隨著輻照電子加速器技術(shù)的不斷發(fā)展，電纜行業(yè)對高科技產(chǎn)品的要求也不斷提高，我國輻照型電纜材料種類也是與日俱增，琳瑯滿目，以不斷滿足相關(guān)方日益增長的高性價比的材料需求。輻照材料交聯(lián)過程是電纜制造過程的關(guān)鍵工序也稱之“特殊過程”；依據(jù)《GB/T19001-2016質(zhì)量管理體系 要求》標(biāo)準(zhǔn)要求，關(guān)鍵過程與特殊過程是影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素，一定要給與特別的關(guān)注。
輻照型低煙無鹵阻燃聚烯烴材料是近年來研發(fā)的新型復(fù)合材料，以超高的耐溫等級、良好的耐老化、耐低溫、阻燃等優(yōu)異性能被廣泛應(yīng)用于電線電纜行業(yè)。然而此種輻照型材料未經(jīng)電子加速器輻照交聯(lián)，無法判定其性能是否符合各相關(guān)方的需求和期望質(zhì)量要求；給顧客和相關(guān)方在質(zhì)量管理與控制方面帶來了極大的困擾。近年來由于輻照產(chǎn)品大量應(yīng)用，其材料關(guān)鍵質(zhì)量控制因素逐漸被發(fā)掘與重視。尤其是應(yīng)用于高速動車、地鐵等關(guān)系國計民生等重大領(lǐng)域內(nèi)的輻照型電纜材料，更需要嚴(yán)格的質(zhì)量控制，以確保產(chǎn)品的質(zhì)量。為此，對輻照型材料的劑量與性能的關(guān)聯(lián)與影響性研究勢在必行。本文從實踐出發(fā)，結(jié)合在電線電纜行業(yè)多年的豐富經(jīng)驗，通過大量試驗數(shù)據(jù)對比分析；探討了輻照劑量對材料性能的影響。從中得到輻照型低煙無鹵阻燃聚烯烴材料的最佳輻照劑量范圍。
一、輻照交聯(lián)機(jī)理及主要化學(xué)反應(yīng)簡介
聚烯烴具有優(yōu)良的電絕緣、耐油耐酸堿耐老化等性能，被廣泛的應(yīng)用于電線電纜行業(yè)。自PO材料工業(yè)化以來，已發(fā)展成型的材料有交聯(lián)聚乙烯（XLPE）、聚丙烯（PP）、聚1-丁烯、聚1-戊烯以及乙烯丙烯為基礎(chǔ)的共聚物等5大通用材料，其中輻照型低煙無鹵阻燃聚烯烴材料應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣闊。
低煙無鹵阻燃材料的輻照交聯(lián)機(jī)理為：在常溫常壓下電子加速器電子槍發(fā)射出的高能量電子轟擊低煙無鹵阻燃材料的高分子產(chǎn)生游離基，后游離基相互作用再發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，使得高分子聚合物由原來的線型結(jié)構(gòu)變?yōu)榭臻g網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，特別是將C—C鍵直接連接起來，大大提高了材料的耐溫等級以及耐老化、耐油、耐低溫等性能。
輻照交聯(lián)的主要化學(xué)反應(yīng)過程為以下5大類：
自由基的裂解反應(yīng)使自由基迅速裂解形成更穩(wěn)定的自由基并生成不飽和雙鍵。
自由基的重排反應(yīng)使自由基更傾向于重新排成更穩(wěn)定的叔碳自由基。
自由基的抽氫反應(yīng)發(fā)生順序為三級氫＞二級氫＞一級氫。
自由基偶聯(lián)反應(yīng)使小分子自由基容易耦合形成分子量提高一倍的穩(wěn)定分子結(jié)構(gòu)。
當(dāng)自由基中存在β-H結(jié)構(gòu)時，容易被另一個自由基奪取原子生成兩個穩(wěn)定的原子。
加速器工作原理是基于電子在電位場加速這一原理。電位場由高壓整流器建立；加速管的上端加上高壓整流器的負(fù)電壓，下端處于零電位。陰極發(fā)射的電子在真空中由電位場加速。加速電子在引出裝置中由掃描系統(tǒng)均勻分散開來，通過鈦箔后到大氣中。從而照射到產(chǎn)品的材質(zhì)內(nèi)，使電子束為材料輻照交聯(lián)。加速器是由高壓整流器、加速管、真空系統(tǒng)和引出裝置等27個部位組成的，如圖1所示。加速器也還需要如下控制系統(tǒng)，如圖2所示。
——電源系統(tǒng)；——控制系統(tǒng)；
——氣體系統(tǒng)；——機(jī)械真空泵；
——空氣冷卻系統(tǒng)；——通風(fēng)系統(tǒng)；
——水系統(tǒng)；——SF6氣體系統(tǒng)；
——吹風(fēng)系統(tǒng)；——空氣冷卻系統(tǒng)
