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低煙無鹵線纜料由于具有低煙、無鹵、低毒等特性，在軌道交通、機(jī)場、大型商場、劇院、學(xué)校和房地產(chǎn)等人口密集的場合，使用的比例越來越高。

 

對于該類材料的抗開裂性能，行業(yè)內(nèi)大多數(shù)公司和機(jī)構(gòu)采取熱沖擊實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行評估，該方法也被寫入國標(biāo)GB/ T 32129-2015，從行業(yè)目前長期反饋來看，該測試方法確實(shí)能在很大程度上篩選出高溫抗開裂性能優(yōu)秀的配方。

 

然而以上測試方法大多數(shù)是定性的評估方法，對開裂的詳細(xì)機(jī)理并未有詳細(xì)的分析和闡述。為了更好地評估低煙無鹵護(hù)套材料的抗開裂性能，本文自行設(shè)計了抗開裂性能的評估實(shí)驗(yàn)，對評估抗開裂性能的測試方法進(jìn)行了拓展和豐富，同時結(jié)合測試結(jié)果，探討了低煙無鹵電纜線纜料的開裂機(jī)理。

 

1.試驗(yàn)方法

 

1.1 熱沖擊和冷熱循環(huán)抗開裂實(shí)驗(yàn)

 

熱沖擊實(shí)驗(yàn):按照 GB/ T 32129—2015 附錄 A 規(guī)定的尺寸裁好樣條后，按照其卷繞方法，以規(guī)定的質(zhì)量負(fù)重卷繞，兩端螺栓固定后，將樣品放置于130 ℃的烘箱中 1 h ，取出待冷卻至室溫，觀察樣條上是否有肉眼可見裂紋。

 

冷熱循環(huán)抗開裂實(shí)驗(yàn):按照 GB/ T 32129—2015  附錄 A 規(guī)定的尺寸裁好樣條后，按照其卷繞方法， 以規(guī)定的質(zhì)量負(fù)重卷繞，兩端螺栓固定后，將樣品放 置于冷熱循環(huán)箱中，冷熱循環(huán)箱分三室，分別是低溫室、高溫室、樣品室。低溫室先預(yù)冷－30 ℃ ; 高溫室 先預(yù)熱到 140 ℃ 。升溫階段為室溫至 130 ℃ , 其中常溫至 100 ℃ 需在 1 min 內(nèi)完成，樣品室升溫到 130 ℃  總時長不超過 10 min ，在 130 ℃ 下保持 1 h 。后降溫 至－25 ℃ , 降溫階段 130 ℃ 至 0 ℃ 在 1 min 內(nèi)完成， 降溫到－25 ℃ 也不超過 10 min ，在－25 ℃ 下保持 1 h。 此為一次冷熱循環(huán)沖擊。后取出待冷卻至室溫，觀察 樣條上是否有肉眼可見裂紋。

 

判定結(jié)果如圖 1 所示，樣條無肉眼可見裂紋時判 定為“合格”，而實(shí)驗(yàn)失效樣品的等級分 2 類，分別為 “裂紋” 和 “斷開”，其 中 “斷開” 比 “裂紋” 的失效情況更加嚴(yán)重。

a－合格 

 

b－裂紋

 

c－斷開

 

圖 1  冷熱循環(huán)測試判定示例

 

1.2 力學(xué)性能測試

 

拉伸性能測試前，樣條應(yīng)在恒溫恒濕(23 ℃ , 濕度 55% )中放置 4 h ，常溫時拉伸速率選取 250 mm / min ，高溫時拉伸速率選取 50 mm / min 。每個樣 測試 5 次，取平均值作為測試結(jié)果。

 

測試不同高溫 (50 ，70 ，90 ℃ ) 下的拉伸強(qiáng)度 或斷裂伸長率，分別除以常溫 (23 ℃ ) 下的拉伸強(qiáng) 度或斷裂伸長率，計算出來的百分比為該溫度下的強(qiáng) 度或斷裂伸長率保留率。

 

2. 結(jié)果與討論

 

2. 1  冷熱循環(huán)抗開裂實(shí)驗(yàn)用于評估護(hù)套材料抗開裂 性能的測試結(jié)果分析

 

