電纜料在PVC 配方中屬于性能要求較高的品種,特別是電絕緣性、耐低溫性和耐老化性等都有一定要求。配方設計時必須考慮這些特殊的要求。
PVC 電纜料是由聚氯乙烯樹脂、穩定劑、增塑劑、填充劑、潤滑劑、抗氧劑、著色劑等組成。PVC 電纜料的耐電壓和絕緣電阻比較高,但介電常數和介電損耗較大。因此,一般主要用作低壓(≤1KV)和中高壓(6~10KV)電纜的絕緣層。PVC 塑料由于具有難燃、耐油、耐電暈、耐化學腐蝕和良好的耐水性能,因此還廣泛用作電線電纜的護層材料。利用添加特種性能助劑或改性劑,可以分別制造出耐熱型(105℃)、耐寒型、耐油型、難燃型、特軟型和無毒型的PVC 電纜料,以滿足特殊電線電纜產品的需要。
PVC 電纜料可分為護層級和絕緣級兩種。護層級要求耐熱性好,而絕緣級則要求絕緣性好。
各組分選擇的要點如下:
1、PVC 樹脂2、增塑劑3、穩定劑鹽基性鉛鹽作主穩定劑4、潤滑劑5、填充劑
參考配方:(重量份)
PVC 絕緣級電纜料
(1)
PVC 100 二堿式亞磷酸 2
DOP 20 硬脂酸鉛 0.8
氯化石蠟 18 硬脂酸鈣 0.4
M-50 18 碳酸鈣 4
三堿式硫酸鉛 3 煅燒陶土 6
(2)低成本
PVC 100 DOP 38
環氧大豆油 3 氯化石蠟 12
三鹽基性硫酸鉛 5 二鹽基性硬脂酸鉛 2
陶土 10 碳酸鈣 10
(3)
PVC 100 堿式碳酸鉛 6
DOP 34 硬脂酸鈣 1
42%氯化石蠟 17 雙酚A 0.25
電氣級陶土 10
相關性能:硬度(邵氏)91;拉伸強度20MPa ;伸長率430%;拉伸強度保持率105%;伸長保持率92%;電線耐溫60℃。
(4)
PVC 100 堿式碳酸鉛 6
DOP 27.5 硬脂酸鈣 1
52%氯化石蠟 27.5 雙酚A 0.25
電氣級陶土 10
相關性能:硬度(邵氏)89;拉伸強度20MPa ;伸長率420%;拉伸強度保持率104%;伸長保持率100%;電線耐溫60℃。
(5)
PVC 100 三堿式硫酸鉛 6
DIDP 55 硬脂酸鈣 1
電氣級陶土 10 雙酚A 0.25
相關性能:硬度(邵氏)83;拉伸強度17.2MPa ;伸長率390%;拉伸強度保持率104%;伸長保持率117%;電線耐溫90℃。
(6)
PVC 100 三堿式硫酸鉛 6
DIDP 45 硬脂酸鈣 1
42%氯化石蠟 15 雙酚A 0.25
電氣級陶土 10
相關性能:硬度(邵氏)83;拉伸強度16.8MPa ;伸長率310%;拉伸強度保持率100%;伸長保持率113%;電線耐溫90℃。
(7)
PVC 100 三堿式硫酸鉛 6
DIDP 40 硬脂酸鈣 1
52%氯化石蠟 22 雙酚A 0.25
電氣級陶土 10
相關性能:硬度(邵氏)85;拉伸強度18.3MPa ;伸長率340%;拉伸強度保持率99%;伸長保持率109%;電線耐溫90℃。
(8)
PVC 100 硬脂酸鈣 1
季戊四醇辛酸丁酸酯 55 雙酚A 0.25
爾堿式鄰苯二甲酸 6
相關性能:硬度(邵氏)83;拉伸強度17.7MPa ;伸長率320%;拉伸強度保持率106%;伸長保持率103%;電線耐溫105℃。
(9)
PVC 100 DOP 22
DIDP 12 三鹽基硫酸鉛 3
氯化石蠟 10 硬脂酸鉛 0.5
硬脂酸鋇 1 雙酚A 0.3
碳酸鈣 20 鈦白粉 適量
(10)70℃
PVC 100 DOP 45
三鹽基硫酸鉛 4 二鹽基亞磷酸鉛 3 硬脂酸鉛 0.5 硬脂酸鋇 1 碳酸鈣 10 雙酚A 0.5
鈦白粉 2 色 適量
(11)600V
PVC 100 DOP 40 50%氯化石蠟 15 三鹽基性硫酸鉛
二鹽基硬脂酸鉛 0.5 硬脂酸鉛 0.5 碳酸鈣 20 煅燒陶土 10
(12)600V
PVC 100 DOP 50
三堿式硫酸鉛 2 硬脂酸鋇 1 粘土 10
