zhblyb --- 2015-01-22 12:10:35
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摘要：本文對電纜的抗開裂性能做了詳細分析，并從材料的角度探討了電纜開裂的原因和對策，而為了更
好地評估材料的抗開裂性能，對抗開裂性能的檢測方法進行了總結，并提出了新的高溫折彎檢驗方法，和
熱沖擊法進行了了對比，發(fā)現(xiàn)高溫折彎法效果更佳。本文的研究對抗開裂性能較好電纜的開發(fā)有一定的指
導作用。
關鍵詞：電纜料、抗開裂、原因分析、對策、檢驗方法
現(xiàn)在人們對電纜的要求越來越高，特別是保證阻燃的同時，不損失其他機
械性能，同時又要保證其抗開裂性能。
一、電纜的開裂
電纜受到光照、溫差、潮濕，甚至動物蛀咬，都可能造成開裂。當電纜在
高溫、輻射等惡劣環(huán)境下使用，就更容易開裂。
鄭琪介紹某變電站敷設的35KV大外徑電纜，兩次發(fā)現(xiàn)外護套有開裂現(xiàn)象
[1]
。王
柏東、程仁良、戴忠華等介紹嶺澳核電站例行檢查中發(fā)現(xiàn)主控室照明電纜（核
級K3類）運行不到3年，伸入燈管段的電纜芯線絕緣發(fā)生變色脆化開裂
[2]
。鄒東
、肖明輝在某地鐵運行約一年時發(fā)現(xiàn)高架橋上的33kV電纜護套有破損，一年后
發(fā)現(xiàn)更多破損
[3]
。試想如電纜的開裂不能及時發(fā)現(xiàn)，造成短路、燃燒等事故，
必將對生命和財產安全造成很大威脅。
二、電纜開裂判斷的標準和方法
既然電纜開裂風險很大，其抗開裂性能的驗證就受到人們的重視。國標GB/
T2951-2008《電纜和光纜絕緣和護套材料通用試驗方法》中介紹了判斷電纜開裂的方
法。如14部分低溫試驗介紹了兩種方法，1、低溫下用電纜繞棒，并觀察電纜表
面開裂的情況，即冷彎；2、把電纜徹底冷卻后，用重錘沖擊電纜，觀察表面開
裂情況，即冷沖擊。第21部分彈性體混合料專用試驗方法—
耐臭氧試驗中，也是用電纜繞棒，于臭氧中放置一段時間，觀察電纜表面開裂
情況。而第31部分：聚氯乙烯混合料專用試驗方法—
高溫壓力試驗－抗開裂試驗中，利用電纜繞棒，在標定溫度時間或150℃、1小
1
時，觀察電纜表面開裂的情況。其他標準如GB/T19666《阻燃和耐火電線電纜
通則》
中聚烯烴電纜抗開裂測試也采用相同電纜繞棒方法，只是溫度130℃，時間3小
時；GB/T 18015數(shù)字通信用對絞或星絞多芯對稱電纜、GB/T
17556船用電力和通信電纜護套材料等抗開裂測試即引用GB/T2951。國外電纜
的抗開裂測試也和此方法類似，GB/T2951即參考IEC60811標準。
電纜安裝、使用中，需彎曲、卷繞等，因此檢測電纜卷繞后各種條件下抗
開裂性能有一定的合理性。但當電纜表面有傷痕，如電纜拖曳時表面擦傷，會
使電纜更易開裂。目前還無對電纜有傷痕情況下做抗開裂的標準測試方法。
有些廠家采取直觀法檢測電纜抗開裂，把成圈的電纜在適當條件下放置，
如烘箱中、室外暴曬等，一段時間后觀察表面是否有開裂。
三、電纜的開裂的原因分析
[4-14]
電纜發(fā)生開裂的被覆材料，多為高分子材質，其特性影響電纜抗開裂性能。
聚氯乙烯極性大，無增塑劑難加工，該類電纜開裂主要和增塑劑有關。常用增
塑劑低溫性能較差，氣溫太低會失去增塑效果。北方高寒地區(qū)冬天達零下30℃
或更低，此時增塑效果就會大打折扣。聚氯乙烯電纜中增塑劑可能遷移，高溫
下遷移速度更快，當增塑劑損失較大，材料性能會大幅度下降。而隨著PVC低
煙阻燃的要求，需加入大量的填料和阻燃劑，也使聚氯乙烯機械性能下降。當
