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电线电缆辐照交联过程中的问题浅析

2021-12-27 16:13     来源:江苏凯贝尔电缆有限公司     辐照交联电子束辐照

摘要:在我国辐照交联电线电缆自上个世纪90年代进入工业化生产,经过十几年的发展已形成了比较成熟的生产工艺和产业群体。辐照交联材料种类的不断增加和更新,各种辐照交联型特种电线电缆产品如雨后春笋般出现,带动了电线电缆行业的新一轮发展。然而,电线电缆在辐照交联过程中存在工艺和其他负面影响,结合使用电子加速器进行辐照交联方面的经验,本文将做一些浅析。

1辐照交联在特种电线电缆中应用及对材料的改性

辐照交联是一种物理交联方式,在中小型特种电线电缆绝缘和护套的交联加工改性中占绝对优势,而在辐照交联无卤低烟阻燃聚烯烃电线电缆中更是近百分之一百的使用。在特种电缆的交联加工中其具有很多优势,相比化学交联(CV)和硅烷交联(SV),具有加工速度快、能耗低、易于控制、挤出和交联工序分离等优点。

辐照交联主要导致的性能变化包括:

1)电学性能:辐照交联导致绝缘介电常数、介电损耗正切和介电强度的增加,使电线电缆的绝缘电阻增大,耐电压能力提高;

2)机械物理性能:辐照交联使绝缘和护套材料的冷流和抗蠕变性能提高,弹性模量增大,体现在电缆中为绝缘热收缩变小护套高温压力性能提高等;

3)耐热性:辐照主要改善了电线电缆绝缘和护套的耐热特性,交联使材料由线性分子结构转变为网状结构,材料耐温等级可提高到90 ℃、105 ℃、125 ℃和150 ℃四个温度等级;

4)耐溶剂性:交联使绝缘和护套材料的耐燃料油、耐矿物油特性得到显著提高,耐酸碱盐及耐化学有机溶剂得到改善;

5)抗开裂性:无卤低烟阻燃材料易开裂长久以来是其软肋,经过辐照交联后,抗开裂性得到显著提高并达到使用要求;

6)耐水性:因无卤阻燃材料的配方中加入了Al(OH)3、Mg(OH)2等金属氢氧化物,以及煅烧陶土、炭黑、碳酸钙和滑石粉等填充料,其易于吸湿,辐照交联使分子结构改性,吸水特性远高于标准指标。

辐照使交联效率大大提高,材料性能得到有效改善;然而,高剂量辐照交联还会伴随一些不利的副反应和工艺上的难度,如热效应、静电和电子积聚、放电破坏等。

2辐照交联中的热效应

电线电缆绝缘和护套材料辐照交联所吸收的辐射剂量,仅仅是一部分用于化学和分子结构转变上,而大部分辐射能量转化为分子的激发和热。由于聚合物对热量传递是低效的,以至所吸收的能量可导致相当高的温升,特别是高剂量率的电子束辐射加工,热效应问题要特别重视。

温升不仅导致绝缘和护套材料化学反应速度增加,若温度超过了材料的玻璃化转变温度或熔点,辐照产生的附加产物如H2、CO等气体被冻结在材料中的小分子还来不及扩散,这些气体产物在材料中将形成气孔或发泡,使绝缘质量降低,热效应与发泡随绝缘或护套厚度的增加热效应变得更为严重。

针对辐照交联过程中的热效应问题,采取必要的冷却措施是必要的,加强束下的空气交换和对电线电缆直接冷却是两种切实可行的方法。

3静电及电荷累积

绝缘辐照交联过程中绝缘层会形成静电和电荷积聚,火花检验时造成假击穿,耐压试验时由于电子积聚使绝缘击穿,严重影响电线电缆产品质量。

电线电缆绝缘电子束辐射加工中,特别是绝缘,静电现象是十分重要的。电子束辐照提供过剩的电子并沉积在绝缘材料中,被辐照的表面消耗负电荷,而且对地成为正电位。在绝缘材料的辐射加工中,所用辐照剂量越低,静电效应越轻,反之,静电效应越明显。

