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    電線電纜輻照交聯過程中的問題淺析

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    摘要:在我國輻照交聯電線電纜自上個世紀90年代進入工業化生產,經過十幾年的發展已形成了比較成熟的生產工藝和產業群體。輻照交聯材料種類的不斷增加和更新,各種輻照交聯型特種電線電纜產品如雨后春筍般出現,帶動了電線電纜行業的新一輪發展。然而,電線電纜在輻照交聯過程中存在工藝和其他負面影響,結合使用電子加速器進行輻照交聯方面的經驗,本文將做一些淺析。
    1輻照交聯在特種電線電纜中應用及對材料的改性
        輻照交聯是一種物理交聯方式,在中小型特種電線電纜絕緣和護套的交聯加工改性中占絕對優勢,而在輻照交聯無鹵低煙阻燃聚烯烴電線電纜中更是近百分之一百的使用。在特種電纜的交聯加工中其具有很多優勢,相比化學交聯(CV)和硅烷交聯(SV),具有加工速度快、能耗低、易于控制、擠出和交聯工序分離等優點。
    輻照交聯主要導致的性能變化包括:
        1)電學性能:輻照交聯導致絕緣介電常數、介電損耗正切和介電強度的增加,使電線電纜的絕緣電阻增大,耐電壓能力提高;
        2)機械物理性能:輻照交聯使絕緣和護套材料的冷流和抗蠕變性能提高,彈性模量增大,體現在電纜中為絕緣熱收縮變小護套高溫壓力性能提高等;
        3)耐熱性:輻照主要改善了電線電纜絕緣和護套的耐熱特性,交聯使材料由線性分子結構轉變為網狀結構,材料耐溫等級可提高到90 ℃、105 ℃、125 ℃和150 ℃四個溫度等級;
        4)耐溶劑性:交聯使絕緣和護套材料的耐燃料油、耐礦物油特性得到顯著提高,耐酸堿鹽及耐化學有機溶劑得到改善;
        5)抗開裂性:無鹵低煙阻燃材料易開裂長久以來是其軟肋,經過輻照交聯后,抗開裂性得到顯著提高并達到使用要求;
        6)耐水性:因無鹵阻燃材料的配方中加入了Al(OH)3、Mg(OH)2等金屬氫氧化物,以及煅燒陶土、炭黑、碳酸鈣和滑石粉等填充料,其易于吸濕,輻照交聯使分子結構改性,吸水特性遠高于標準指標。
        輻照使交聯效率大大提高,材料性能得到有效改善;然而,高劑量輻照交聯還會伴隨一些不利的副反應和工藝上的難度,如熱效應、靜電和電子積聚、放電破壞等。
    2輻照交聯中的熱效應
        電線電纜絕緣和護套材料輻照交聯所吸收的輻射劑量,僅僅是一部分用于化學和分子結構轉變上,而大部分輻射能量轉化為分子的激發和熱。由于聚合物對熱量傳遞是低效的,以至所吸收的能量可導致相當高的溫升,特別是高劑量率的電子束輻射加工,熱效應問題要特別重視。
        溫升不僅導致絕緣和護套材料化學反應速度增加,若溫度超過了材料的玻璃化轉變溫度或熔點,輻照產生的附加產物如H2、CO等氣體被凍結在材料中的小分子還來不及擴散,這些氣體產物在材料中將形成氣孔或發泡,使絕緣質量降低,熱效應與發泡隨絕緣或護套厚度的增加熱效應變得更為嚴重。
    針對輻照交聯過程中的熱效應問題,采取必要的冷卻措施是必要的,加強束下的空氣交換和對電線電纜直接冷卻是兩種切實可行的方法。
    3靜電及電荷累積
        絕緣輻照交聯過程中絕緣層會形成靜電和電荷積聚,火花檢驗時造成假擊穿,耐壓試驗時由于電子積聚使絕緣擊穿,嚴重影響電線電纜產品質量。
