CC BY
69
Ким Владимир Сергеевич
Kim Vladimir Sergeevich
Национальный исследовательский Томский Политехнический Университет
National Research Tomsk Polytechnic University Доцент / associate professor Кандидат физико-математических наук Doctor of Philosophy E-Mail: kim_vs@rambler.ru
Физико-механические свойства пластмассовой изоляции
Исследование влияния технологических факторов производства самонесущих изолированных проводов на механические свойства изоляции из сшитого полиэтилена
Study of the influence of technological factors of self-supporting insulated wires manufacture on the mechanical properties of the cross-linked polyethylene insulation
Аннотация: Представлены результаты исследования влияния скорости экструзии и времени сшивания на плотность пространственной сетки и прочность изоляции промышленно выпускаемых самонесущих изолированных проводов (СИП). Показано, что механические характеристики изоляции СИП определяются не только степенью сшитости полиэтилена, но и степенью ориентированности его молекул. Обсуждаются возможные способы повышения стабильности и предсказуемости механических свойств изоляции СИП.
The Abstract: The effects of extrusion rate and crosslinking time on the spatial grid density and the insulation strength of commercially available self-supporting insulated wires are studied. It is shown that the mechanical properties of the insulation are determined not only by the degree of cross-linking of polyethylene, but also by the degree of the molecules orientation. Some ways to improve the stability and predictability of the insulation mechanical properties of self-supporting insulated wires are discussed.
Ключевые слова: Изоляция СИП, силаносшитый полиэтилен, силанольное
сшивание.
Keywords: Insulation of a self-supporting insulated wire, silane cross-linked polyethylene, silane cross-linking.
***
Широкое распространение самонесущих изолированных проводов (СИП)
предъявляет повышенные требования к качеству и надежности изоляции из сшитого полиэтилена (СПЭ). Свойства СПЭ, и в первую очередь механические характеристики, во многом зависят от степени и однородности пространственной сетки. В свою очередь, структура сетки и образование дефектов в изоляции СИП связаны с качеством используемой на производстве полимерной композиции и технологическими условиями переработки [1].
В данной работе представлены результаты исследования зависимости механических свойств изоляции промышленно выпускаемых проводов СИП-3 1х95, СИП-4 4х16 и СИП-5 4х16 от таких технологических факторов, как частота вращения шнека экструдера и время сшивания.
Изоляция проводов изготовлена из широко применяемой системы Visico/Ambicat фирмы Borealis. Плотность возникающей сетки определялась по результатам испытаний изоляции на тепловую деформацию, в соответствии с методикой, предложенной в [2]. Испытания механических характеристик изоляции (относительное удлинение при разрыве 8р, прочность при разрыве ор и тепловая деформация 8т) проводились в соответствии с ГОСТ Р МЭК 60811-1-1 и ГОСТ Р МЭК 60811-1 -2-2006.
Обсуждение результатов
Степень ориентации молекул ПЭ при экструзии зависит от скорости экструзии. При заданной толщине изоляции Диз существует соответствие между скоростью вращения шнека и скоростью движения жилы. В табл. 1 представлены линейные скорости жилы,
соответствующие выбранным скоростям вращения шнека для исследуемых марок СИП.
Таблица 1
Линейные скорости наложения изоляции
Марка провода Радиальная толщина изоляции Аиз, мм Скорость, при n1=20 об/мин, м/мин Скорость, при n1=40 об/мин, м/мин Скорость, при n1=80 об/мин, м/мин
СИП-3 2,5...2,7 7 15 26
СИП-4 1,3. 1,5 23 56 100
СИП-5 1,3. 1,5 28 69 123
В табл. 2 представлено сравнение характеристик ПЭВД [3], степень кристалличности которого 50...65%, с характеристиками образцов изоляции СИП, не подвергавшихся сшиванию. Данные испытаний усреднялись по значениям, полученным не менее чем на шести образцах.
Таблица 2
Сравнение прочностных характеристик несшитого ПЭ
Характеристика ПЭВД СИП-3 СИП-4 СИП-5
ор, МПа 6 0 9,4.10,8 10,9.11,9 10,5.11,1
% О4 ,р в 400.600 285.346 137.213 155.252
Прочность ор несшитого ПЭ лежит вблизи нижней границы значений прочности ПЭВД, тогда как значения вр на 50...250% меньше табличных. Это можно объяснить тем, что материал-основа представляет собой композицию на основе ПЭВД, сополимеризованного с винилсиланом. Известно, что высокая степень разветвленности молекул полимера снижает вр. Прививание силанольных групп к молекулам ПЭВД увеличивает их степень разветвленности, что мешает макромолекулам развернуться на максимально возможную величину.