聚氯乙烯性能下降，在內應力或外力的作用下，電纜就很容易開裂。
低煙無鹵電纜材料多以聚烯烴為基體樹脂，并加入大量填料型阻燃劑。該
類阻燃劑如氫氧化物、磷氮類等，雖然環(huán)保、低煙，但效率低、加入量很大。
常用的氫氧化鋁、氫氧化鎂，加入量50%以上，使材料機械性能下降。阻燃劑
表面含有羥基或其他極性基團，和基體樹脂相容性差。而填料增加后破壞高分
子鏈間的連續(xù)性，減少分子鏈間的纏繞，使材料強度和韌性都降低。樹脂和填
料的膨脹系數(shù)也不一樣，熱脹冷縮不均勻而產生結構缺陷。內應力和外力作用
下，填料和基體樹脂還會發(fā)生相分離。因上述原因，低煙無鹵電纜更易開裂。
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圖一：電纜加工中受力情況
電纜中應力普遍存在，圖一為電纜為加工時產生的應力。左圖當電纜擠出
時，受到牽引，特別是高速牽引，分子鏈拉伸取向，縱向抗拉強度大于橫向抗
拉強度，此時沿電纜縱向易開裂；電纜在圓周方向也存在彎曲應力；右圖為電
纜彎曲成盤后受力情況，內外側分別產生壓、拉應力，外徑越粗拉應力越大；
內部絕緣彎曲后有側壓力，電纜彎曲后絕緣線芯沿縱向位移所產生的力也是不
均勻的，局部可能出現(xiàn)集中，對護套形成向外擠的應力，使外護套擠破。加工
時電纜要用水冷卻，此時產生內應力甚至微孔。上述種種原因，都有可能使電
纜開裂開裂。
電纜敷設中因走向的需要、空間的限制，要彎曲和捆扎，存在彎曲應力和
外力作用。電纜在夏季酷暑暴露于陽光下，向陽面溫度很高，溫差造成熱脹冷
縮所產生的應力與拉應力綜合作用，會加速護套開裂。
電纜長期和液體接觸也會造成應力開裂，該測試依照GB/T2951-2008第41部分進行檢測。環(huán)境應力開裂主要是材料和溶劑接觸，溶劑沿著細小
裂紋進入材料內部，造成表面能下降，并進一步引起開裂。
鎧裝電纜彎曲時內部鋼帶會產生更大的側應力，或存在飛邊、缺口、劃傷
或切入護套使護套受傷，且鋼帶會與護套粘連等，都會產生局部應力集中，因
此鎧裝電纜的外護套更容易發(fā)生開裂。
上述開裂多受應力影響，無化學反應。而室外電纜或惡劣環(huán)境下使用的電
纜會發(fā)生化學鍵斷裂：1、光線中紫外光能量高，日光強烈地區(qū)，室外電纜因光
氧老化造成高分子鏈的裂解；2、高分子材料高溫情況下會發(fā)生降解，特別是氧
氣存在更易產生熱氧老化，使高分子鏈裂解；3、環(huán)境中含高能輻射粒子，攻擊
高分子鏈造成裂解。這些高分子鏈裂解，必然使材料性能下降，造成電纜開裂
。
3
四、從材料角度判斷電纜的開裂性能
做成電纜后再檢測其抗開裂性能，耗費周期長，因此從材料本身預先考察
電纜抗開裂性能，利于電纜料的開發(fā)與生產。電纜的開裂從材料來說有以下原
因：1、分子鏈斷裂，此和材料本身特性有關，包括強度、韌性、是否含有容易
受自由基攻擊的基團，如雙鍵、叔基等。2、應力下相分離而開裂，含同相和異
相分離：同相分離是分子鏈取向，在垂直取向方向，受力會發(fā)生撕裂；異相分
離是因電纜料中含有多種樹脂材料以及無機填料，因相容性差，在力作用下產
生。3、材料變性，電纜料是多種材料的混合物，在電纜的加工、使用過程中，
如某種成分改變性狀或損失，將會使電纜料性能下降，造成開裂。
和電纜抗開裂性能有關的材料性能，主要有以下幾項：
1、低溫沖擊
低溫脆化沖擊是評估電纜料低溫性能的重要指標。如GB8815-2008中聚氯乙烯絕緣低溫脆化沖擊要求是通過-15℃到-20℃，護套通過-20℃到-25℃。JB/T10707-2007中對熱塑性低煙無鹵聚烯烴電纜料低溫脆化沖擊要求是絕緣-25℃，護套-40℃。聚氯乙烯電纜料因含增塑劑，低溫性能略差。聚烯烴電纜料的低溫性能
