【鲁缆学堂】一文了解辐照交联电缆的绝缘材料

【鲁缆学堂】一文了解辐照交联电缆的绝缘材料

采用辐射交联法生产的电线电缆具有耐热、耐磨、耐腐蚀、抗拉强度高、耐烙铁等特点。 与其他交联加工方法相比，绝缘性能更好，并且不会受到未反应催化的影响。 它可以导致聚合物的降解，提高电性能、耐热老化性能和材料稳定性。 辐照交联是各种软电线、电气设备电缆、耐高温阻燃电线电缆的理想工艺方法和生产方法。

大多数电缆的绝缘材料不仅必须具有高的绝缘电阻、耐压强度或低介电损耗，而且还必须具有良好的物理机械性能，如抗拉、抗弯、抗振、抗扭等。辐射交联电缆主要有聚氯乙烯、氟塑料、交联聚乙烯、聚丙烯、交联三元乙丙橡胶等。

1、含卤绝缘材料

(1)聚氯乙烯(PVC)绝缘材料

PVC绝缘材料是按不同配方添加到PVC粉料中的定量增塑剂、稳定剂、阻燃剂、润滑剂等添加剂的混合物。 经过几十年的生产和使用，PVC的制造、配方调整和加工技术已经非常成熟，针对电缆的不同应用和不同特性要求。 聚氯乙烯绝缘电缆以其优良的加工性能和低廉的成本，广泛应用于家用电器、机械设备、网络通讯、建筑布线等领域，并具有显着的性能特点：

1、制造技术成熟，易于成型加工。 与其他类型的电缆绝缘材料相比，不仅成本低，而且在电线表面色差、哑光、印刷、加工效率、软硬度、导体附着力以及机械、物理和物理性能等方面都可以使用。电线本身的电气特性。 有效控制。

2、具有非常好的阻燃性能，因此聚氯乙烯绝缘电线很容易达到各种标准规定的阻燃级别。

3、额定电压方面，一般用于额定1000V交流及以下电压等级。

PVC也有其自身的一些缺点，限制了其使用，主要有：

1、由于含有大量氯，燃烧时会放出大量浓烟，造成窒息，影响能见度，并产生一些致癌物质和HC1气体，对环境造成严重危害。 随着低烟无卤绝缘材料制造技术的发展，逐步取代传统的PVC绝缘已成为电缆发展的必然趋势。

2、普通PVC绝缘耐酸碱、耐热油、耐有机溶剂性能较差。 根据相似相溶的化学原理，PVC电线在特定的环境下很容易损坏、破裂。

对此，普遍对材料配方进行优化和改进，将普通热塑性PVC通过辐照交联加工转变为不溶性热固性塑料，使其分子结构更加稳定，提高绝缘机械强度，提高短路温度。最高可升高250℃。

PVC在辐照加工时，当辐照剂量过高时会发生分解。 纯PVC分子进行辐射交联时，会因脱氯化氢、断键反应和变色而难以获得有价值的材料。 添加多官能不饱和单体的敏化剂，可以减少PVC分子链的断键和变色，有利于交联的形成。 互联网做出了巨大的贡献。

在TMPTM、TMPTA等多官能单体存在下，PVC经小于10kGy的剂量辐照后性能大幅提高。 可用作绝缘材料和各种管道配件（如制备耐热105℃的阻燃电缆）。 当辐射剂量较高时，添加敏化剂的体系凝胶含量比不添加敏化剂的体系高5%~10%； 达到相同的凝胶含量，系统添加敏化剂所需的辐射剂量较小，并且敏化剂的添加在增加凝胶含量的同时可减少50%以上的辐射剂量。 辐射剂量的减少可以避免剂量过高时材料温度升高造成的缺陷。 目前PVC绝缘材料的发展方向主要有软质交联PVC电缆料、透明电缆料和无铅PVC电缆料。

(2)氟塑料

氟塑料系列绝缘材料广泛应用于电缆领域，如PTFE、ETFE、PVDF等，各方面性能突出。 其中PTFE可在200℃环境下长期工作。 其重量轻、优异的耐腐蚀性和机械性能，以及优异的介电性能和抗渗透性能使其广泛应用于航空、航天领域。

大多数氟塑料，特别是聚四氟乙烯，通常被认为是可辐射降解的材料。 PTFE在不同条件下可发生裂解，生成PTFE微粉。 当温度高于PTFE的熔点，即330℃～340℃之间，并在真空或惰性气氛中进行辐照时，可以实现PTFE的交联。 交联PTFE材料的耐辐射性能大大提高，耐磨性也得到提高。 它正好弥补了非交联PTFE材料的缺点。 然而，由于PTFE目前只能在熔融状态下交联，因此交联PTFE在电缆中的应用受到了限制。