Приведенные в табл. 2 значения ор отличаются для различных марок провода в среднем на 1.2 МПа, а вр - на 50.100%. Это связано с тем, что токопроводящая жила проводов СИП-3 и СИП-4 скручена из круглых проволок и уплотнена. Снятая с провода изоляция имеет неровности на внутренней поверхности. Согласно ГОСТ Р МЭК 60811-1-1-98 (или LEG 60811-1-1-2011), такие неровности рекомендуется удалять, но в изоляции кабелей они могут быть областями неоднородности сетки при сшивании ПЭ. В данной работе неровности на изоляции не удалялись.
Высота неровностей изоляции СИП-3 h = 1.1,2 мм при толщине изоляции Н= 2,5.. .2,7 мм, для СИП-4: h= 0,5...0,6 мм при Н = 1,3.1,5 мм. Область возможных структурных
неоднородностей и трещинообразования составляет до 40% толщины изоляции, что является причиной большой погрешности при измерении Ор и 8р. Провод СИП-5 производится с однопроволочной жилой, на внутренней поверхности изоляции неровности отсутствуют, и погрешность измерений для данных образцов заметно меньше.
На рис. 1-3 представлены результаты испытаний изоляции СИП на тепловую деформацию 8т в зависимости от времени сшивания (для разных скоростей наложения изоляции).
Рис. 1. Зависимость тепловой деформации ет изоляции СИП-3 от времени сшивания
Рис. 2. Зависимость тепловой деформации ет изоляции СИП-4 от времени сшивания
Рис. 3. Зависимость тепловой деформации ет изоляции СИП-5 от времени сшивания
Из рис. 1-3 видно, что для изоляции проводов СИП-4 и СИП-5 плато вулканизации появляется уже после 10.15 минут сшивания. Для провода СИП-3 плато начинается примерно при 40.45 мин (рис. 2), что связано с большей толщиной изоляции.
Плотность сетки для изоляции СИП-3 изменяется от 3,5Т0"05 моль/см3 (сшивание 20 мин.) до 8,1 -10"°5 моль/см3 (сшивание 60 мин.). При этом плотность сетки в среднем тем выше, чем меньше скорость наложения изоляции. Так как температура переработки материала 150.170°С, то процесс сшивания начинается уже в экструдере. При меньшей скорости наложения изоляции материал находится в цилиндре экструдера большее время, а молекулы ПЭ меньше развернуты.
Для СИП-4 и СИП-5 при сшивании от 5 до 30 мин, плотность сетки меняется от 2,43Т0"05 до 8,17Т0"05 моль/см3. Для этих марок СИП зависимость плотности сетки от скорости вращения шнека менее выражена, чем для СИП-3, толщина изоляции которого почти в два раза больше. Тем не менее, плотность сетки для образцов, полученных при частоте вращения шнека 20 об/мин в среднем на 10.40% выше, чем для образцов, полученных при более высокой скорости вращения шнека.
Зависимости 8р и ор от времени сшивания представлены на рис. 4-6. По сравнению с несшитым ПЭ, сшивание в среднем приводит к уменьшению 8р на 80. 140% и увеличению ор на 0,2.1,5 МПа. С ростом времени сшивания растет плотность сетки, что приводит к уменьшению 8р при одновременном росте Ор.
Рис. 4. Зависимости (а) ер и (б) ор изоляции СИП-3 от времени сшивания
Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800) Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
20
100 м/мин
25 30 35
Время сшивки, мин
Рис. 5. Зависимости (а) ер и (б) ар изоляции СИП-4 от времени сшивания
300
280
260
240
220
200
180
160
140
120
100
а)
■ —
"1 i
10
15
20
-28 м/мин ■
-69 м/мин -
-123м/мин
25 30 35
Время сшивки, пин
14.6
14.2
13.8
13.4 13
12.6
12.2
11.8
11.4 11
10,6
10,2
9,8
9.4
- б)
10
15
20
-28 м/мин
-69 м/мин .