PVC 護套級電纜料
(1)
PVC 100 二堿式亞磷酸鉛 2 DIDP 30 硬脂酸鋇 1 TCP 12 硬脂酸鉛 1 DOP 13 碳酸鈣 8 三堿式硫酸鉛 3 5
(2)耐熱105℃
PVC 100 硬脂酸鋇 0.6
TOTM 62 二堿式鄰苯二甲酸鉛 6 三堿式硫酸鉛 1 雙酚A 0.4 硬脂酸鉛 0.6
(3)耐熱70℃
PVC 100 DOP 35 DOS 10 三堿式硫酸鉛 4 二堿式亞磷酸鉛 3 硬脂酸鋇 1 硬脂酸鉛 0.5 碳酸鈣 15 鈦白粉 2 雙酚A 0.5
(4)柔軟型
PVC 100 DOP 30 DOS 30 環氧酯 6 硬脂酸鋇 3 硬脂酸鎘 1.5 雙酚A 0.25
(5)耐寒
PVC 100 DOP 10 DOS 28 T-50 18
52%氯化石蠟 8 三堿式硫酸鉛 3
二堿式亞磷酸鉛 4 二堿式硬脂酸鉛 1 硬脂酸鈣 1 雙酚A 0.5
碳酸鈣 5
(6)非遷移型
PVC 100 聚酯增塑劑 66
三堿式硫酸鉛 5 硬脂酸鉛 1
礦物油 0.3
(7)耐光型
PVC 100 DOP 22
DOS 20 TCP 7
T-50 5 三鹽基硫酸鉛 2
二鹽基亞磷酸鉛 5 二鹽基硬脂酸鉛 0.3 硬脂酸鋇 0.7 雙酚A 0.1
UV-529 0.1
(8)耐磨型
PVC 100 二堿式硫酸鉛 1
三堿式硫酸鉛 5 偏苯三酸三辛酯 40 三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯 5
(用電子束輻照交聯)耐磨性≥500周
(9)耐疲勞
PVC 100 三堿式硫酸鉛 6 DOP 60 硬脂酸鉛 1
介酸酰胺 0.5 碳酸鈣 50
相關性能:可反復彎曲5萬~6萬次。
(10)耐油型
PVC 100 氯化石蠟 13
741 40 三堿式硫酸鉛 3
DOP 20 二堿式硫酸鉛 2 DBP 8 雙酚A 0.4
TCP 18 Ba/Cd/Zn復合液 1
741為ELVALOY741,是美國杜邦公司生產的乙烯-醋酸乙烯-一氧化碳共聚物產品。
(11)透明型
PVC 100 DOP 25
硬脂酸鋇 1 DBP 15
硬脂酸鈣 0.8 硬脂酸 0.3
有機錫8831 2.5 亞磷酸三苯酯 0.3
PVC 電纜料因生產設備的不同主要有如下四種方式:
1、 雙輥開煉切粒:原輔料→配料→高速混合機→密煉機→雙輥開煉機→冷卻水槽→干燥→切粒機→篩選磁選→計量→包裝。
2、 單螺桿擠出機造粒:原輔料→配料→高速混合機→冷卻混合機→單螺桿擠出機→熱切機頭→風冷→篩選磁選→計量→包裝。
3、 雙階擠出機(一階雙螺桿擠出機,二階單螺桿擠出機)造粒:原輔料→配料→高速混合機→冷卻混合機→雙階擠出機→熱切機頭→風冷→篩選磁選→計量→包裝。
4、 雙螺桿擠出機造粒:原輔料→配料→高速混合機→冷卻混合機→雙螺桿擠出機→熱切機頭→風冷→篩選磁選→計量→包裝。
具體工藝:
1、 雙輥開煉切粒生產工藝
(1) 準備工作:著色劑、填充劑分別用80目篩網過篩,并分別加入增塑劑浸透后用三輥研磨機或膠體磨進行研磨,備用。穩定劑、抗氧劑及少量填充劑加入增塑劑中,攪拌成糊狀漿料,然后用三輥研磨機或膠體磨研磨,使漿料粒度小于0.050mm ,升溫到90℃并一直攪拌,備用。PVC 樹脂用60目篩網過篩。
(2) 捏合:高速混合機中通入0.2MPa 的蒸汽進行加熱,投入PVC 樹脂,然后緩慢加入研磨好的混合漿,待樹脂將增塑劑基本吸收后再加入填充劑、著色劑,物料呈膨脹疏松粉末時卸料,此時料溫在110℃左右。全過程約需要5~10分鐘。
(3) 密煉:蒸汽壓力0.3~0.4MPa,壓縮空氣壓力0.5MPa ,密煉時間3~5分鐘,上頂拴抬起次數2~3次,物料密煉成團狀小塊,無粉料時卸料。
