橡胶是最早用来作电线、电缆的绝缘材料。橡胶在很大的温度范围内都具有极高的弹性、柔顺性、易变性和复原性,以及良好的拉伸强度、抗撕裂性、耐疲劳,对于气体、潮气、水分具有较低的渗透性,较高的化学稳定性和电气性能。电缆绝缘用的橡皮是以橡胶为主体,加入各种配合剂,经混合形成均匀橡料,再经过硫化而制成弹性材料,因此,橡皮是一种复杂的混合物,它的电气、机械、化学、物理性能在很大程度上取决于组成成分和工艺流程。
由于天然橡胶资源的匮乏和合成橡胶工业的迅速发展,近年来,电缆绝缘材料也大量采用合成橡胶。合成橡胶不仅在数量上满足了人们的需要,在性能上也补充了天然橡胶的不足。用于电缆行业的橡胶主要有以下几种。
(一)天然橡胶
天然橡胶一般包括:橡胶烃、天然树脂、糖类、无机盐、蛋白质和水分等。其中橡胶烃成分占90%以上,其余均为非橡胶成分。蛋白质对硫化有促进作用,但容易吸潮;树脂也有促进硫化作用和防老化作用;糖类对橡胶无明显作用;无机盐对橡胶的影响最大,所以电缆工业用的橡胶应尽可能去除无机盐类杂质。
天然橡胶无一定的熔点,加热后逐渐软化,熔融温度为130~140℃,200℃开始分解。常温下略带塑性,随温度降低而逐渐变硬,低至0℃时弹性大大降低,到-70℃时则变成脆性物质。当温度回升时,可以恢复原状。
天然橡胶在已知的各种橡胶中弹性最好,伸长率最高可达1000%,永久变形很小;机械强度很高,抗撕裂、耐磨损、耐曲挠;电气性能较好,耐碱性好,不耐浓强酸,不耐油,不耐有机溶剂;天然橡胶在生产加工时,从生胶塑炼、混炼到硫化都便于控制,与其他胶的相溶性好。天然橡胶在摩擦、拉伸或压缩时,表面产生静电荷;耐热低,耐老化性差,易燃等。
天然橡胶被广泛应用于电线电缆的绝缘和护套,长期使用温度不超过65℃,电压等级不超过6kV。对柔软性、弯曲性和弹性要求较高的电线电缆,天然橡胶尤为适宜。但不能用于直接接触矿物油或有机溶剂的场合,也不宜用于户外。
(二)丁苯橡胶
丁苯橡胶是丁二烯单体和苯乙烯单体在乳液中用催化剂作用下共聚而成的高分子弹性体。它是工艺成熟、使用最早的合成橡胶。
丁苯橡胶的性能与苯乙烯的含量密切相关。电缆行业使用的标准型丁苯橡胶中苯乙烯的含量为25%~30%;当苯乙烯含量为40%~55%时属自补强性丁苯橡胶;当苯乙烯含量达到75%以上时,已转变为不饱和树脂,完全失去了弹性。苯乙烯含量越高,耐磨性、电性能越好,但耐寒性和工艺性能变坏。
与天然橡胶相比,它具有抗张强度小、伸长率小、弹性差、耐寒性低等特点,但它的老化性能、耐热性、耐磨性、耐油性都比天然橡胶好,并有加工不早期硫化、性能易于控制等优点,同时丁苯橡胶在加碳黑补强剂后,几乎可以获得与天然橡胶相同的抗张强度和伸长率,所以被广泛用以代替天然橡胶来制造绝缘及一般护套橡皮。
(三)丁基橡胶
丁基橡胶是以异丁烯和少量的(0.5%~3%)异戊二烯为单体,用三氯化铝或三氟化硼作催化剂,在-95℃下聚合而成的共聚物。
由于它的大分子链中双键较少,因此它比一般通用橡胶(天然橡胶、丁苯橡胶)的耐电晕性能、耐热性能、耐大气老化性能、电绝缘性能要好,具有突出的耐酸、耐碱和极性溶剂的性能,另外,它是现有橡胶中透气性最小的一种,是一种耐湿橡皮。
丁基橡胶能用作较高电压(35kV及以下)、较重要负荷(船用电缆、高压电机电缆等)电缆的绝缘,也可作为耐热90℃和防潮的绝缘。它的缺点是回弹性和粘接性较差,硫化速度较慢,与其他橡胶相容性较差等,不过,现在的改性丁基橡胶已经克服了上述缺点。
(四)三元乙丙橡胶
三元乙丙橡胶是以乙烯单体和丙烯单体为主要原料,为便于硫化,加入少量的非共轭二烯(双环戊二烯)作为第三单体的共聚物。三元乙丙橡胶中丙烯含量为25%~45%,第三单体含量为3%~10%。
