氯化聚乙烯在電線電纜中的應(yīng)用

【橡膠技術(shù)網(wǎng) - 電纜】

 由于氯化聚乙烯橡膠（CPE）的一系列優(yōu)點：耐熱耐油、耐臭氧和大氣老化等，在國外已廣泛應(yīng)用于電線電纜，特別是護套材料。國內(nèi)，早在九十年代初，當濰坊化工廠引進第二大CPE生產(chǎn)線投產(chǎn)后，上海電纜研究所作為全國線纜行業(yè)技術(shù)開發(fā)中心，曾召開過二次CPE應(yīng)用技術(shù)交流會，當時提出，由于CPE與CR性能類似，因而建議在線纜行業(yè)內(nèi)作CR的替代材料使用。但是幾年來，卻遇到了市場、技術(shù)、設(shè)備、標準等方面的問題，使CPE材料在電線電纜中的推廣應(yīng)用受到了限制。另外，國產(chǎn)CPE產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)規(guī)模小，貨源不足等因素也制約了其在電線電纜行業(yè)的應(yīng)用。

近年來，通過生產(chǎn)各方及相關(guān)行業(yè)的共同努力下，國內(nèi)已能生產(chǎn)出性能穩(wěn)定的CPE產(chǎn)品，生產(chǎn)規(guī)模也上了一個臺階。生產(chǎn)能力在1000噸/年以下的也有近十家生產(chǎn)單位，使得氯化聚乙烯的供應(yīng)得到了保障。

目前，由于慣用的氯丁橡膠貨源緊缺，價格不斷上揚，使產(chǎn)品成本增加。另外國外已有標準明確規(guī)定在某些特定的場合，不準使用氯丁橡膠線纜產(chǎn)品。所以CPE替代CR是遲早的問題。現(xiàn)在國內(nèi)已有多家電線電纜廠家在著手研究開發(fā)應(yīng)用氯化聚乙烯，并有廠家成功應(yīng)用。

本文就氯化聚乙烯的特點，氯化聚乙烯電線電纜的應(yīng)用配方，氯化聚乙烯電線電纜的發(fā)展前景及我公司開發(fā)應(yīng)用情況作簡要介紹。

一、氯化聚乙烯的性能特點

氯化聚乙烯（簡稱CPE或CM），是由聚乙烯氯化改性而制得的高分子合成材料。由于其分子結(jié)構(gòu)是線性飽和和無規(guī)則結(jié)構(gòu)，所以具有優(yōu)良的柔韌性，抗熱老化性，耐氣候和耐臭氧性。又由于分子結(jié)構(gòu)中含有相當比例的氯元素，所以又使它具有良好的耐油，耐化學藥品和阻燃性。氯化聚乙烯由于生產(chǎn)方法差異及原料聚乙烯品種的不同，其性能有較大的差。原料聚乙烯的品種含氯量、氯的分布狀態(tài)及結(jié)晶性是影響其性能的主要因素。原料聚乙烯的品種及其性能支配著生成的氯化聚乙烯的加工性能及物理機械性能。氯化程度對氯化聚乙烯的影響很大，氯含量低于15%時是塑料；氯含量為16～24%是熱塑性彈性體；氯含量為25～48%之間為橡膠狀彈性體；氯含量為49～58%時為類似皮革的半彈性硬聚合物；氯含量高至73%時則成為脆性樹脂。氯的分布狀態(tài)及結(jié)晶性的不同，導(dǎo)致橡膠物性、加工性能等不同。

二、氯化聚乙烯電線電纜的應(yīng)用配方

（一）氯化聚乙烯牌號的選擇

用作硫化膠的CPE牌號見表1。從膠料的擠出性能看B型的流動性遠比A型好。而從抗張強度看，則A型比B型高。含氯量的高低直接影響電線電纜的阻燃性能，耐油性能和耐寒性能。殘余結(jié)晶度的大小也會對電線電纜表面的光潔度和一些物理性能產(chǎn)生影響。因此一般根據(jù)工廠的設(shè)備狀況，配方技術(shù)及產(chǎn)品性能指標和經(jīng)濟指標來選用氯化聚乙烯。

