氯化聚乙烯在电线电缆中的应用

氯化聚乙烯在电线电缆中的应用-------------------------------------------------------------------------------由于氯化聚乙烯橡胶（CPE）的一系列优点：耐热耐油、耐臭氧和大气老化等，在国外已广泛应用于电线电缆，特别是护套材料。国内，早在九十年代初，当潍坊化工厂引进第二大CPE生产线投产后，上海电缆研究所作为全国线缆行业技术开发中心，曾召开过二次CPE应用技术交流会，当时提出，由于CPE与CR性能类似，因而建议在线缆行业内作CR的替代材料使用。但是几年来，却遇到了市场、技术、设备、标准等方面的问题，使CPE材料在电线电缆中的推广应用受到了限制。另外，国产CPE产品质量不稳定，生产规模小，货源不足等因素也制约了其在电线电缆行业的应用。近年来，通过生产各方及相关行业的共同努力下，国内已能生产出性能稳定的CPE产品，生产规模也上了一个台阶。山东潍坊亚星化工集团已建成年生产能力达到2.5万吨的生产线。另外，杭州科利化工有限公司生产CPE的能力也达3000吨/年。生产能力在1000吨/年以下的也有近十家生产单位，使得氯化聚乙烯的供应得到了保障。目前，由于惯用的氯丁橡胶货源紧缺，价格不断上扬，使产品成本增加。另外国外已有标准明确规定在某些特定的场合，不准使用氯丁橡胶线缆产品。所以CPE替代CR是迟早的问题。现在国内已有多家电线电缆厂家在着手研究开发应用氯化聚乙烯，并有厂家成功应用。本文就氯化聚乙烯的特点，氯化聚乙烯电线电缆的应用配方，氯化聚乙烯电线电缆的发展前景及我公司开发应用情况作简要介绍。一、氯化聚乙烯的性能特点氯化聚乙烯（简称CPE或CM），是由聚乙烯氯化改性而制得的高分子合成材料。由于其分子结构是线性饱和和无规则结构，所以具有优良的柔韧性，抗热老化性，耐气候和耐臭氧性。又由于分子结构中含有相当比例的氯元素，所以又使它具有良好的耐油，耐化学药品和阻燃性。氯化聚乙烯由于生产方法差异及原料聚乙烯品种的不同，其性能有较大的差。原料聚乙烯的品种含氯量、氯的分布状态及结晶性是影响其性能的主要因素。原料聚乙烯的品种及其性能支配着生成的氯化聚乙烯的加工性能及物理机械性能。氯化程度对氯化聚乙烯的影响很大，氯含量低于15%时是塑料；氯含量为16～24%是热塑性弹性体；氯含量为25～48%之间为橡胶状弹性体；氯含量为49～58%时为类似皮革的半弹性硬聚合物；氯含量高至73%时则成为脆性树脂。氯的分布状态及结晶性的不同，导致橡胶物性、加工性能等不同。二、氯化聚乙烯电线电缆的应用配方（一）氯化聚乙烯牌号的选择用作硫化胶的CPE牌号见表1。从胶料的挤出性能看B型的流动性远比A型好。而从抗张强度看，则A型比B型高。含氯量的高低直接影响电线电缆的阻燃性能，耐油性能和耐寒性能。残余结晶度的大小也会对电线电缆表面的光洁度和一些物理性能产生影响。因此一般根据工厂的设备状况，配方技术及产品性能指标和经济指标来选用氯化聚乙烯。表1硫化胶用CPE牌号、性能及主要优缺点牌号含氯量%残余结晶度%门尼粘度ML100℃1+4主要优缺点135A350～590～130强度高，硫化速度快，粘度大、流动性差，挤出表面差140B400～290～130强度低，硫化速度慢，粘度小、流动性好，挤出表面好135B350～290～130强度低，硫化速度快，粘度小、流动性好，挤出表面好240B4025—强度高，粘度大，表面硬度高适合辐照交联（二）硫化体系正常选用硫化体系，对于制得具有良好性能的氯化聚乙烯橡胶制品非常关键。