較好，純的聚烯烴材料低溫脆化沖擊溫度都要在-70℃以下，低煙無鹵聚烯烴電纜料基本上都可以通過-40℃低溫脆化沖擊。劉榮德、王晶等人
[15]
研究了PVC材質的汽車電纜的冷彎和
PVC材料低溫沖擊之間關系，發(fā)現(xiàn)護套材料的低溫沖擊脆化溫度在-21℃時，電線可以通過-40℃冷彎試驗�？梢姴牧系牡蜏卮嗷瘺_擊和電纜低溫抗開裂性能有一定關系。
2、老化
熱老化是把材料放入熱老化箱中，考察一定溫度、時間內，機械性能的變
化。熱老化后材料性能一般都會下降，熱老化是電纜料的重要指標，也是判斷
電纜耐溫等級的依據(jù)。如電纜的耐溫等級70℃、90℃、105℃、125℃等就是依
據(jù)熱老化的條件而區(qū)分。老化性能較差或不符合耐溫等級，做成的電纜就會開
裂。
電纜材料根據(jù)其使用場合及特性要求，還會考察其耐油老化，耐泥漿老化
4
，耐紫外老化，耐鹽霧老化等不同老化指標。
3、熱沖擊
熱沖擊是考察電纜開裂的方法之一，研究工作者在此基礎上建立檢驗方法
，考察材料的抗開裂性能，以及和電纜抗開裂的關系。如項健認為GB/T2951熱
沖擊方法針對聚氯乙烯材料，并不能完全反應低煙無鹵阻燃護套的抗開裂性能
，他在卷繞時加上7Kg負載，如圖二所示，130℃加熱3小時，觀察表面是否有
開裂。通過該實驗的材料，制成的電纜抗開裂性能不錯
[16]
。筆者考察材料在不
同溫度、不同負載、不同時間下的抗開裂性能，發(fā)現(xiàn)前20分鐘如沒開裂，以后
就不會開裂。這可能是高溫條件下，高分子鏈段重排，對應力進行了消解。
圖二：熱沖擊試驗卷繞后的樣品
目前該方法及在此基礎上改進的方法
[17-19]
，已成為一些電纜或材料生產廠家評估電纜料抗開裂性能的方法。為了模擬
驗證電纜表面產生傷痕后的開裂性能，筆者還嘗試在樣條表面人為制造傷痕來
測試，一種為壓痕，一種為劃痕，各為深0.1毫米。測試后發(fā)現(xiàn)：壓痕對開裂性
能影響不大；而劃痕對開裂性能影響很大，絕大多數(shù)都在劃痕處斷開，少數(shù)幾
個比較柔軟的材料沒有斷掉，但裂痕增大。這是因為劃痕處是個應力集中點，
在此處更易發(fā)生撕裂。
4、耐環(huán)境應力開裂
GB/T2951-2008第41部分聚乙烯和聚丙烯混合料專用試驗方法-耐環(huán)境應力開裂試驗的方法，是評估表面有刻痕的方法。該方法是制備一個長
方形的樣條，在樣條上長度方向刻出劃痕，然后彎曲180℃置于銅槽中，放在Ig
epal co-630（一種表面活性劑）溶液中（如圖三），在一定溫度和時間內，觀察其刻痕
的發(fā)展方向，并判斷耐環(huán)境應力開裂性能。
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圖三：耐環(huán)境應力開裂試驗樣品
5、高溫折彎
為了評估電纜有傷痕后的抗開裂性能，我們對GB/T2951-2008第41部分聚乙烯和聚丙烯混合料專用試驗方法-耐環(huán)境應力開裂試驗方法進行改進，使其更加符合電纜料。如圖所示原試驗方
法刻痕是沿著折彎方向，刻痕本身不受力。我們在該方法的基礎上，使刻痕垂
直于折彎方向。折彎后，刻痕傷口更容易受到應力損傷。同時我們可以模擬電
纜實際使用的環(huán)境，進行受熱、低溫或其他條件的測試，觀察表面開裂情況。
圖四：改進前后樣品上劃痕對比
試樣尺寸參考GB/T2951-2008第41部分規(guī)定，改進如圖四，厚度可以使用1mm、2mm、3mm，在試樣上
