Влияние пластификатора на объемное сопротивление ПВХ-кабеля
Ключевые слова: ПВХ; пластифицирующая добавка(ДОТП, ДОП, ДИДП, ДИОП, ДИНП, ТОТМ); кабель; объемное удельное сопротивление
В этом исследовании сравниваются шесть пластификаторов, включая DOTP для ПВХ-кабелей, при содержании от 26 до 56 частей на 100 частей ПВХ, чтобы определить, какой из них сохраняет наибольшее объемное удельное сопротивление — свойство, определяющее характеристики изоляции кабеля.
Методология исследования
- Подготовка образцов: ПВХ-смолы от пяти производителей (A/B/C: процесс с использованием карбида кальция; D/E: процесс с использованием этилена) смешивали со стабилизаторами, стеариновой кислотой и различными количествами пластификаторов (DOTP, DOP, DIDP, DIOP, DINP, TOTM). Содержание пластификаторов варьировалось от 26 до 56 частей на 100 частей ПВХ.
- Обработка: Образцы смешивали в двухвалковой открытой мельнице при температуре 155–160°C (соотношение скоростей валков 1:1.35) и прессовали в плоской вулканизационной машине (160°C, предварительный нагрев 0.2 МПа в течение 5 мин, горячее прессование 15 МПа в течение 3 мин и холодное прессование 15 МПа в течение 3 мин).
- Объемное измерение удельного сопротивления: проводится в соответствии со стандартами GB/T 8815-2008 и GB/T 1410-2006 с использованием высокоомного измерителя (ZC-36).
Опытно-конструкторское
- Материалы:
- ПВХ-смолы (Тип 5, процессы на основе карбида кальция/этилена).
- Добавки: стабилизатор кальций-цинк (Adik Chemical), стеариновая кислота (Indonesia Sineen), пластификаторы (ДОТФ, ДОФ).
- Оборудование: двухвалковый открытый прокатный стан, машина для плоского вулканизации, высокоточный измеритель, аналитические весы.
- Формулировка:
- Основные компоненты: ПВХ (100 частей), стабилизатор (3.5 части), стеариновая кислота (0.8 части).
- Переменный компонент: Пластификатор (26, 34, 42, 50 или 56 частей).
- Процедура: Смешивание → Пластификация → Формование → Измерение удельного сопротивления.
Результаты и анализ
- Влияние типа и концентрации пластификатора:
- При 26 частях пластификатора рейтинг удельного сопротивления (от самого высокого к самому низкому) был следующим: ДОТФ > ТОТМ > ДИОП > ДИНФ > ДОФ > ДИДП.
- С увеличением содержания пластификатора тенденции удельного сопротивления разошлись (таблица 2):
Низкая концентрация (26–34 части): составы на основе DOTP/DOTP продемонстрировали превосходные электрические характеристики.
- Высокая концентрация (≥42 частей): DOP/DIDP показали более резкое снижение удельного сопротивления из-за повышенной подвижности ионов.
2. Карбид кальция против ПВХ, полученного методом этиленовой полимеризации:
- ПВХ на основе карбида кальция неизменно демонстрировал более низкое удельное сопротивление, чем ПВХ, полученный методом этиленовой обработки.
- Термическая нестабильность и более широкое распределение молекулярной массы в ПВХ на основе карбида кальция усиливают снижение удельного сопротивления при добавлении пластификатора.
Как производители выбирают пластификатор для ПВХ-кабеля
Приведенное выше исследование удельного сопротивления определяет фактор 1; производитель, указывающий состав кабельной смеси, весит в сумме шесть единиц. Если пропустить хотя бы одну из них, кабель пройдет лабораторные испытания, но выйдет из строя в процессе эксплуатации.
1. Объемное удельное сопротивление (рассмотрено выше). При содержании 26–34 частей на 100 частей смолы (phr) DOTP и TOTM занимают зону высокого удельного сопротивления. При содержании выше 42 phr содержание DOP и DIDP резко падает, поэтому высокоэластичные изоляционные материалы остаются ниже этого порога.