电子束辐照交联绝缘的静电现象很普遍,即使电子束的能量辐照并穿透最适宜厚度(电子束在绝缘的进入面和穿透面辐照剂量相等之间的厚度),电荷沉积没有明显的副作用。但大多数电子束电子通用过辐照绝缘时,总会留下少量的电荷,累积电荷随辐照剂量增大而增强。在这种情况下,电荷的累积停留在材料中,随时会发生意外放电。用能量不够的电子束加工厚的聚乙烯、聚烯烃或辐照交联乙丙橡胶,由于累积电子放电可能导致绝缘缺陷的形成,造成大批电缆不合格。在电缆辐照交联中对这一点是要特别预防,特别是材料配方中的添加剂,控制俘陷电荷的释放。

辐照交联时,整根电线电缆的导体和金属屏蔽应有效接地,以达到放电的效果,另外,对于一些乙丙橡胶材料的电线电缆,辐照完成后,可放置一段时间使绝缘或护套有效放电后,再进行火花过程检验和成品耐压试验,减少假击穿和成品电缆的绝缘击穿造成的不合格。

4辐照交联不均匀性

对于大截面和大外径的电缆,往往存在辐照不均匀的现象,由于外径较大,电缆背面无法照射,使交联度不均匀,绝缘或护套热延伸不合格。

在实际辐照交联加工过程中,可安装反射磁铁系统,由于磁场的存在使电子束反射照射在电线电缆背面,达到同步照射进而使绝缘或护套交联均匀。

5张力对电线电缆的影响

辐照交联装置中张力对电线电缆质量的影响也是很重要的,虽然现代辐照加速器中均设计有同步传动,然而,对于小截面或小外径的电线电缆,其本身的张力对电线电缆截面或外径的影响是不可忽略的。此外,薄壁型绝缘线芯辐照时,由于绝缘很薄,很容易因张力过大而被勒伤,实芯导体绝缘辐照时常会造成绝缘层与导体间附着力减小使绝缘层打转。所以,在电线电缆结构设计时应充分考虑这些影响,以减少不必要的损失。

6辐照氧化效应

由于辐照交联在空气中进行常伴随材料的辐射氧化,辐射氧化与材料及辐照条件密切相关。

材料方面,由于聚合物材料中溶解氧的存在和辐照交联中氧向聚合物材料中非晶区的扩散侵入,交联加工同时伴随着辐射氧化裂解反应。由于辐射加工后绝缘中自由基的存在,与扩散进入的氧发生氧化反应,这不仅影响电线电缆的使用寿命也影响其电气和机械物理性能。因此,在绝缘和护套材料中必须加入抗氧剂,以减少这一过程。常用的抗氧剂主要是酚类和胺类,这些抗氧剂与绝缘或护套材料中自由基反应而变得稳定,避免氧化。然而,抑制氧化的抗氧剂也会增加所需要的辐射剂量。

辐照交联条件方面,辐照过程中产生的臭氧会加剧氧化效应,氧化会使绝缘和护套材料裂解,影响其绝缘和机械物理性能。加强束下室内空气交换以及时排出产生的臭氧,这是必要可行的措施。

7结束语

辐照交联作为一种适合时代发展需要的交联方式,在特种电线电缆的生产和研发方面发挥着越来越重要的作用,尤其在核电站用1E级电缆的生产中更是明确要求生产厂家必须有加速器。辐照交联技术在解决特种电线电缆 “抗”和“耐”的要求方面发挥着至关重要的作用。然而,辐照交联过程中存在的一些客观问题不得不引起注意,我国辐照交联电线电缆与发达国家的差距更是鞭策着我国辐射加工行业的发展,我们在辐射加工行业要走的路还有很长。

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