在其他氟塑料品种中，ETFE和PVDF具有良好的耐辐射性能，但其使用温度比PTFB低。 辐照交联后，可提高其使用温度。 例如ETFE线材，经过电子束交联后，其温度水平可以从150℃升至200℃，而其他优良特性保持不变。 XL-ETFE 绝缘电线是当今航空中最常用的两种主要电线类型之一。

XL-ETFE绝缘电线采用特殊的可交联ETFE绝缘材料制成。 挤出成线材后，通过电子束照射进行交联。 ETFE分子中含有乙烯结构单元，因此在辐照下有交联的倾向。 但交联程度不够，需要添加特殊的交联敏化剂来促进交联。 另外，ETFE辐射交联过程受氧气氛影响，交联度不稳定。 在惰性气体气氛中较高温度下进行辐射交联有利于线材交联的稳定性。

与普通PE、PVC电缆相比，氟塑料电缆具有以下突出优点：

1.耐高温

氟塑料具有非凡的热稳定性，氟塑料电缆可适应150℃~250℃的高温环境。 也就是说，在导体截面相同的条件下，氟塑料电缆可以传输更大的允许电流，从而大大增加了该类绝缘电线的使用范围。 由于这种独特的性能，氟塑料电缆可用于飞机、船舶、高温炉以及电子设备的内部布线和引出线。

2、阻燃性好

氟塑料的氧指数较高，一般不易燃烧。 燃烧时火焰蔓延范围小。 用其制成的电线适用于对阻燃性要求严格的工具和场所。 例如：计算机网络、地铁、车辆、飞机等公共场所等。一旦发生火灾，人们可以远离一定时间，以实现安全疏散和急救。

3、优良的电气性能

与PE相比，氟塑料的介电常数较低。 因此，与类似结构的同轴电缆相比，氟塑料电缆的衰减更小，更适合高频信号传输。 如今，更频繁地使用电缆已成为一种趋势。 同时，由于氟塑料能耐高温，因此常被用作传输通讯设备的内部布线、无线传输馈线与发射机之间的跳线以及视频、音频线等。 另外，氟塑料电缆具有良好的介电强度和绝缘电阻，适合用作重要仪表的控制电缆。

4、优良的机械性能和化学性能

氟塑料化学键能高，稳定性高，几乎不受温度变化的影响，具有优良的耐天候老化性能和机械强度； 且不受各种酸、碱和有机溶剂的影响。 因此适用于气候变化较大、有腐蚀环境的环境，如石化、炼油、油井仪表控制等。

5.方便焊接连接

在电子仪器中，许多接线都是通过焊接方法连接的。 由于一般塑料的熔化温度较低，在高温下容易熔化，因此需要熟练的焊接技术，有些焊点必须有一定的焊接时间。 这也成为氟塑料电缆受欢迎的原因，例如通信设备和电子仪器的内部布线。

氟塑料也有一些缺点限制了其使用：

1、氟塑料原材料价格昂贵。 目前国内生产主要依赖进口（日本大金、美国杜邦）。 尽管近年来国内氟塑料生产行业发展迅速，但生产品种较为单一，材料的热稳定性较差，其他综合性能与进口材料仍有一定差距。

2、与其他绝缘材料相比，生产工艺难度较大，生产效率低，印刷容易脱落，损耗较大，使其生产成本较高。

3、PTFE氟塑料的耐辐射性能较差。 例如：在常温或有空气存在的情况下，当辐照剂量达到几兆拉德时，加速器电子束辐照可使PTFE分子的碳主链断裂，导致PTPE龟裂，PTFE迅速分解。

2、无卤绝缘材料

(1)交联低烟无卤聚乙烯(XLPE)绝缘材料

以聚乙烯（PE）和乙烯醋酸乙烯酯（EVA）为基体，添加无卤阻燃剂、润滑剂、抗氧剂等各种添加剂，通过炼胶造粒，制成聚乙烯绝缘材料。 聚乙烯受辐照后，可以从线性分子结构转变为三维结构。 同时，热塑性塑料转化为不溶性热固性塑料。 与普通热塑性聚乙烯相比，交联聚乙烯绝缘电缆具有以下优点：

1、提高热变形抗力，提高高温下的机械性能，提高抗环境应力开裂和热老化性能。

2、增强化学稳定性和耐溶剂性，减少冷流，基本保持原有的电性能，长期工作温度可达125℃和150℃。 聚乙烯交联后，其短路温度可提高至250℃。 对于相同粗细的电缆，交联聚乙烯的载流量会显着增加。

3.XLPE绝缘电缆还具有优良的机械、防水和耐辐射性能，因此具有广泛的应用范围。 如：电气内部连接线、电机引线、照明引线、汽车低压信号控制线、机车电线、地铁电缆、矿用环保电缆、船用电缆、核电站1E级电缆、潜水泵电缆、电力电缆等。传输电缆等行业。