三元乙丙橡胶是完全不含有不饱和键结构的合成橡胶,因此它的耐大气老化性能、介电性能、抗臭氧性能都比丁基橡胶高,具有高度的耐热性和耐寒性,吸湿性较小及较强的抗化学腐蚀性。但是,三元乙丙橡胶的机械强度低、耐油性能较差,硫化速度慢、共溶性差、自粘性和互粘性都不好,给生产工艺带来很大的困难。
由于三元乙丙橡胶的优异性能,在电缆工业中被广泛应用于耐热85~90℃级的绝缘和高压电力电缆、X射线电缆、船用电缆和矿用电缆等。也可用作耐大气老化的护套。(www.xing528.com)
(五)氯丁橡胶
氯丁橡胶是聚氯丁二烯橡胶的简称,它是在适当的催化剂、乳化剂和防老剂的存在下,由2-氯丁二烯 -[1.3]聚合而成。氯丁橡胶是电缆工业中应用最多的合成橡胶之一。
氯丁橡胶像天然橡胶一样具有优良的机械性能,而且还具有优异的耐臭氧老化性和耐大气老化性,具有特殊的不延燃性和耐油性。氯丁橡胶的耐油性比天然、丁苯、丁基、乙丙等橡胶都要好。但由于其分子中含有氯原子和叔碳原子,形成了活性点,而电性能较差,在存放期间容易自硫化,在工艺上容易造成早期硫化(即焦烧)和粘辊。
氯丁橡胶具有优异的不延燃性、机械性能、耐大气老化性和耐油性,是电线电缆中较理想的一种护套材料。它被广泛用于船用电缆、矿用电缆、户外用电线电缆以及要求不延燃的产品上。氯丁橡胶的电性能不高而很少用于绝缘,但也可用于低压布电线、电焊机电缆等产品。
(六)氯磺化聚乙烯橡胶
氯磺化聚乙烯橡胶是将聚乙烯溶解到溶剂中,然后通入气态氯和二氧化硫进行反应(氯化和氯磺化同时进行)而制得的可硫化弹性体。根据氯含量和聚乙烯分子量的不同,氯磺化聚乙烯可分为四个不同的品种。
氯磺化聚乙烯橡胶的性能取决于原料聚乙烯的分子量、氯和硫的相对含量。分子量低时,拉伸强度低、粘性大。由于氯磺化聚乙烯橡胶是以聚乙烯作主链不含双键的饱和型橡胶,而且引入了氯原子,使其具有:良好的机械性能,没有环境龟裂现象;优异的耐臭氧、耐日光和耐大气老化性能,户外暴晒6年不发生裂纹;耐热高、不延燃、低吸水性;优异的耐酸、碱及其他化学药品性能;具有良好的耐电晕和辐射性;工艺性好。但氯磺化聚乙烯橡胶的压缩变形大,低温弹性较差。
由于氯磺化聚乙烯橡胶具有很多的优异性能,在电缆工业中,多用于汽车、飞机点火线及电机引出线的绝缘,高压电缆、矿用电缆、船用电缆的护套等。
(七)硅橡胶
硅橡胶是一种特种橡胶。所谓特种橡胶,就是在某种性能上超过普通橡胶,以适应特种绝缘的要求。硅橡胶以耐热著称,是一种耐热橡胶。
硅橡胶具有较高的耐热性和优异的耐寒性,在各种橡胶中,硅橡胶具有最广泛的工作温度范围(-100~350℃);电性能优良,尤其是在温度变化、频率变化或受潮时,其电性能基本不变;具有优异的耐电晕、抗电弧性,耐臭氧老化、热老化、紫外线老化和大气老化性能;硅橡胶还具有较好的耐油性、耐溶剂性,耐辐射性和耐燃性高,低吸水性,高导热性等。
硅橡胶的主要缺点是:常温下的拉伸强度、撕裂强度和耐磨性等比其他合成橡胶或天然橡胶低得多;耐酸、碱性差;工艺性能差,较难硫化;价格较贵等。
硅橡胶主要用作船舰的控制电缆、电力电缆和航空电线的耐高温绝缘材料,以及电机的高压引出线和H级电机的引出线等。航天器、核电站等特殊场合都需要硅橡胶作为绝缘材料。
电线电缆常用的橡胶品种与性能见表1-2-14。
表1-2-14 电线电缆常用的橡胶品种与性能
续表
注 优、良、可、差、劣表示性能优劣顺序。
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