(4) 雙輥開煉:蒸汽壓力0.4~0.5MPa,輥溫160~170℃(絕緣料溫度宜高些)至料完全塑化均勻后,以3mm 厚度出片,所出料片應塑化均勻,韌而光潔、無生料。
(5) 冷卻:采用逆流浸沒式水冷卻槽,鼓風機除去料片上粘著的水分。
(6) 切粒:采用平板切粒機。切好的電纜料無長條、斜方形及連粒現象。
(7) 包裝:經篩選磁選、計量后包裝。
2、 普通單螺桿擠出機造粒生產工藝
(1) 準備工作:穩定劑、填充劑、著色劑分別用80目篩網過篩,并分別加入增塑劑浸透后用三輥研磨機或膠體磨研磨。稱量后備用。增塑劑混合均勻后預熱90℃待用;樹脂用60目篩網過篩。
(2) 捏合:投入PVC 樹脂,然后加入增塑劑攪拌片刻,待樹脂將增塑劑基本吸收后,加入穩定劑,靠摩擦熱使料溫升到90℃左右,再加入填充劑、著色劑,料溫升至110℃時,將料卸到冷卻混合機中降溫,至45~50℃以下時出料。
(3) 擠出造粒:擠出機(以SJ-120/20為例)溫度為80℃、120℃、160℃、170℃,機頭165℃(增塑劑添加量少時,溫度提高5~10℃左
右);擠出機螺桿轉速10~30轉/分;機頭過濾網80目、120目各一層;風冷采用風壓0.07MPa (544mmHg )、風量2250m 3/h功率7.5kw 的離心式通風機。
(4) 包裝:經篩選磁選、計量后包裝。
3、 雙螺桿擠出機造粒生產工藝
(1) 準備工作和捏合工藝同單螺桿擠出機造粒工藝。
(2) 擠出造粒:機身溫度130~150℃;機頭溫度140~186℃;主機轉速5~15轉/分。
(3) 包裝:經篩選磁選、計量后包裝。
4、 雙階擠出機造粒生產工藝
(1) 準備工作和捏合工藝同單螺桿擠出機造粒工藝。
(2) 擠出造粒:雙階擠出機由兩部分組成,第一階為高速同向雙螺桿混煉機,第二階為低速單螺桿擠出機,兩者呈垂直正交布置,構成雙階式復合機組;將同向雙螺桿與單螺桿優勢結合互補。雙螺桿強制輸送、高效塑化混煉與剪切分散,無機頭背壓回流,避免了高剪切過熱;單螺桿高壓擠出,但低速低剪切,同樣回避了過熱矛盾。特別適合PVC 等熱敏性物料的加工。雙螺桿加工溫度150~185℃,單螺桿溫度130~165℃。采用風冷磨面熱切粒方式,粒料經旋風分離器、振動篩進入料倉。
(3) 包裝:經篩選磁選、計量后包裝。
PVC 電纜料實際生產,可根據設備情況和現場條件靈活組合及搭配,關鍵是要保證配方準確、物料混合充分均勻、塑化良好。因為電纜成型時還要再次受熱成型,所以造粒溫度不能太高。
目前很多電纜料的生產,為了方便省事,研磨物料的種類和數量有所減少,甚至不研磨直接混合使用,往往會造成一些質量方面的問題。
PVC 電纜料質量問題原因剖析
這里主要結合擠出造粒工藝來進行分析和說明。一些簡單的常規問題,比如粒料粘連(冷卻不充分)、模頭出料不一致或只有部分地方出料(模頭加熱不均或加熱不透、物料流動性差等原因造成)等,這里不作為說明的重點。
1、 電纜料氣孔問題
造成此問題的原因主要有兩個,一是原料中水分偏高,有可能水分超標的原料有PVC 樹脂、增塑劑、填料和穩定劑,由于添加量比較大,PVC 樹脂和填料應作為檢查的重點。這種狀況,一般在捏合過程和擠出機抽真空處會有所表現。二是因為配方體系穩定性差或物料高溫停留時間過長,物料分解而導致氣孔出現。此問題嚴重時,一般會伴有顏色的變化。
2、 電纜料析出問題
因為電纜料中增塑劑比例較高,加之為降低成本一些抵擋增塑劑的混用,實際生產中析出問題出現還是較多的。該問題主要和增塑劑品種及PVC 樹脂顆粒結構有關,如果增塑劑與PVC 樹脂的相容性差,這類增塑劑比例過高時,析出問題就不可避免。一般都會歸結到增塑劑這里。其實PVC 樹脂顆粒形態也與此有很大關系,如果顆粒過于緊密,皮膜太厚,增塑劑就不易進入到顆粒中,從而影響樹脂與增塑劑分子的“結合”。100gPVC 樹脂增塑劑吸收量只能部分反應樹脂的這種性能,可以作為一個參照。但和實際情況還是有較大差異的。如果是因樹脂原因造成的析出,一般還會出現料偏硬或塑化不好現象,出現一些類似魚眼狀的小顆粒物質。