劃痕深度0.1mm，彎曲好的試樣固定在標準要求的黃銅槽中，放入模擬環(huán)境中
測試其抗開裂性能，主要考察受熱下是否會進一步延伸、擴大，以模擬電纜表
面受傷后是否進一步造成開裂。
五、如何從配方角度抗開裂
對于聚氯乙烯電纜料，避免開裂就要選擇適合的增塑劑。如加入低溫性能
好的DOS，提高電纜在低溫下抗開裂性能。加入不易揮發(fā)的聚酯類增塑劑等，
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可以避免聚氯乙烯電纜在高溫環(huán)境中因增塑劑遷移揮發(fā)而造成開裂。另外聚氯
乙烯電纜料應避免加入過多填料，造成性能大幅度下降而開裂。
交聯(lián)可在材料內形成三維網(wǎng)狀結構，增強電纜的抗開裂性能。最初的交聯(lián)
即橡膠硫化，目前的以橡膠為包覆材料的電纜仍然使用。現(xiàn)常用的交聯(lián)方式有
化學交聯(lián)、硅烷交聯(lián)、輻照交聯(lián)等，交聯(lián)后的電纜其機械性能有一個較大幅度
的提高，應力可以分散到網(wǎng)絡狀的結構中，抗應力開裂性能增強，且耐油性能
也有相當?shù)奶嵘�。但交�?lián)后的電纜料在抵抗光、熱、輻照等方面
[20]
仍有欠缺。
為避免電纜料因受到光和熱發(fā)生氧化反應使高分子鏈斷裂，需加入適量的
抗氧劑或穩(wěn)定劑。為避免陽光中紫外線對分子鏈的破壞，可加入UV吸收劑或炭
黑作為紫外光淬滅劑。
低煙無鹵阻燃電纜料因高分子的基體樹脂和無機填料的兩相體系，相容性
較差，如發(fā)生兩相分離就會開裂。為此需要對兩相材料進行處理：氫氧化鋁、
氫氧化鎂等無機填料用偶聯(lián)劑等對表面進行處理，降低極性，提高和基體樹脂
的相容性；利用接枝、共聚的方法在高分子鏈上引入馬來酸酐、丙烯酸及酯等
極性基團，可以增加基體樹脂和無機填料的相容性。
低煙無鹵阻燃電纜料發(fā)展至今已較為成熟，主要由總量30-35%左右基體樹脂如EVA（或EEA等）、PE、POE等中數(shù)種，50-60%左右無機填料如氫氧化鋁、氫氧化鎂、含磷化合物、其他協(xié)效阻燃劑一種
或數(shù)種組合，適量相容劑如聚烯烴馬來酸酐接枝料等，少量加工助劑如抗氧劑
、潤滑劑等和色粉等，為了某些特殊的性能還會加入一些特性材料
[17,21-22]
。常規(guī)的機械性能、一般的防開裂性能很好滿足，但隨著低煙無鹵阻燃電纜
在大線徑電力電纜、鎧裝電纜上的應用，其抗開裂要求越來越高。
在目前配方基本成熟的條件下，科研工作者可以在理論指導下進行配方設
計，開發(fā)抗開裂低煙無鹵阻燃電纜料。如EVA，高VA含量柔韌性好，有利于抗
開裂，但強度低。PE有HDPE、MDPE、LDPE、LLDPE、mLLDPE、VLDPE等
，其有各自的性能特點；POE有八碳、四碳之分，性能也有差異。同樣基體樹
脂，不同廠家不同牌號的性能是有差異的。這些要根據(jù)不同產品的要求進行選
擇。
針對電纜料抗應力開裂性能，筆者提出了強度補償、柔性補償?shù)目捶�。�?BR>7
度補償就是提高材料的強度，以對抗內應力和外力。如劉倩如用HDPE作為主
體骨架材料之一，提高低煙無鹵材料在熱態(tài)時的強度，提高其抗開裂性能，就
是利用強度補償?shù)臋C理，她用該方法制得的材料可以通過加上7Kg負載，溫度
為130℃，1小時的熱沖擊抗開裂試驗
[18]
。筆者也做過多次試驗，在配方總體框
架不變的情況下，EVA/LLDPE總量不變，改變EVA/LLDPE的配比，發(fā)現(xiàn)當增
