聚丙烯绝缘电缆的耐热与耐寒

1.电缆的耐热性
  聚丙烯电缆绝缘层在短期或长时间承受高温或温度剧变时能保持基本性能而维持正常使完的能力称耐热性。按材科承受高温作用时间的长短分为短时耐热性和长期耐热性。
  短时耐热性是指材料在高温下是否出现软化、变形、分解等现象，或者材料在热态下的性能指标的变化，即通常所说的热变形性。长期耐热性是指高分子材料处于一定温度下，能否获得预期寿命。通常用绝缘材料的耐热等级、温度指数、长期 高工作温度来表示。它反映了电缆绝缘材料的热稳定性，常指抵抗热氧老化性能。
  电线电缆用橡胶和塑料的耐热性，一般是指高温下的热变形能力和抗氧化能力。

(1)高温下材料热变形能力(热变形性)
  对于聚丙烯电缆，在软化点之前聚丙烯电缆绝缘层基本处于玻璃态，其受力产生很小的弹性形变塑性形变，表现出很高的强度、硬度。随着温度升高，大分子及链段热运动加剧，表现为塑性增大，弹性降低，硬度降低。当温度升至软化点时，很容易产生塑性变形。并很快转变为粘流态。
  1)抗张强度（拉伸强度）     对于橡胶，在热的作用下，机械性能的变化可大体分为三类。一类如天然橡胶、氨丁橡胶、丁苯橡胶，它们在室温下均有较高的抗张强度。随温度升高，抗张强度随温度急剧下降。第二大类如丁基橡胶和硅橡胶。它们在室温下抗张强度不高，但是温度对其影响也不大。第三类是氟橡胶和氯磺化聚乙稀，它们的抗张强度在一定温度时急剧下降，但继续升温时变化不大。而塑料抗张强度一般是随温度升高面逐渐降低，直至熔化。改性聚丙烯PI-2001D就是典型的这类材料。
  2)伸长率   随温度上升，橡胶的伸长率逐渐变小。而对于塑料，其伸长率一般先有上升再很快下降。改性聚丙烯绝缘料PI-2001D伸长率温度曲线如图。
  3)表面硬度      随着温度升高，橡胶类弹性材料硬度变化缓慢，但是仍然保持一定数值。对于热塑性材料，特别是结晶聚合物如聚乙烯聚丙烯，当温度升高到某一数值时，硬度会急剧下降，以致*软化或融化。电线电缆在使用过程中不可避免会发生短时过载和短路的现象，使绝缘层温度上升很高，为保持使其达不到软化温度，就要限制电缆工作温度的上限。建议改性聚丙烯绝缘料PI-2001D电缆长期使用温度不超过120℃，短期使用温度不超过150℃。

总结，在电缆中各种橡胶弹性材料抗高温损坏的能力优于热塑性材料，而在热塑性材料中，非结晶塑料电缆绝缘层又优于结晶塑料电缆绝缘层。

(2)高温下热氧化能力(热稳定性)
  在热作用时间较长时，特别是高分子材料不可避免要接触到氧，在氧和热的共同作用下，电缆绝缘层的氧化反应产生两种结果，一是聚合物大分子或网状大分子断链降解，使电缆绝缘层材料结构变得松散，并降低高分子的分子量，其结果导致电缆绝缘层材料软化，发黏和产生低分子挥发物。二是被氧化的链段连接起来，联成一个网状结构，使结构结实，分子量增大，结果导致聚丙烯电缆绝缘层材料硬脆开裂。

根据聚合物分子的结构和化学键、基团的热稳定顺序，一般认为:
  1) 饱和聚合物的耐热氧化性较不饱和的二烯烃聚合物要好。如乙丙橡胶热稳定性比丁苯橡胶要好，双键数目越多热稳定性越差，如丁笨橡胶比天然橡胶热稳定性好。
  2)线性聚合物比支链聚合物有更高的耐氧化能力。如高密度聚乙烯比低密度聚乙烯含有较少的支化结构，因此，热稳定性更高。高等规度的聚丙烯热稳定性比高密度聚乙烯好。
  3) 体型高分子耐热性比线性、支链聚合物高。如交联聚乙烯热稳定性优于聚乙烯。

4)结晶聚合物在熔点以下比非结晶聚合物耐热氧老化。
  5)取代基的存在，能改变高分子的热稳定性，例如聚氯乙烯树脂在降解的过程中，热的作用有一个感应期，分子氧在降解过程中的某一点之前，并不起明显作用。含氟的聚合物中，聚四氟乙烯是稳定性好的，这是由于C-F键的稳定性大于其他任何C-C、C-H、C-CI键。
  6)硅橡胶热稳定性好是因其主链是Si-0，Si-0键能大，稳定性高。

  2.电缆的耐寒性

  当绝缘材料冷却至低温时，因分子被冻结而产生较大的收缩，使内部变形，不产生松弛，伸长率降低。当电缆弯曲时，将因变形增大而会导致机械开裂，给电缆绝缘造成大的缺陷。特别是潜油泵东北地区冬季户外施工，有时温度在零下30℃，对材料的耐寒要求更高。另外，绝缘材料比金属材料的收缩大，因此它与电缆中的导体相配合是很重要的。
  耐寒性是指高分子材料在低温下仍能保持电线电缆较好的物理力学性能，以满足使用要求的能力。当材料冷至低温时，其变形能力逐渐消失，变为硬脆，直至达到脆化温度，材料即使受到很小的变形也会断裂，所以脆化温度可以作为材料耐寒性的指标。这方面，改性聚丙烯绝缘料PI-2001D因为增加了聚乙烯的共聚段，良好的解决了电缆耐寒性的问题。

  对无定形态高聚物来讲，从高弹态过渡到玻璃态的临界温度范围越宽越好，因此耐寒性的问题，就是影响电缆绝缘层的问题。一般来讲该范围主要取决于大分子链段的活动性，凡是分子间力小，分子链柔性大的高聚物它的脆化温度就越低。一般来讲聚乙烯的脆化温度很低，引进极性基后，增加分子间作用力，脆化温度提高；非极性的无规侧基由于阻碍了链段的活动，也会提高脆化温度。但是为了满足各种要求，有时，不得不引入这些基团。一般脆化温度较低的电缆绝缘层，如聚乙烯、顺丁橡胶、硅橡胶耐寒性都比较好。

总之，聚丙烯电缆既要考虑耐热性，也要考虑耐寒性。耐寒性主要是施工期考虑的指标，耐热性是工作时的指标，两者需要兼顾。