三、輻照劑量對低煙無鹵阻燃材料質(zhì)量性能影響
為了更有效的研究輻照劑量對材料質(zhì)量性能的影響，制定的抽樣方案為在連續(xù)同一批原材料、同一班次連續(xù)生產(chǎn)的電纜樣品中取樣方法，針對明確型號的產(chǎn)品，以滿足EN-50264-3-1:2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的EI 109型低煙無鹵阻燃聚烯烴材料為例，研究輻照劑量對低煙無鹵阻燃聚烯烴材料的原始機(jī)械性能（抗張強(qiáng)度與斷裂伸長率）、耐老化性能、耐油性能、耐低溫性能、阻燃等質(zhì)量性能的影響。其中EN-50264-3-1:2008標(biāo)準(zhǔn)對質(zhì)量性能指標(biāo)要求見表1所示。
表1 標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量性能要求
①樣品制備：用Φ45型塑料擠出機(jī)制備符合標(biāo)準(zhǔn)EN-50264-3-1：2008標(biāo)準(zhǔn)的減小尺寸的單芯電纜，其型號為：EN-50264-3-1 600V 1.5mm2。
②按照規(guī)定的抽樣方案抽取電纜樣品的，分類周轉(zhuǎn)至輻照交聯(lián)工序。
③輻照交聯(lián)工序：分別以6、9、12、15、18Mard的輻照劑量對連續(xù)生產(chǎn)的電線進(jìn)行輻照，每種劑量產(chǎn)品長度為200m。輻照后進(jìn)行分類標(biāo)號，輻照劑量6Mard為序號1組，輻照劑量9Mard為序號2組，輻照劑量12Mard為序號3組，輻照劑量15Mard為序號4組，輻照劑量18Mard為序號5組。
④分別對上述5組內(nèi)的樣品做原始機(jī)械性能（抗張強(qiáng)度與斷裂伸長率）、耐老化性能、耐油性能、耐低溫性能、阻燃性能、熱延伸試驗：試驗方法按照EN-50264-3-1:2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。
通過上述抽樣方案與分組試驗；分類整理出試驗數(shù)據(jù)，分析如下：
1）輻照劑量對原始機(jī)械性能及熱延伸性能的影響分析
表2為整理的5種分組樣品的不同輻照劑量與原始機(jī)械性能和熱延伸試驗數(shù)據(jù)對比。
表2 輻照劑量與原始機(jī)械性能和熱延伸對性能比
由表2可知，隨著輻照劑量的增大，低煙無鹵阻燃聚烯烴的抗張強(qiáng)度數(shù)值隨之變大，且呈線性增長趨勢，斷裂伸長率隨之變小，且呈線性遞減趨勢。
分析產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因為：當(dāng)輻照劑量為6Mard較小時，熱延伸試驗數(shù)據(jù)為60%；低煙無鹵阻燃聚烯烴輻照交聯(lián)程度較小，材料線型占主導(dǎo)，空間網(wǎng)狀程度不夠，分子與分子之間結(jié)合不夠緊密，受力后更容易產(chǎn)生滑移。
所以斷裂伸長率數(shù)值很大，抗張強(qiáng)度很小；隨著劑量的逐步增大，材料的交聯(lián)程度逐漸增強(qiáng)，分子與分子之間結(jié)合非常緊密，分子之間很難滑移，表現(xiàn)為斷裂伸長率變小，抗張強(qiáng)度增大。
但輻照劑量增加到18Mard時，抗張強(qiáng)度突然直線變大，斷裂伸長率直線下降，考慮為輻照劑量過大，致使低煙無鹵阻燃聚烯烴材料分子發(fā)生降解變質(zhì)，致使原材料喪失原有的性能。
從表2熱延伸試驗數(shù)據(jù)可以看出，隨著輻照劑量的增大，材料的交聯(lián)程度越大，致使分子與分子之間的作用力變大，熱延伸數(shù)值越來越小。
表3為整理的5種分組樣品的不同輻照劑量與耐老化性能試驗數(shù)據(jù)。
由表3可知，隨著輻照劑量的增大，低煙無鹵阻燃聚烯烴材料的抗張強(qiáng)度變化率與斷裂伸長率數(shù)值先變小后變大，且呈U型曲線趨勢。
分析產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因為：當(dāng)輻照劑量為6Mard較小時，熱延伸試驗數(shù)據(jù)為60%；低煙無鹵阻燃聚烯烴輻照交聯(lián)程度較小，材料線型占主導(dǎo)，空間網(wǎng)狀程度不夠，導(dǎo)致斷裂伸長率變化率數(shù)值很大，抗張強(qiáng)度變化率很大；
隨著劑量的逐步增大，材料的交聯(lián)程度逐漸增強(qiáng)形成了大量的C—C鍵，大大提高了材料耐高溫性能，呈現(xiàn)出斷裂伸長率變化率變小，抗張強(qiáng)度變化率變小。但輻照劑量增加到18Mard時，抗張強(qiáng)度變化率與斷裂伸長率變化率突然呈直線變大，考慮為輻照劑量過大，致使低煙無鹵阻燃聚烯烴材料分子發(fā)生降解變質(zhì)所致。