加LLDPE達到一定值，就能通過上述抗開裂試驗。分析是因為LLDPE的強度大
于EVA，符合強度補償機理。把能通過卷繞抗開裂試驗上述類似配方中的LLDP
E換成強度更低的DFDA-7042，則不能通過，也符合強度補償機理。
但對于強度大的材料，相同的變形，其應力更大，而大的應力也是電纜開
裂的主要原因。筆者在做熱沖擊試驗時，如操作不當在樣條表面造成傷痕，就
容易開裂。而一些柔韌性較好的材料，即使表面有小的缺陷，對抗開裂的影響
也沒有剛性強的材料大。因此筆者基于高分子鏈特性，認為柔性補償機理對于
電纜的抗開裂性能更加有利。筆者嘗試在配方中加入彈性體材料，如POE、SE
BS等，增加材料的柔韌性，在保證一定強度前提下，很容易通過負載熱沖擊試
驗，也可通過有刻痕的高溫折彎抗開裂試驗。能通過刻痕法高溫折彎抗開裂試
驗的材料多在邵D50以下，而常規(guī)的低煙無鹵電纜料硬度多大于邵D50。分析其
抗開裂好的原因：柔韌性好的的材料，相同的變形或彎曲程度下應力較小；柔
韌性好材料其高分子鏈柔軟，活動范圍大，可消解部分內應力。
強度補償和柔性補償二者性能最佳的結合是TPU材料，用該材料制成的電
纜抗開裂性能優(yōu)良，可惜TPU材料阻燃不是太好，且燃燒時煙很大！
筆者根據(jù)前述兩種材料的抗開裂檢測方法，結合強度補償和柔性補償進行
配方試驗，并研究了和電纜抗開裂性能的關系。對已通過熱沖擊抗開裂性能的
電纜料，進行有刻痕的高溫折彎抗開裂試驗，發(fā)現(xiàn)：1mm厚度的樣品都可以通
過40℃、60℃、80℃各24小時的試驗；當厚度增加到2mm時絕大部分可以通過4
0℃、60℃各24小時，但不容易通過80℃下24小時的試驗；而對于3mm的樣品，
40℃放置24小時部分有開裂，60℃時大部分開裂。為此，我們選擇2mm厚度的
樣品來考察電纜料高溫折彎情況下的開裂性能。經過試驗發(fā)現(xiàn)能夠通過高溫折
彎試驗的低煙無鹵電纜料，伸長率都在200以上、邵D硬度在48以下，而且通過
都可以通過通過熱沖擊抗開裂試驗。用兩種不同條件通過抗開裂試驗的電纜料
8
，制備成電纜，電纜外徑為15mm、厚度1mm，分別為無鎧裝和有鎧裝�？疾�
條件為電纜繞成直徑為30mm，放入烘箱中，120℃放置一段時間后發(fā)現(xiàn)：無鎧
裝的電纜，兩種電纜都可以維持1個月以上不開裂；而僅通過熱沖擊抗開裂電纜
料制得的鎧裝電纜數(shù)天就開裂，而80℃通過有刻痕的高溫折彎抗開裂試驗的低
煙無鹵電纜料，維持1個月以上不開裂。但筆者也發(fā)現(xiàn)如果為追求通過刻痕法的
實驗而加入過多的彈性體，會造成無法熱沖擊法實驗，分析原因是一般彈性體
的熔點低、耐熱性差，在150℃融化，無法保持強度。
參考文獻
1、鄭琪,大截面阻燃電纜使用時外護套開裂問題的分析,高電壓技術[J],2004,30(106):34-36
2、王柏東、程仁良、戴忠華等,電纜開裂原因分析,核電工程與技術[J],2005,3：29-36
3、鄒 東、肖明輝,地鐵高架33kV電纜護套開裂原因分析及措施,電氣化鐵道[J], 2009,2：36-39
4、毛文沛,無鹵低煙阻燃鋼帶鎧裝電纜護套應力開裂的探討,電線電纜[J],2001,6:20-22
5、周禮文,大外徑電力電纜聚乙烯外護套開裂問題的探討,電線電纜[J],2012,4:44-46
6、李漢卿,城市軌道交通用電纜外護套開裂原因淺析,電氣化鐵道[J], 2011,3：40-41
7、劉強,淺析低煙無鹵阻燃聚烯烴外護套的開裂原因,光纖與電纜及其應用技術[J],2013,4:39-40