在早期使用低煙無鹵護(hù)套料時，行業(yè)內(nèi)有發(fā)生過多起的開裂事故。為了評估材料的開裂性能，IEC 811－3－1 和國標(biāo) GB/ T 2951—2008 制訂了成品的熱 卷繞測試標(biāo)準(zhǔn)，而材料的熱沖擊測試測試方法和細(xì)則 在 GB/ T 32129—2015 中得到了正式的規(guī)定。熱沖擊 測試是模擬材料在試加應(yīng)力的狀態(tài)下，升溫過程中抵 抗內(nèi)應(yīng)力，防止護(hù)套開裂的能力的一個有效的實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過長期的一個數(shù)據(jù)積累和客戶使用反饋，我們認(rèn)為熱沖擊的測試方法能夠比較好的評價低煙無鹵護(hù)套材料的抗開裂性能，尤其能對應(yīng)夏天高溫暴曬下的開裂情況。選取負(fù)重砝碼總質(zhì)量分別為 7. 5 ，5. 0 ，2. 5，1. 0 kg ，對應(yīng)的內(nèi)應(yīng)力分別為 4. 08 ，2. 72 ，1. 36，0. 54 MPa，內(nèi)應(yīng)力約為破壞強(qiáng)度的 33% ，22% ， 11% 和 4. 4% 。

 

而電纜在使用過程中的環(huán)境情況比高溫更為復(fù)雜，還會伴隨有溫度、濕度的交替變化。我司自行設(shè)計出一個冷熱循環(huán)的實(shí)驗(yàn)方法，目的在于檢驗(yàn)低煙無鹵護(hù)套材料在冷熱交替中的抗開裂性能。該方法不僅 檢驗(yàn)材料在受熱情況下，有應(yīng)力存在時的抗開裂的能 力，也同時檢驗(yàn)材料在對抗快速結(jié)晶和收縮過程中產(chǎn) 生的內(nèi)應(yīng)力時的抗開裂的能力。本實(shí)驗(yàn)對比了標(biāo)準(zhǔn)熱 沖擊測試方法和新設(shè)計的冷熱循環(huán)的測試方法的實(shí)驗(yàn) 結(jié)果差異，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表 1 。

 

表 1  冷熱循環(huán)和熱沖擊的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對應(yīng)關(guān)系

 

從表 1 結(jié)果可以看出，冷熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)通過難度會 明顯比單純的熱沖擊要大，哪怕是實(shí)現(xiàn)了熱沖擊性能 7. 5 kg 合格的樣品，都無法滿足冷熱循環(huán)的 5 kg 負(fù)重實(shí)驗(yàn)合格。對于冷熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)來說，也是施加的內(nèi) 應(yīng)力越大，實(shí)驗(yàn)越難通過。

 

在本實(shí)驗(yàn)方法中，材料先從常溫上升到高溫，在此過程中，材料先要在高溫下力學(xué)性能的過程中，對抗通過負(fù)重卷繞帶來的內(nèi)應(yīng)力，確保升溫過程不開裂，此過程與熱卷繞測試差不多。同時又需要在快速降溫過程中，抵抗冷卻收縮和結(jié)晶帶來的二次內(nèi)應(yīng)力，而由于兩端被螺栓固定，無法自由收縮，導(dǎo)致樣條出現(xiàn)裂縫，故該測試方法更為苛刻，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果也確實(shí)如此。

 

行業(yè)內(nèi)出現(xiàn)過在晝夜溫差較大的環(huán)境發(fā)生護(hù)套開裂的事故，也出現(xiàn)過開裂事故發(fā)生在夏天的多雨時期 ( 也就是可能是暴曬后被雨淋后快速降溫)，原因推斷類似。故也可建議以該方法去檢驗(yàn)低煙無鹵護(hù)套材料抗開裂性能的好壞。

 

2. 2  不同溫度下低煙無鹵材料的力學(xué)性能關(guān)系

 

為了更加深入地去探尋開裂機(jī)理，測試了護(hù)套材料在不同溫度下的力學(xué)性能，與熱沖擊性能和高低溫循環(huán)性能做一個對應(yīng)，詳細(xì)數(shù)據(jù)見圖 2 和 3 。

 

a－拉伸強(qiáng)度

 

b－斷裂伸長率

圖 2  拉伸性能隨著溫度的變化關(guān)系

圖 3  不同材料在不同溫度下的斷裂伸長率保留率

 

可以發(fā)現(xiàn)，低煙無鹵材料的力學(xué)性能隨著溫度的升高，呈現(xiàn)非?？焖俚慕档挖厔?，當(dāng)溫度達(dá)到 70 ℃ 時，拉伸強(qiáng)度僅為 3 MPa 左右，相比常溫下的拉伸強(qiáng)度，保留率不超過 30% ，但是不同產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度及其保留率的差異并不大 ; 同時可以看到，斷裂伸長率的下降幅度都超過 50% ，產(chǎn)品4 在 70 ℃ 下的斷 裂伸長率保留率只有 32. 5% ，產(chǎn)品 1 斷裂伸長率保留率最高，但 70 ℃ 下也只有 47. 2% ; 隨著溫度的進(jìn) 一步升高，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率會進(jìn)一步降低。

 