由于氯化聚乙烯大分子结构中没有双键，而与仲碳原子键合的氯原子又不具有高度的反应活性，所以不能用传统的硫磺/促进剂硫化体系来进行硫化。CPE胶的硫化体系以选用有机过氧化物为主，同时配以丙烯酸酯类作交联助剂。这类硫化体系的优点是硫化胶的强度、回弹、耐热性及硫化特性都较好。其缺点是不能无压硫化，过氧化物有异味，硫化胶的抗撕强度低，CPE胶也可选用硫脲硫化体系硫化，而助交联剂则多采秋兰姆类。用硫脲硫化的优点是成品的抗撕强度高，比较适合做有抗撕要求的某些型号的矿用电缆，而硫磺化胶的耐热性、硫化特性则比较差。“二噻二唑”硫化体系也是CPE胶的有效硫化体系，它具有上述两个硫化体系的优点，克服了它们的缺点，而且硫化温度比过氧化物低。但由于价格昂贵，因而还未大量应用，目前仍以过氧化物硫化为主。（三）补强填充剂1、碳黑高耐磨碳黑对氯化聚乙烯有较好的补强效果，但胶的门尼粘度上升快，用量不能太大。半补强炉黑、热裂法碳黑，快压出碳黑等粒子较大的品种，对氯化聚乙烯也有较好的补强效果，且门尼粘度上升也较少，可以大量使用。2、无机填充剂氯化聚乙烯有较好的色稳定性，配合适当的白色填充剂，不但可以制成彩色电缆，而且对阻燃性有良好的改善作用。白碳黑补强性大，但门尼粘度高。滑石粉、轻质碳酸钙，活性碳酸钙、陶土等都可以在配方中使用。但在过氧化物硫化的CPE胶料中，应尽量避免使用酸性填充剂，因酸性填充剂会对过氧化物交联起负面影响。（四）增塑剂和软化剂由于国产CPE生胶粘度大，挤出流动性差，配方中需要添加大量的增塑剂以改善其流动性，CPE的溶解度参数为9.2—9.3，与其溶解度参数相近的增塑剂，如酯类增塑剂和石油系软化剂均可在配方中使用。氯化石蜡常常作CPE的阻燃增塑剂使用。另外也可在CPE胶中添加粘度较低的橡胶来降低其门尼粘度值和改善其流动性。乙丙胶、天然胶、丁腈胶以及氯丁胶等胶种对改善上述性能都有较好的效果，可根据两胶种耐热性能的匹配性，硫化体系的适应性及技术、经济要求等因素综合考虑进行选用。（五）稳定剂、防老剂铅类稳定剂，轻质氧化物、环氧型稳定剂均可作电线电缆用CPE胶的优良稳定剂。防老剂RD、MB以及抗氧剂AW-P、DLTP等均为常用的防老剂。（六）其他为满足加工性能及相关的物理机械性能，配方中还需添加加工助剂和氯化氢吸收剂等功能性助剂。三、氯化聚乙烯的工艺特点（一）混炼1、氯化聚乙烯的主链不含双键，机械塑料时主链不易切断，对其门尼粘度几乎没有影响，因此无需塑炼。2、CPE胶既适宜开炼机混炼，又适宜密炼机混炼。用开炼机混炼之前，由于CPE为粉状，需先将CPE在70℃至90℃开炼机上薄通塑炼成半透明状，再进行混炼。CPE胶用密炼机混炼时，混炼胶的温度应控制在130℃～150℃范围为宜。如果将过氧化物直接加到密炼机中进行混炼，则密炼机温度要控制在过氧化物“起硫”温度以下。另外，CPE胶用密炼机混炼时，应有足够的装胶容量，一般应在95%以上。（二）挤出CPE抗焦烧性良好，可以挤出表面光滑的线缆产品。挤出机螺杆长径比小于12时，挤出有相当的难度。采用热喂料挤出，可改善线缆表面质量。当长径比大于12时，冷挤、热剂均能挤出表面光滑的线缆。在挤出温度方面由于CPE流动性不如CR好，塑化不易，因此在挤出时，机身温度控制在75℃～85℃；机头温度控制在85℃～95℃为宜。（三）硫化CPE适用于管道连续硫化。为了保证生产效率，提高硫化温度是必要的，一般在1.2～2.0MPa蒸汽压力下可连续硫化。温度过低，硫化体系用量不足或者水冷却段太短或无水冷却段，则易产生气泡。另外，CPE属于热敏性材料，在挤出和硫化阶段都应控制温度，温度过高，则易产生气孔。四、氯化聚乙烯在线缆中应用的好处及其应用前景在电线电缆中应用氯化聚乙烯有以下几个方面的好处。