8、胡先志、魏忠誠、胡戰(zhàn)洪等,耐環(huán)境應力開裂的PE電(光)纜護套料的研制,現(xiàn)代塑料加工應用[J],1996,1：
28-32
9、葉昌明,HDPE耐環(huán)境應力開裂的機理、影響因素和改進,塑料科技[J],2002,10:55-58
10、李國政,聚乙烯護套料的耐環(huán)境應力開裂性能,電線電纜[J],1998,4：23-27
11、胡亞南,電纜聚乙烯護套開裂原因分析與解決措施,黑龍江科學[J],2013,8：26-27
12、葛鐵軍、劉義、朱誠實,HDPE電纜絕緣護套料的耐環(huán)境應力開裂性改性研究,沈陽化工學院學報[J],
2003,17（2）：123-125
13、張亦希、盧天華,LDPE電纜護套料耐環(huán)境應力開裂性的改進,塑料工業(yè)[J],1988,5 ：42-46
14、王永、張佳、趙珺,無鹵低煙阻燃電力電纜護套開裂問題的分析及處理,電世界[J],2013,10：11-13
15、劉容德、王晶、李靜等.汽車用環(huán)保PVC電纜料的研制之三——
耐低溫性能和耐老化性[J].聚氯乙烯，2010（10）：19-23
16、項健、汪曉明,無鹵低煙阻燃護套料抗開裂性能及其檢驗方法的研究和探討,高品質射頻電纜會議論文
集,2009：89-92
17、劉倩如,抗開裂低煙無鹵阻燃電纜料的研制,光纖與電纜及其應用技術[J],2013,1：17-19
18、張 凱、李秀峰、徐曼等,一種抗開裂低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜護套料,電線電纜[J],2013,3：21-23
9
19、Crack-resistant, flame retardant, halogen-free, cable assembly and coating composition US7964663B2
20、金金元,低壓交聯(lián)電纜絕緣層開裂原因分析與處理,電力安全技術[J],2012, 14(7)：51
21、、Crack-resistant, flame retardant, halogen-free, cable assembly and coating composition US7964663B2
22、倪忠斌、陳明清、楊成等,低煙無鹵阻燃電纜料的研制,無錫輕工大學學報[J],2001,5：500-502
Analysis of Anti-cracking Cable Materials and Solving Methods
Abstract：The paper analysis the crack-resistant property of cables,and discuss the reasons of the cable and the
method how to result them from the cable materials.To evaluate the crack-resistant property of the cable
materials,we establish the new method by hot bend.Compared with thermal impact test,hot bend test is better.Our
study can direct to develop the crack-resistant cables.
Keyword：Cable material,Crack-resistant,Cause analysis,Countermeasure,Test method