這是因?yàn)殡S著溫度的升高，尤其當(dāng)接近EVA的熔點(diǎn)時，材料的結(jié)晶度會降低，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長 率會降低，在 50 ～70 ℃ 的區(qū)間變化時，斷裂伸長率下降尤其顯著。同時高溫下斷裂伸長率的絕對值和保留率，與熱沖擊的測試結(jié)果，有比較一致的對應(yīng)關(guān)系。比如產(chǎn)品 4 ，常溫下的力學(xué)性能與其他 3 產(chǎn)品沒有太多區(qū)別，但是在升高溫度時，斷裂伸長率的下降 幅度更快，斷裂伸長率及其保留率都最低，同時熱沖擊性能 2. 5 kg 不合格，是抗開裂性能表現(xiàn)最差的。

 

實(shí)測在溫度較高、光照較強(qiáng)的地方，黑色電纜的外表溫度可達(dá)到或者接近 70 ℃ 。該狀態(tài)下的材料力學(xué)性能尤其重要，高溫下斷裂伸長率高的材料，抗開裂性能會更為優(yōu)異。相比于常溫下材料的斷裂伸長率，高溫下(例如 70 ℃ )的斷裂伸長率以及高溫下的斷裂伸長率的降低幅度更能真實(shí)地反映電纜護(hù)套成品抵抗夏天戶外高溫暴曬的抗開裂性能。

 

2. 3  護(hù)套開裂問題的機(jī)理分析

 

電纜在實(shí)際使用過程中的工況和使用環(huán)境比較復(fù)雜，有高溫和高低溫循環(huán)的影響，還有濕度的影響(低煙無鹵在吸濕后力學(xué)性能會下降)，有熱氧老化和光老化的影響。這些會疊加起來，使得護(hù)套材料使用過程中的內(nèi)應(yīng)力情況和力學(xué)性能變化更加多變。本文主要考察的是高溫曝曬下和冷熱循環(huán)條件下的抗開裂性能的評估方法改進(jìn)，并依次探討抗開裂機(jī)理。

 

分析如下 : 

 

1) 電纜在戶外尤其是被陽光照射到的情況下，黑色的護(hù)套層的溫度升高，此時分子鏈的活動能力變強(qiáng)，線纜彎曲產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會加快松弛 ; 但是，根據(jù)高溫下力學(xué)性能測試結(jié)果也可以看到，護(hù)套層的力學(xué)性能也會變差。當(dāng)某個時間節(jié)點(diǎn)下，力學(xué)性能劣化至無法抵抗內(nèi)應(yīng)力時，護(hù)套出現(xiàn)開裂，反之則保持完整。

 

2) 當(dāng)在晝夜溫差較大或者 護(hù)套材料溫度劇烈變化 ( 夏天暴曬后下雨，快速降 低護(hù)套溫度) 的情況下，材料會因?yàn)榭焖倮鋮s結(jié)晶和收縮產(chǎn)生二次額外內(nèi)應(yīng)力，該內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生會對材料的抗開裂性能增加二次考驗(yàn)。故我司用高低溫循環(huán)沖擊來延展現(xiàn)在的熱沖擊測試，通過測試高溫下的材料力學(xué)性能來量化材料的抗開裂性能，豐富了護(hù)套材料抗開裂性能的考察和評估方法。

 

當(dāng)然實(shí)際情況還需結(jié)合材料的光老化性能和材料的抗吸濕性能，如能把光老化、抗吸濕、高低溫循環(huán)、應(yīng)力集中和內(nèi)應(yīng)力試加等因素綜合一起考慮，設(shè)計出一個實(shí)驗(yàn)方法，可能也會得到一個更加全面的評價方法。

 

3. 小結(jié)

 

1) 對不同產(chǎn)品的低煙無鹵材料的抗開裂性能進(jìn)行評估。測試材料在高溫下的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率都出現(xiàn)明顯的下降，當(dāng)從室溫升高到 70 ℃ 時，拉伸強(qiáng)度保留率只有 25% 左右，伸長率保留率也只有 30% ～50% 之 間 ; 不同產(chǎn)品力學(xué)性能下降程度不同，高溫下斷裂伸長率及其保留率越低的配方，熱沖擊性能也越差，從力學(xué)性能層面量化了材料的高溫抗開裂性能，也反映了高 溫開裂機(jī)理。

 

2) 自行設(shè)計出有內(nèi)應(yīng)力存在的條件下，冷熱循環(huán)沖擊的實(shí)驗(yàn)方法，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)冷熱循環(huán)測試的實(shí)驗(yàn)較高低溫更難通過，相比單純熱沖擊是更為嚴(yán)苛的實(shí)驗(yàn)方法。通過此方法可以加嚴(yán)對材料抗開裂性能的評估。