表1 硫化膠用CPE牌號、性能及主要優(yōu)缺點

（二）硫化體系

正常選用硫化體系，對于制得具有良好性能的氯化聚乙烯橡膠制品非常關(guān)鍵。由于氯化聚乙烯大分子結(jié)構(gòu)中沒有雙鍵，而與仲碳原子鍵合的氯原子又不具有高度的反應(yīng)活性，所以不能用傳統(tǒng)的硫磺/促進劑硫化體系來進行硫化。CPE膠的硫化體系以選用有機過氧化物為主，同時配以丙烯酸酯類作交聯(lián)助劑。這類硫化體系的優(yōu)點是硫化膠的強度、回彈、耐熱性及硫化特性都較好。其缺點是不能無壓硫化，過氧化物有異味，硫化膠的抗撕強度低，CPE膠也可選用硫脲硫化體系硫化，而助交聯(lián)劑則多采秋蘭姆類。用硫脲硫化的優(yōu)點是成品的抗撕強度高，比較適合做有抗撕要求的某些型號的礦用電纜，而硫磺化膠的耐熱性、硫化特性則比較差。“二噻二唑”硫化體系也是CPE膠的有效硫化體系，它具有上述兩個硫化體系的優(yōu)點，克服了它們的缺點，而且硫化溫度比過氧化物低。但由于價格昂貴，因而還未大量應(yīng)用，目前仍以過氧化物硫化為主。

（三）補強填充劑

1、碳黑

高耐磨碳黑對氯化聚乙烯有較好的補強效果，但膠的門尼粘度上升快，用量不能太大。半補強爐黑、熱裂法碳黑，快壓出碳黑等粒子較大的品種，對氯化聚乙烯也有較好的補強效果，且門尼粘度上升也較少，可以大量使用。

2、無機填充劑

氯化聚乙烯有較好的色穩(wěn)定性，配合適當?shù)陌咨�填充劑，不但可以制成彩色電纜，而且對阻燃性有良好的改善作用。白碳黑補強性大，但門尼粘度高。滑石粉、輕質(zhì)碳酸鈣，活性碳酸鈣、陶土等都可以在配方中使用。但在過氧化物硫化的CPE膠料中，應(yīng)盡量避免使用酸性填充劑，因酸性填充劑會對過氧化物交聯(lián)起負面影響。

（四）增塑劑和軟化劑

由于國產(chǎn)CPE生膠粘度大，擠出流動性差，配方中需要添加大量的增塑劑以改善其流動性，CPE的溶解度參數(shù)為9.2—9.3，與其溶解度參數(shù)相近的增塑劑，如酯類增塑劑和石油系軟化劑均可在配方中使用。氯化石蠟常常作CPE的阻燃增塑劑使用。另外也可在CPE膠中添加粘度較低的橡膠來降低其門尼粘度值和改善其流動性。乙丙膠、天然膠、丁腈膠以及氯丁膠等膠種對改善上述性能都有較好的效果，可根據(jù)兩膠種耐熱性能的匹配性，硫化體系的適應(yīng)性及技術(shù)、經(jīng)濟要求等因素綜合考慮進行選用。

（五）穩(wěn)定劑、防老劑

鉛類穩(wěn)定劑，輕質(zhì)氧化物、環(huán)氧型穩(wěn)定劑均可作電線電纜用CPE膠的優(yōu)良穩(wěn)定劑。防老劑RD、MB以及抗氧劑AW-P、DLTP等均為常用的防老劑。

（六）其他

為滿足加工性能及相關(guān)的物理機械性能，配方中還需添加加工助劑和氯化氫吸收劑等功能性助劑。

三、氯化聚乙烯的工藝特點

（一）混煉

1、氯化聚乙烯的主鏈不含雙鍵，機械塑料時主鏈不易切斷，對其門尼粘度幾乎沒有影響，因此無需塑煉。

2、CPE膠既適宜開煉機混煉，又適宜密煉機混煉。用開煉機混煉之前，由于CPE為粉狀，需先將CPE在70℃至90℃開煉機上薄通塑煉成半透明狀，再進行混煉。CPE膠用密煉機混煉時，混煉膠的溫度應(yīng)控制在130℃～150℃范圍為宜。如果將過氧化物直接加到密煉機中進行混煉，則密煉機溫度要控制在過氧化物“起硫”溫度以下。另外，CPE膠用密煉機混煉時，應(yīng)有足夠的裝膠容量，一般應(yīng)在95%以上。

（二）擠出

CPE抗焦燒性良好，可以擠出表面光滑的線纜產(chǎn)品。擠出機螺桿長徑比小于12時，擠出有相當?shù)碾y度。采用熱喂料擠出，可改善線纜表面質(zhì)量。當長徑比大于12時，冷擠、熱劑均能擠出表面光滑的線纜。在擠出溫度方面由于CPE流動性不如CR好，塑化不易，因此在擠出時，機身溫度控制在75℃～85℃；機頭溫度控制在85℃～95℃為宜。