（一）提高线缆产品的技术水平如前所述，CPE具有较全面的技术性能，如优良的阻燃性和耐油性，较好的物理机械性能，良好的耐热老化、耐臭氧、耐气候性能和良好的工艺混炼性能。它几乎不发生焦烧和长时间不变质的存贮性能，是良好的线缆材料。以往主要使用天然-丁苯胶作绝缘或护套，其最高长期工作温度只允许60℃或65℃。在使用氯丁胶时还经常出现焦烧、粘辊等这样或那样的质量问题，这些都较大的影响了橡缆技术水平的提高。CPE的长期工作温度是90℃，只要配方得当，其最高工作温度可达105℃。应用CPE可把橡缆的生产水平从65℃提高到国外发达国家的75～90℃甚至105℃的水平。CPE胶自身洁白如雪，因此无论用它作绝缘或护套，都可根据用户需要，做成色彩鲜丽的产品。而常规的天然胶、丁苯胶、氯丁胶、丁腈胶等由于自身泛黄，难以做出纯白或色彩美丽的产品。另外，通用的氯丁胶和氯磺化聚乙烯胶，在生产过程中存在单体和溶剂剧毒，挥发等难以解决的问题。在贮运和线缆生产中，又常发生焦烧和粘辊的问题。而对于CPE来说，这些令人头痛的问题几乎不存在。还有一点值得注意的就是氯化经营性用作低压绝缘时，不会污染铜芯，这无疑又提高了线缆技术水平的档次。（二）工艺适应广、成本低、效益化CPE混合胶用挤橡机挤出后，既能用高温进行热交联，也可在常温下用电子辐照的方法进行交联，而常规的氯丁胶是不能用电子辐照的方法进行交联的，常规的天然-丁苯胶更不宜采用辐照交联。CPE混合胶的成本计算与相近的CR混合胶进行比较，两种生胶的差价约3.5～4.5千元/吨，而以相同含胶量的混合胶比，则CPE比CR低1.2～1.5千元/吨。如将CR胶因易焦烧而产生较高比例的废品考虑进去，则CPE胶的成本比CR胶低得更多。CSM胶的成本比CR还要高。（三）对线缆产品结构的调整有好处就低压电线电缆而言，按用途分主要有建筑用线和电气装备线两类。在建筑用线中，早在六十年代前是天然胶绝缘编织涂沥青线。七十年代后至今，已被PVC塑料线完全取代。在电气装备线中的情况与建筑用线相类似，早先是天然胶的天下，七十年代后大部被PVC线缆取代。这种局面对线缆行业和用户选择都是既不科学又不合理的。现今，各种电气装备用线，尤其是蓬勃发展的家用电器所需的连接线缆，应改变目前被PVC塑料一统天下的局面，用橡胶线缆取代。因为橡胶线缆所特有的柔软，手感好，不怕火烫，不含熔化等优点是塑料电缆无法比拟的。由于CPE具有许多合成橡胶所没有的优点，因此，可将CPE大量用于制造家用电气软线及其它电气装备用软线缆。综上所述，CPE在线缆行业中的应用，即用CPE代替CR，在线缆行业是大势所趋的事。这不仅可以缓解CR的供需矛盾，大幅度降低线缆产品的成本，提高线缆行业的经济效益，而且对提高线缆产品的档次和实现线缆品种的多样化也具有深远的意义。五、氯化聚乙烯在我公司开发应用情况我公司已由技术开发部负责，就氯化聚乙烯在线缆行业的开发应用进行了大量的研究性试验工作，现在配方设计工作已基本完成。在力缆车间的支持与配合下，工艺性能试验也已告一段落。我公司曾于2000年12月份在力缆车间Φ115机组试制出了300/500V，3×1.5mm2,245IEC53（YZ）电缆，根据试制情况及成品电缆性能试验结果看，CPE胶生产工艺良好，产品表面光滑，生产效率高。产品物理机械性能优异，各项指标均达到了标准要求，我公司有望在2011年大量投入生产使用。就配方试验情况看，用CPE胶代替65℃、85℃、90℃级护套和各种电缆的彩色护套以及低压电线的绝缘材料是完全可以实现的。用CPE胶作机车电缆、潜油泵电缆、船缆及电机引接线等线缆产品的材料，也具有其独特的优点。