2. Волатильность и миграция. Оболочки кабелей выдерживают температуру 70–90 °C в течение десятилетий, и пластификатор с давлением пара на два порядка выше, чем у TOTM, будет мигрировать, охрупчивать полимер и вызывать растрескивание изоляции задолго до того, как выйдет из строя медь. ASTM D1203 — это контрольный тест; в стандартах для длительного срока службы DOP заменяется на TOTM или полимерные пластификаторы.
3. Гибкость при низких температурах. Кабель для наружного и холодильного применения должен сохранять гибкость при температуре ниже −20°C — кабель DOP быстро затвердевает при этой температуре, в то время как кабели DOA и DINA сохраняют гибкость примерно до −40°C. Испытанием на изгиб в холодном состоянии является стандарт ASTM D1043.
4. Соблюдение нормативных требований. Приложение XIV регламента REACH ограничивает использование DEHP/DOP, DBP и BBP в кабелях, предназначенных для поставок в ЕС, а директива RoHS распространяет эти ограничения на электрооборудование. DOTP, DINP, DIDP и TOTM разрешены для обоих стандартов — для поставок в ЕС нормативный список короче технического.
5. Технологичность. Для плавления DOTP требуется примерно на 10–15 °C более высокая температура, чем для DOP; недоплавление проявляется в виде разброса удельного сопротивления и потери прочности на растяжение. Смена пластификаторов без корректировки профиля экструдера является причиной большинства сбоев в производственной линии.
6. Стоимость за метр кабеля. DOTP стоит немного дороже, чем DOP; TOTM значительно дороже. Правильное сравнение — это стоимость за метр при заданных характеристиках: более дорогой пластификатор DOTP, который снижает содержание целлюлозы на 4 части на 100 частей смолы или не содержит стабилизатора, может оказаться более дешевым компаундом.
| Применение кабеля | Рекомендуемый пластификатор |
|---|---|
| Низковольтная изоляция (≤1 кВ) | DOTP или DINP |
| Изоляция среднего/высокого напряжения, рабочая температура ≥90°C. | ТОТМ |
| Куртка для активного отдыха / холодного климата | Смесь DOA или DINA |
| Строительная проводка, предназначенная для REACH. | ДОТФ |
Выбор правильной нагрузочной ленты для изоляции кабеля.
DOTP для ПВХ-кабелей превосходит другие материалы в диапазоне 26–34 phr, поскольку структура терефталатного эфира удерживает ионы полимерных цепей плотнее, чем ортофталаты — приведенное выше исследование удельного сопротивления показывает примерно на порядок большую эффективность по сравнению с DOP при 26 phr. Этот запас позволяет производителю использовать более тонкую изоляцию при том же диэлектрическом показателе или соответствовать требованиям IEC 60502-1 по удержанию ионов без перегрузки системы стабилизатора.
При закупке кабелей решающим фактором является диапазон нагрузки, а не название пластификатора. При содержании DOTP 26–34 phr удельное сопротивление по объему превышает 10¹⁴ Ом·см и соответствует требованиям REACH для низковольтных строительных проводов; 34–42 phr подходят для гибких канатов, где радиус изгиба важнее пикового удельного сопротивления. При содержании выше 42 phr решение смещается в сторону сопротивления миграции и стоимости.
Распространенная ошибка
Технические характеристики кабеля выходят из строя в процессе эксплуатации, если оптимизировать только один из шести факторов. Сопротивление при 26 phr выглядит впечатляюще в лабораторных условиях; кабель все равно выйдет из строя, если в нагрузочной зоне не учитывается миграция при 80°C или изгиб при −20°C. Необходимо с самого начала задавать параметры по всему диапазону значений — каждый фактор влияет на срок службы.