另外,物料的混合工藝對此影響也很大。特別是混合過程中各種助劑的添加順序及時機(溫度或前面物料混合程度),對混合過程中增塑劑分散吸收以及電纜料析出問題有明顯影響,這也是大家容易忽視的問題。混料時要盡量保證增塑劑與PVC 樹脂有充足的混合時間和一定的混合溫度(90℃左右)。
3、 電纜料表面粗糙問題
表面粗糙分兩種,一種是疙瘩,一種是麻點。
疙瘩主要是由一些混合時分散不均勻的粉料聚集體,擠出過程中不能塑化,被塑化的PVC 物料包覆一起由口模擠出,而在電纜料中形成的。前面提到的魚眼和未充分吸收增塑劑的PVC 樹脂顆粒,也會造成疙瘩現象,但一般比較小。如今配方,追求填料更細更多,填料如果表面處理不好,混合時效果不佳,出現團聚現象的幾率會比較大,
只不過團聚程度的大小以及電纜料中表現是否嚴重,是否成為了問題。
麻點問題相對要復雜一些,一般認為和物料中跑出的小分子物質有關。這些小分子物質來源于樹脂本身、增塑劑、潤滑劑。由于擠出造粒生產電纜料時,都需要抽真空,按道理這些小分子物質應該被抽提走,但為什么還會出現呢?通過分析發現,其實這些小分子物質更多是抽真空后,物料中產生出來的,很多是來自量不是很大的潤滑劑,當然也有增塑劑中的。因為電纜料作為軟制品,有大量的增塑劑,所以配方設計時一般不太注意潤滑劑,會使用一些低檔滑劑,這些低檔滑劑熔點低,擠出后期很多成分易揮發出來,此時已無法排除,只好被熔融物料夾裹著前行,由于氣體比重輕,會盡可能逃逸到表面,占據一定空間,和物料一起被強制輸送,從模口出來后它立即進入空氣中,但在電纜料上卻留下了點點痕跡。
還有一種情況是,配方外潤滑嚴重不夠,特別是后期潤滑不夠,熔融物料在擠出過程中與機械表面產生粘連現象,造成表面粗糙,會有出現一些坑洼。發生這種情況時,一般電纜料表面的整體都不會太好。
4、 絕緣性不好
因為PVC 材質局限及增塑劑等助劑影響的原因,PVC 電纜料的絕緣性是有一定限度的。對于普通電纜料來說,如果絕緣性明顯偏差,主要有如下幾個原因:
(1)雜質偏多。雜質的混入會對電纜料產生不利影響,過多的雜質會造成絕緣性的問題。這些雜質有可能來源于PVC 樹脂和各種助劑,也有可能來源于混料和加料環節。
(2)粉狀顆粒太粗。電纜料中粉狀助劑一般是要經過研磨后才使用的,如果圖省事或者一些機械故障,造成加入的粉狀物質顆粒過粗,會對電纜料的絕緣性產生不利影響。
(3)著色劑重金屬問題。很多顏料都是一些重金屬鹽類,這些重金屬離子會提高電纜料的導電性,降低其絕緣性。所以電纜料顏料的選擇是很重要的。
5、 電纜料受潮
因為電纜料中有一定比例的填料,有些還會有一定比例的低檔增塑劑(或增塑劑替代品),本來不易產生受潮現象的電纜料,在一定季節也會出現這類問題。電纜料受潮和包裝過程及包裝物有很大關系,應該強化干燥,使其冷卻到一定溫度下再封口密閉,另外還應改善包裝物,增加防潮措施。同時,還應注意由潛在降解和表面附層引起的假受潮現象,這方面楊濤已在“PVC電纜料受潮現象剖析”[1]一文中進行了詳細的分析和說明,這里不再重述。
6、 電纜料發脆
電纜料脆的問題,一般和PVC 樹脂型號、增塑劑、潤滑劑、填料等配方組分有關。PVC 樹脂如果選用偏高的型號,由于PVC 分子鏈短,做出的電纜料性能就會偏脆。增塑劑添加量少,電纜料偏硬,有時也會有偏脆的感覺。更多的是因為填料添加量太大,而造成的電纜料性能下降,強度不好。潤滑劑是另一重點,如果外潤滑過量,往往會造成塑化不好(塑化溫度低也是塑化不好的另一主要原因),此時電纜料就會明顯強度不好,發脆。
70℃、90℃、105℃電纜料是針對UL 說的。可參考UL1581。它們的老化測試條件不一樣。
UL70是100℃×10天,UL90是121℃×7天,UL105是136℃×7天。