測試結果。

表6 濕熱老化時間和剪切強度保留率測試結果Table 6 Test results of wet heat aging time and shear strength retention

分析表6可知，加速濕熱老化200h后，6.6mm電纜芯剪切強度保留率是60%，但8.6mm電纜芯的保留率是57%。由此可見，含6.6mm混雜纖維增強環氧樹脂復合材料的通信電纜交聯聚乙烯材料在濕熱老化環境中的剪切強度保留率較高，耐濕熱性能最好。

3 結論

交聯聚乙烯電纜材料屬于一類具有有機過氧化物的聚乙烯，電氣性能優，介電損耗小。將其使用在通信電纜中，并研究通信電纜交聯聚乙烯材料耐濕熱性能，對電纜應用質量存在一定幫助。本文方法對此研究后可知，當在通信電纜電聯聚乙烯材料中加入6%聚乙烯基吡咯烷酮，或加入厚度為6.6mm混雜纖維增強環氧樹脂復合材料后，其在耐濕熱環境中的應用后性能最佳。