-123 м/мин
25 30 35
Время сшивки, мин
Рис. 6. Зависимости (а) ер и (б) ар изоляции СИП-5 от времени сшивания
Поскольку плотность сетки зависит от скорости наложения изоляции, то и прочностные характеристики также зависят от скорости вращения шнека (рис. 7-9). Общей
тенденцией является одновременный рост 8р изоляции.
и ор при возрастании скорости наложения
СО 111.2 1 Е 11 ■ £ ю,8 ■
о)
_ -
1Л 1 г-'1"
S 1 X
S'
О
у
а_ У.О '
5 10 15 20 25 30
—*—Сшивка60 мин —•— Сшивка45 мин линейная скорость, м/мин
Рис. 7. Зависимости (а) ер и (б) ар изоляции СИП-3 от скорости наложения изоляции
Рис. 8. Зависимости (а) ер и (б) ор изоляции СИП-4 от скорости наложения изоляции
Линейная скорость, м/мин
Сшивка 5 мин — •— Сшивка 15 мин —-д—Сшивка 30 мин
Рис. 9. Зависимости (а) ер и (б) ар изоляции СИП-5 от скорости наложения изоляции
С возрастанием скорости наложения изоляции ор увеличивается на 1,5.2 МПа. Это связано с увеличением степени ориентации макромолекул. Для образцов СИП-4 погрешность измерения ор сравнима с изменением ор (рис. 8, б). Зависимость механических характеристик от скорости экструзии наиболее явно прослеживается на результатах испытаний изоляции СИП-5 с однопроволочной токопроводящей жилой и внутренней поверхностью изоляции без неровностей (рис. 9).
Величина 8р также возрастает при увеличении скорости экструзии на 50.120%. Степень сшивания полимера зависит от скорости диффузии молекул воды, которая в неупорядоченной аморфной области выше, чем в кристаллической [4]. При малой скорости наложения изоляции, степень упорядоченности молекул ниже, чем при высокой. Увеличение скорости экструзии приводит к росту упорядоченной фазы, которая сшита в меньшей степени, чем аморфная. В этом случае, увеличение 8р связано с «разворачиванием» макромолекул слабосшитой кристаллической фазы под действием нагрузки. Косвенно это подтверждается наличием остаточной деформации в образцах даже с максимальной степенью сшитости.
Заключение
В целом, по результатам проведенного исследования выявлено, что механические характеристики изоляции СИП определяются не только степенью сшитости ПЭ, но и степенью ориентированности его молекул в ходе экструзии. Чем выше скорость экструзии, тем выше степень ориентации молекул и меньше плотность пространственной сетки.
Необходимо отметить, что даже при максимальных временах сшивания механические характеристики изоляции достигают значений требуемых ГОСТ Р 52373-2005 (ор не
Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800) Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
менее12,5 МПа, 8р не менее 200%, 8т не более 175%) только при скорости вращения шнека 80 об/мин. Возникающая при сшивании пространственная структура СПЭ крайне чувствительна к технологическим факторам. В этом смысле, повышение скорости экструзии должно сопровождаться жестким контролем режимов сшивания и дозировки катализатора.
В то же время, гладкая внутренняя поверхность изоляции позволяет избежать возникновения микротрещин и структурных неоднородностей и делает механические характеристики изоляции более предсказуемыми. В этом смысле при производстве многопроволочной токопроводящей жилы было бы полезно использовать компактирование вместо обычного уплотнения многопроволочной жилы.
1. Каменский М.К., Мещанов Г.И., Образцов Ю.В. Провода изолированные и защищенные для воздушных линий электропередачи. Основные параметры и эксплуатационные свойства, «Кабели и провода», № 6, с. 3-7, 2004 г.
2. Лямкин Д.И. Сравнительная оценка плотности и стабильности химической сетки полиэтиленовой изоляции кабельных изделий при термомеханическом воздействии, «Кабель-news», №3, с. 73-77, 2010.
3. Брацыхин Е.А., Шульгина Э.С. Технология пластических масс: Учебное пособие для техникумов. - 3-е изд., перераб. и доп. -Л.: Химия, 1982.
4. Панзер Л.М., Бизанг В. Силановое сшивание полиэтилена для улучшения качества продукции и облегчения технологического процесса. «Пластические массы» №3, 1998 г.
Рецензент: Ушаков Василий Яковлевич, профессор, доктор технических наук, Национальный исследовательский Томский политехнический университет.
ЛИТЕРАТУРА