    電線電纜絕緣電子束輻射加工中,特別是絕緣,靜電現象是十分重要的。電子束輻照提供過剩的電子并沉積在絕緣材料中,被輻照的表面消耗負電荷,而且對地成為正電位。在絕緣材料的輻射加工中,所用輻照劑量越低,靜電效應越輕,反之,靜電效應越明顯。
        電子束輻照交聯絕緣的靜電現象很普遍,即使電子束的能量輻照并穿透最適宜厚度(電子束在絕緣的進入面和穿透面輻照劑量相等之間的厚度),電荷沉積沒有明顯的副作用。但大多數電子束電子通用過輻照絕緣時,總會留下少量的電荷,累積電荷隨輻照劑量增大而增強。在這種情況下,電荷的累積停留在材料中,隨時會發生意外放電。用能量不夠的電子束加工厚的聚乙烯、聚烯烴或輻照交聯乙丙橡膠,由于累積電子放電可能導致絕緣缺陷的形成,造成大批電纜不合格。在電纜輻照交聯中對這一點是要特別預防,特別是材料配方中的添加劑,控制俘陷電荷的釋放。
        輻照交聯時,整根電線電纜的導體和金屬屏蔽應有效接地,以達到放電的效果,另外,對于一些乙丙橡膠材料的電線電纜,輻照完成后,可放置一段時間使絕緣或護套有效放電后,再進行火花過程檢驗和成品耐壓試驗,減少假擊穿和成品電纜的絕緣擊穿造成的不合格。
    4輻照交聯不均勻性
        對于大截面和大外徑的電纜,往往存在輻照不均勻的現象,由于外徑較大,電纜背面無法照射,使交聯度不均勻,絕緣或護套熱延伸不合格。
        在實際輻照交聯加工過程中,可安裝反射磁鐵系統,由于磁場的存在使電子束反射照射在電線電纜背面,達到同步照射進而使絕緣或護套交聯均勻。
    5張力對電線電纜的影響
        輻照交聯裝置中張力對電線電纜質量的影響也是很重要的,雖然現代輻照加速器中均設計有同步傳動,然而,對于小截面或小外徑的電線電纜,其本身的張力對電線電纜截面或外徑的影響是不可忽略的。此外,薄壁型絕緣線芯輻照時,由于絕緣很薄,很容易因張力過大而被勒傷,實芯導體絕緣輻照時常會造成絕緣層與導體間附著力減小使絕緣層打轉。所以,在電線電纜結構設計時應充分考慮這些影響,以減少不必要的損失。
    6輻照氧化效應
        由于輻照交聯在空氣中進行常伴隨材料的輻射氧化,輻射氧化與材料及輻照條件密切相關。
    材料方面,由于聚合物材料中溶解氧的存在和輻照交聯中氧向聚合物材料中非晶區的擴散侵入,交聯加工同時伴隨著輻射氧化裂解反應。由于輻射加工后絕緣中自由基的存在,與擴散進入的氧發生氧化反應,這不僅影響電線電纜的使用壽命也影響其電氣和機械物理性能。因此,在絕緣和護套材料中必須加入抗氧劑,以減少這一過程。常用的抗氧劑主要是酚類和胺類,這些抗氧劑與絕緣或護套材料中自由基反應而變得穩定,避免氧化。然而,抑制氧化的抗氧劑也會增加所需要的輻射劑量。
        輻照交聯條件方面,輻照過程中產生的臭氧會加劇氧化效應,氧化會使絕緣和護套材料裂解,影響其絕緣和機械物理性能。加強束下室內空氣交換以及時排出產生的臭氧,這是必要可行的措施。
    7結束語
        輻照交聯作為一種適合時代發展需要的交聯方式,在特種電線電纜的生產和研發方面發揮著越來越重要的作用,尤其在核電站用1E級電纜的生產中更是明確要求生產廠家必須有加速器。輻照交聯技術在解決特種電線電纜 “抗”和“耐”的要求方面發揮著至關重要的作用。然而,輻照交聯過程中存在的一些客觀問題不得不引起注意,我國輻照交聯電線電纜與發達國家的差距更是鞭策著我國輻射加工行業的發展,我們在輻射加工行業要走的路還有很長。
    參考文獻:
    [1]徐應麟主編.電線電纜手冊(第2冊)[M].北京:機械工業出版社,2014.04.

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