聚丙烯絕緣電纜的耐熱與耐寒

1.電纜的耐熱性
  聚丙烯電纜絕緣層在短期或長時間承受高溫或溫度劇變時能保持基本性能而維持正常使完的能力稱耐熱性。按材科承受高溫作用時間的長短分為短時耐熱性和長期耐熱性。
  短時耐熱性是指材料在高溫下是否出現(xiàn)軟化、變形、分解等現(xiàn)象，或者材料在熱態(tài)下的性能指標(biāo)的變化，即通常所說的熱變形性。長期耐熱性是指高分子材料處于一定溫度下，能否獲得預(yù)期壽命。通常用絕緣材料的耐熱等級、溫度指數(shù)、長期 高工作溫度來表示。它反映了電纜絕緣材料的熱穩(wěn)定性，常指抵抗熱氧老化性能。
  電線電纜用橡膠和塑料的耐熱性，一般是指高溫下的熱變形能力和抗氧化能力。

(1)高溫下材料熱變形能力(熱變形性)
  對于聚丙烯電纜，在軟化點之前聚丙烯電纜絕緣層基本處于玻璃態(tài)，其受力產(chǎn)生很小的彈性形變塑性形變，表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度、硬度。隨著溫度升高，大分子及鏈段熱運動加劇，表現(xiàn)為塑性增大，彈性降低，硬度降低。當(dāng)溫度升至軟化點時，很容易產(chǎn)生塑性變形。并很快轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài)。
  1)抗張強(qiáng)度（拉伸強(qiáng)度）     對于橡膠，在熱的作用下，機(jī)械性能的變化可大體分為三類。一類如天然橡膠、氨丁橡膠、丁苯橡膠，它們在室溫下均有較高的抗張強(qiáng)度。隨溫度升高，抗張強(qiáng)度隨溫度急劇下降。第二大類如丁基橡膠和硅橡膠。它們在室溫下抗張強(qiáng)度不高，但是溫度對其影響也不大。第三類是氟橡膠和氯磺化聚乙稀，它們的抗張強(qiáng)度在一定溫度時急劇下降，但繼續(xù)升溫時變化不大。而塑料抗張強(qiáng)度一般是隨溫度升高面逐漸降低，直至熔化。改性聚丙烯PI-2001D就是典型的這類材料。
  2)伸長率   隨溫度上升，橡膠的伸長率逐漸變小。而對于塑料，其伸長率一般先有上升再很快下降。改性聚丙烯絕緣料PI-2001D伸長率溫度曲線如圖。
  3)表面硬度      隨著溫度升高，橡膠類彈性材料硬度變化緩慢，但是仍然保持一定數(shù)值。對于熱塑性材料，特別是結(jié)晶聚合物如聚乙烯聚丙烯，當(dāng)溫度升高到某一數(shù)值時，硬度會急劇下降，以致*軟化或融化。電線電纜在使用過程中不可避免會發(fā)生短時過載和短路的現(xiàn)象，使絕緣層溫度上升很高，為保持使其達(dá)不到軟化溫度，就要限制電纜工作溫度的上限。建議改性聚丙烯絕緣料PI-2001D電纜長期使用溫度不超過120℃，短期使用溫度不超過150℃。

總結(jié)，在電纜中各種橡膠彈性材料抗高溫?fù)p壞的能力優(yōu)于熱塑性材料，而在熱塑性材料中，非結(jié)晶塑料電纜絕緣層又優(yōu)于結(jié)晶塑料電纜絕緣層。

(2)高溫下熱氧化能力(熱穩(wěn)定性)
  在熱作用時間較長時，特別是高分子材料不可避免要接觸到氧，在氧和熱的共同作用下，電纜絕緣層的氧化反應(yīng)產(chǎn)生兩種結(jié)果，一是聚合物大分子或網(wǎng)狀大分子斷鏈降解，使電纜絕緣層材料結(jié)構(gòu)變得松散，并降低高分子的分子量，其結(jié)果導(dǎo)致電纜絕緣層材料軟化，發(fā)黏和產(chǎn)生低分子揮發(fā)物。二是被氧化的鏈段連接起來，聯(lián)成一個網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)結(jié)實，分子量增大，結(jié)果導(dǎo)致聚丙烯電纜絕緣層材料硬脆開裂。