（三）硫化

CPE適用于管道連續(xù)硫化。為了保證生產(chǎn)效率，提高硫化溫度是必要的，一般在1.2～2.0MPa蒸汽壓力下可連續(xù)硫化。溫度過低，硫化體系用量不足或者水冷卻段太短或無水冷卻段，則易產(chǎn)生氣泡。另外，CPE屬于熱敏性材料，在擠出和硫化階段都應(yīng)控制溫度，溫度過高，則易產(chǎn)生氣孔。

四、氯化聚乙烯在線纜中應(yīng)用的好處及其應(yīng)用前景

在電線電纜中應(yīng)用氯化聚乙烯有以下幾個方面的好處。

（一）提高線纜產(chǎn)品的技術(shù)水平

如前所述，CPE具有較全面的技術(shù)性能，如優(yōu)良的阻燃性和耐油性，較好的物理機械性能，良好的耐熱老化、耐臭氧、耐氣候性能和良好的工藝混煉性能。它幾乎不發(fā)生焦燒和長時間不變質(zhì)的存貯性能，是良好的線纜材料。以往主要使用天然-丁苯膠作絕緣或護套，其最高長期工作溫度只允許60℃或65℃。在使用氯丁膠時還經(jīng)常出現(xiàn)焦燒、粘輥等這樣或那樣的質(zhì)量問題，這些都較大的影響了橡纜技術(shù)水平的提高。

CPE的長期工作溫度是90℃，只要配方得當，其最高工作溫度可達105℃。應(yīng)用CPE可把橡纜的生產(chǎn)水平從65℃提高到國外發(fā)達國家的75～90℃甚至105℃的水平。CPE膠自身潔白如雪，因此無論用它作絕緣或護套，都可根據(jù)用戶需要，做成色彩鮮麗的產(chǎn)品。而常規(guī)的天然膠、丁苯膠、氯丁膠、丁腈膠等由于自身泛黃，難以做出純白或色彩美麗的產(chǎn)品。另外，通用的氯丁膠和氯磺化聚乙烯膠，在生產(chǎn)過程中存在單體和溶劑劇毒，揮發(fā)等難以解決的問題。在貯運和線纜生產(chǎn)中，又常發(fā)生焦燒和粘輥的問題。而對于CPE來說，這些令人頭痛的問題幾乎不存在。還有一點值得注意的就是氯化經(jīng)營性用作低壓絕緣時，不會污染銅芯，這無疑又提高了線纜技術(shù)水平的檔次。

（二）工藝適應(yīng)廣、成本低、效益化

CPE混合膠用擠橡機擠出后，既能用高溫進行熱交聯(lián)，也可在常溫下用電子輻照的方法進行交聯(lián)，而常規(guī)的氯丁膠是不能用電子輻照的方法進行交聯(lián)的，常規(guī)的天然-丁苯膠更不宜采用輻照交聯(lián)。

CPE混合膠的成本計算與相近的CR混合膠進行比較，兩種生膠的差價約3.5～4.5千元/噸，而以相同含膠量的混合膠比，則CPE比CR低1.2～1.5千元/噸。如將CR膠因易焦燒而產(chǎn)生較高比例的廢品考慮進去，則CPE膠的成本比CR膠低得更多。CSM膠的成本比CR還要高。

（三）對線纜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整有好處

就低壓電線電纜而言，按用途分主要有建筑用線和電氣裝備線兩類。在建筑用線中，早在六十年代前是天然膠絕緣編織涂瀝青線。七十年代后至今，已被PVC塑料線完全取代。在電氣裝備線中的情況與建筑用線相類似，早先是天然膠的天下，七十年代后大部被PVC線纜取代。這種局面對線纜行業(yè)和用戶選擇都是既不科學又不合理的。現(xiàn)今，各種電氣裝備用線，尤其是蓬勃發(fā)展的家用電器所需的連接線纜，應(yīng)改變目前被PVC塑料一統(tǒng)天下的局面，用橡膠線纜取代。因為橡膠線纜所特有的柔軟，手感好，不怕火燙，不含熔化等優(yōu)點是塑料電纜無法比擬的。由于CPE具有許多合成橡膠所沒有的優(yōu)點，因此，可將CPE大量用于制造家用電氣軟線及其它電氣裝備用軟線纜。

綜上所述，CPE在線纜行業(yè)中的應(yīng)用，即用CPE代替CR，在線纜行業(yè)是大勢所趨的事。這不僅可以緩解CR的供需矛盾，大幅度降低線纜產(chǎn)品的成本，提高線纜行業(yè)的經(jīng)濟效益，而且對提高線纜產(chǎn)品的檔次和實現(xiàn)線纜品種的多樣化也具有深遠的意義。