由表4可知，隨著輻照劑量的增大，低煙無鹵阻燃聚烯烴材料的耐油后抗張強(qiáng)度變化率與斷裂伸長率數(shù)值先變小后變大，且呈U型曲線趨勢。
分析產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因為：當(dāng)輻照劑量為6Mard較小時，熱延伸試驗數(shù)據(jù)為60%；低煙無鹵阻燃聚烯烴輻照交聯(lián)程度較小，材料線型占主導(dǎo)，空間網(wǎng)狀程度不夠，油分子很容易進(jìn)入到材料分子的間隙當(dāng)中，導(dǎo)致斷裂伸長率變化率數(shù)值很大，抗張強(qiáng)度變化率很大；
隨著劑量的逐步增大，材料的交聯(lián)程度逐漸增強(qiáng)，材料分子與分子之間的空間變�。环肿优c分子之間結(jié)合的更緊密，更穩(wěn)定，油分子不容易進(jìn)入到材料分子中來，呈現(xiàn)出斷裂伸長率變化率變小，抗張強(qiáng)度變化率變小。但輻照劑量增加到18Mard時，抗張強(qiáng)度變化率與斷裂伸長率變化率突然呈直線變大，考慮為輻照劑量過大，致使低煙無鹵阻燃聚烯烴材料分子發(fā)生降解變質(zhì)所致。
由表5可知，隨著輻照劑量的增大，低煙無鹵阻燃聚烯烴材料的耐低溫性能一直處于趨于穩(wěn)定水平，呈現(xiàn)出不受輻照劑量大小的影響；當(dāng)且僅當(dāng)輻照劑量太大時，材料發(fā)生降解變質(zhì)，會嚴(yán)重影響低溫性能。
由表6可知，隨著輻照劑量的增大，低煙無鹵阻燃聚烯烴材料的阻燃性能未有明顯變化，呈現(xiàn)出不受劑量影響態(tài)勢；當(dāng)且僅當(dāng)輻照劑量太大時，表現(xiàn)出特殊不合格的結(jié)果。
綜上所述，由表1～5可知低煙無鹵阻燃聚烯烴材料的輻照劑量為12Mard～15Mard時，即序號3組與序號4組樣品的關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)原始機(jī)械性能（抗張強(qiáng)度與斷裂伸長率）、耐老化性能、耐油性能、耐低溫性能、耐阻燃在最佳狀態(tài)，完全符合EN-50264-3-1:2008標(biāo)準(zhǔn)要求。
本文以低煙無鹵阻燃聚烯烴材料為研究對象，通過對其不同輻照劑量（6～18Mard）的交聯(lián)，研究了材料熱延伸性能、原始機(jī)械性能（抗張強(qiáng)度與斷裂伸長率）、耐老化性能、耐油性能、耐低溫性能、阻燃性能隨輻照劑量不同呈現(xiàn)的變化規(guī)律。研究表明：
1）熱延伸試驗表明，低煙無鹵阻燃聚烯烴材料的交聯(lián)程度隨著輻照劑量的增大而增大，呈現(xiàn)線性正相關(guān)。
2）原始機(jī)械性能試驗表明，隨著輻照劑量的增大，低煙無鹵阻燃聚烯烴材料的抗張強(qiáng)度數(shù)值隨之變大，且呈線性增長趨勢，斷裂伸長率隨之變小，且呈線性遞減趨勢。
3）隨著輻照劑量的增大，低煙無鹵阻燃聚烯烴材料的抗張強(qiáng)度變化率與斷裂伸長率數(shù)值先變小后變大，且呈U型曲線趨勢。
4）耐油試驗表明，隨著輻照劑量的增大，低煙無鹵阻燃聚烯烴材料的抗張強(qiáng)度變化率與斷裂伸長率數(shù)值先變小后變大，且呈U型曲線趨勢。
5）耐低溫性能及阻燃性試驗表明，低煙無鹵阻燃聚烯烴材料的低溫與阻燃性能不受輻照劑量大小的影響。
6）輻照材料一定要匹配與之對應(yīng)的輻照劑量才能發(fā)揮整體的綜合的最佳性能，一定要避免劑量的過小與過大使用。
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對輻照型電纜產(chǎn)品的質(zhì)量安全已成為各相關(guān)方關(guān)注的焦點，我國輻照電子加速器輻照電纜產(chǎn)品起步比較晚，目前還未有形成系統(tǒng)化體系化的標(biāo)準(zhǔn)對輻照交聯(lián)程度的規(guī)定要求，以至于行業(yè)里質(zhì)量管控?zé)o序與粗放。
建議相關(guān)方能通過質(zhì)量管理的方案，利用合適的質(zhì)量方法與工具制定合理的樣品抽樣方案，規(guī)定專職試驗人員負(fù)責(zé)指定試驗，制定完整的各類考核試驗的試驗大綱；通過數(shù)據(jù)的分析與處理，挑選出最佳試樣樣品。從而確定材料的最佳工藝輻照劑量，希望本文為相關(guān)方在輻照劑量與材料性能對比研究方面提供一些參考。