目前，交联聚乙烯绝缘材料的发展方向主要有辐射交联聚乙烯电力电缆绝缘材料、辐射交联聚乙烯架空绝缘材料、辐射交联阻燃聚烯烃护套材料等。

(2)交联聚丙烯(XL-PP)绝缘材料

聚丙烯（PP）作为通用塑料，具有质轻、原料来源丰富、性价比优越、耐化学性优良、易于成型、可回收等特点。 但由于电缆强度低、耐热性差、收缩变形大、抗蠕变性差、低温脆性、耐热氧老化性差等缺陷，使电缆的应用受到很大限制。 科学研究人员一直关注聚丙烯。 对材料进行改性，提高材料的综合性能，辐射交联改性聚丙烯（XL-PP）有效地克服了这些问题。 研究结果表明，XL-PP绝缘电线能够满足UL VW-1燃烧试验和UL额定150℃电线的标准要求。 同时，额定温度下的机械性能，如拉伸强度和UL切通测试均优于AC电线。 耦合聚丙烯绝缘。

聚丙烯辐射交联改性的缺点是PP辐射交联时，形成不饱和端基的裂解反应与激发分子与大分子自由基之间的交联反应之间存在竞争反应。 当辐射剂量小时，裂解占主导地位，而在高剂量时，交联的增加占主导地位。 多项研究表明，PP进行辐射交联时，由于降解和交联同时发生，其交联效率很低。 例如，等规PP经y射线照射后，降解与交联反应的比例为0.8。 为了使PP发生有效的交联反应，需要添加交联促进剂进行辐射交联。 同时，有效交联厚度还受到电子射线穿透能力的限制。 辐照过程中残余电荷因产生气体而发泡，只利于薄产品的交联，限制了其在厚壁电缆上的使用。

(3)交联乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(XL-EVA)绝缘材料

随着人们对电缆的安全性要求越来越高，无卤阻燃交联电缆正在迅速发展。 与聚乙烯相比，EVA由于分子链中引入了醋酸乙烯单体，降低了结晶度，提高了柔韧性、抗冲击性、填料相容性和热封性能。 一般来说，EVA树脂的性能主要取决于分子链中乙酸乙烯酯的含量。 由于可以调整组成成分的比例以满足不同的应用需要，因此醋酸乙烯酯的含量越高，透明度、柔软度和韧性就越大。 EVA树脂具有良好的填料耐受性和交联性，因此越来越多地应用于无卤阻燃交联电缆中。 此外，EVA树脂还用于制作一些特种电缆的护套。 电线电缆用EVA树脂的醋酸乙烯含量一般为12%～24%。 在实际电缆应用中，常将EVA与PE、PVC、PP等共混，以调节电缆绝缘层的性能。 在共混材料中，EVA组分可以促进交联，使交联后电缆的性能得到改善。

(4)交联三元乙丙橡胶(XL-EPDM)绝缘材料

XL-EPDM是乙烯、丙烯和非共轭二烯的三元共聚物，通过辐射交联。 XL-EPDM电线综合了聚烯烃绝缘电线和普通橡胶绝缘电线的优点：

1、柔软、有弹性、有弹性、高温不粘、长期耐老化、耐恶劣气候（-60℃~125℃）。

2、耐臭氧、耐紫外线、耐电绝缘、耐化学腐蚀。

3、耐油、耐溶剂性能与通用氯丁橡胶绝缘相当。 采用普通热挤压加工设备即可生产，采用辐射交联，加工方便，成本低。

XL-EPDM绝缘电线应用广泛。 过去常用于35kV以下电力电缆和船用电缆的绝缘。 现在它们已被这种材料所取代。 还用于制冷压缩机引线、汽车、防水电机引线、变压器引线、矿用移动电缆等，应用于钻井、医疗设备等领域。

XL-EPDM电缆的主要缺点是：

1、抗撕裂性能差。

2、粘合性、自粘性较差，影响后续加工。

(5)硅橡胶绝缘材料

硅橡胶质地柔软，耐臭氧、耐电晕、阻燃，具有良好的绝缘性能。 其在电气工业中的主要应用是电线和电缆。 硅橡胶电线电缆特别适合在高温和恶劣环境下使用，其寿命比普通电缆长很多。 通用硅橡胶绝缘电缆目前应用于高温电机、变压器、发电机、电子电气设备、交通车辆发动机上的点火电缆以及船用动力和控制电缆。

目前交联电缆中使用的硅橡胶绝缘电线一般采用常压热空气或高压蒸汽交联。 也有采用电子束辐照交联硅橡胶的研究，但尚未在电缆行业普及。 近年来，随着辐射交联技术的发展，辐射交联的成本更低，交联效率更高； 从环保的角度来看，它具有不可替代的优势。 因此，辐射交联技术在硅橡胶绝缘材料中的应用是交联硅橡胶电线未来的研究方向。