根據(jù)聚合物分子的結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵、基團(tuán)的熱穩(wěn)定順序，一般認(rèn)為:
  1) 飽和聚合物的耐熱氧化性較不飽和的二烯烴聚合物要好。如乙丙橡膠熱穩(wěn)定性比丁苯橡膠要好，雙鍵數(shù)目越多熱穩(wěn)定性越差，如丁笨橡膠比天然橡膠熱穩(wěn)定性好。
  2)線性聚合物比支鏈聚合物有更高的耐氧化能力。如高密度聚乙烯比低密度聚乙烯含有較少的支化結(jié)構(gòu)，因此，熱穩(wěn)定性更高。高等規(guī)度的聚丙烯熱穩(wěn)定性比高密度聚乙烯好。
  3) 體型高分子耐熱性比線性、支鏈聚合物高。如交聯(lián)聚乙烯熱穩(wěn)定性優(yōu)于聚乙烯。

4)結(jié)晶聚合物在熔點以下比非結(jié)晶聚合物耐熱氧老化。
  5)取代基的存在，能改變高分子的熱穩(wěn)定性，例如聚氯乙烯樹脂在降解的過程中，熱的作用有一個感應(yīng)期，分子氧在降解過程中的某一點之前，并不起明顯作用。含氟的聚合物中，聚四氟乙烯是穩(wěn)定性好的，這是由于C-F鍵的穩(wěn)定性大于其他任何C-C、C-H、C-CI鍵。
  6)硅橡膠熱穩(wěn)定性好是因其主鏈?zhǔn)荢i-0，Si-0鍵能大，穩(wěn)定性高。

  2.電纜的耐寒性

  當(dāng)絕緣材料冷卻至低溫時，因分子被凍結(jié)而產(chǎn)生較大的收縮，使內(nèi)部變形，不產(chǎn)生松弛，伸長率降低。當(dāng)電纜彎曲時，將因變形增大而會導(dǎo)致機(jī)械開裂，給電纜絕緣造成大的缺陷。特別是潛油泵東北地區(qū)冬季戶外施工，有時溫度在零下30℃，對材料的耐寒要求更高。另外，絕緣材料比金屬材料的收縮大，因此它與電纜中的導(dǎo)體相配合是很重要的。
  耐寒性是指高分子材料在低溫下仍能保持電線電纜較好的物理力學(xué)性能，以滿足使用要求的能力。當(dāng)材料冷至低溫時，其變形能力逐漸消失，變?yōu)橛泊啵敝吝_(dá)到脆化溫度，材料即使受到很小的變形也會斷裂，所以脆化溫度可以作為材料耐寒性的指標(biāo)。這方面，改性聚丙烯絕緣料PI-2001D因為增加了聚乙烯的共聚段，良好的解決了電纜耐寒性的問題。

  對無定形態(tài)高聚物來講，從高彈態(tài)過渡到玻璃態(tài)的臨界溫度范圍越寬越好，因此耐寒性的問題，就是影響電纜絕緣層的問題。一般來講該范圍主要取決于大分子鏈段的活動性，凡是分子間力小，分子鏈柔性大的高聚物它的脆化溫度就越低。一般來講聚乙烯的脆化溫度很低，引進(jìn)極性基后，增加分子間作用力，脆化溫度提高；非極性的無規(guī)側(cè)基由于阻礙了鏈段的活動，也會提高脆化溫度。但是為了滿足各種要求，有時，不得不引入這些基團(tuán)。一般脆化溫度較低的電纜絕緣層，如聚乙烯、順丁橡膠、硅橡膠耐寒性都比較好。

總之，聚丙烯電纜既要考慮耐熱性，也要考慮耐寒性。耐寒性主要是施工期考慮的指標(biāo)，耐熱性是工作時的指標(biāo)，兩者需要兼顧。