«КАБЕЛЬ-news», март 2010
73
Доклад на конференции
Известно, что ведущую роль в
формировании свойств СПЭ при по-
вышенных температурах играет плот-
ность пространственной химической
сетки. При этом в соответствии с тре-
бованиями МЭК 60502 (60540) каче-
ство сшивания определяется не по
величине плотности сетки, а на осно-
вании величины относительного уд-
линения под действием напряжения
0,2 МПа в течение 15 мин при 200°С
(не более 175%).
Преимуществом этого метода для
оценки качества кабельных изделий
является то, что наряду с определе-
нием степени сшивания он позволяет
оценить также и работоспособность
сетки, то есть ее стабильность во вре-
мени при термомеханическом воз-
действии.
Представляло интерес выяснить
влияние плотности сетки на ее ста-
бильность при одновременном воз-
Сравнительная оценка плотности
и стабильности химической
сетки полиэтиленовой изоляции
кабельных изделий при
термомеханическом воздействии
Д.И. Лямкин,
к.т.н. доцент кафедры
ХТВМС Российского химико-
технологического университета
им. Д.И. Менделеева, Москва
Использование кабельной изоляции из сшитого полиэтилена (СПЭ) рас-
ширяет температурный диапазон эксплуатации до 90-120°С (кратковременно
до 250°С), повышает химическую стойкость и стойкость к растрескиванию в
агрессивных средах, улучшает механические свойства и увеличивает время на-
дежной работоспособности кабельных изделий до 30 лет [1].
Д.И. Лямкин
ÏÎËÈÌÅÐÍÛÅ ÌÀÒÅÐÈÀËÛ
«КАБЕЛЬ-news», март 2010
74
Доклад на конференции
ÏÎËÈÌÅÐÍÛÅ ÌÀÒÅÐÈÀËÛ
действии температуры и механиче-
ского напряжения.
Объектами исследования служили
промышленные образцы кабельной
изоляции из СПЭ ведущих заводов
России, изготовленные по технологии
пероксидной, силанольной и радиа-
ционной сшивки.
Механические испытания при
различных температурах прове-
дены на приборе для структурно-
механических испытаний полимеров
«СМИП-РХТУ» (рис. 1) [2] (свидетель-
ство об аттестации в системе Госстан-
дарта РФ Ростест-Москва №3649 от
11.09.97) позволяющем производить
испытания как в режиме постоянного
напряжения (σ = const), так и в режи-
ме постоянной нагрузки (Р = const).
Подготовку образцов к испытани-
ям и измерение их геометрических
размеров проводили в соответствии
с ГОСТ 25018-81 «Кабели, провода и
шнуры. Методы определения механи-
ческих показателей изоляции и обо-
лочки». Использовали образцы в виде
лопаточек. Длина рабочего участка
составляла (10±1) или (20±1) мм, ши-
рина –2—4 мм, толщина не менее
0,8 мм.
Для экспресс-контроля степени
сшивания ПЭ на базе термомехани-
ческого метода исследования при-
менительно к требованиям МЭК раз-
работана методика оценки плотности
пространственной сетки
n
c
[2, 3]. На
основании термомеханических ис-
следований (рис. 2) установлено, что
при температуре более 120 °С сшитый
полиэтилен находится в равновесном
высокоэластическом состоянии, в ко-
тором кристаллическая структура ПЭ
практически разрушена и деформи-
рованию образца препятствуют толь-
ко химические связи сетки.
0
20
40
60
80
100
80
90
100
110
120
130
140
150
160
Т, С
Д
ефо
рма
ц
ия
, % (
0
,1
М
п
а)
1
2
3
4
Рис. 1. Прибор «СМИП-РХТУ»
1 — шкала лимба; 2 — диски лимба; 3 — блок
противовеса; 4 — стопорный винт; 5 — стани-
на; 6 — блок верхней тяги; 7 — противовес;
8 — верхняя тяга; 9 — стакан; 10 — нижняя
тяга; 11 — стопорная гайка; 12 — улитка; 13 —
груз; 14 — образец; 15 — зажимы (а — верх-
ний, в — нижний); 16 — вал
Рис .2. Термомеханические кривые несшитого ПЭ (1)
и ПЭ сшитого радиационным (2), пероксидным (3)
и силанольным (4) способами
Технические характеристики прибора СМИП-РХТУ
Диапазон рабочих напряжений, МПа
–0,01–100 (±0,01)
Диапазон измеряемых деформаций, %
–0,5 ÷ 1500 (±0,5)
Температурный диапазон испытания, °С
–100 ÷ +400
«КАБЕЛЬ-news», март 2010
75
Доклад на конференции
Величину плотности сетки оце-
нивали на приборе СМИП-РХТУ при
Т=1300С в режиме ступенчатого уве-
личения нагрузки по уравнению вы-
сокоэластичности [2-5]:
где:
n
c
— число молей отрезков цепи
между узлами сетки в единице объема
(моль/см
3
);
σ
— условное напряжение (кгс/см
2
);
λ
— степень растяжения, в долях;
T
— температура (°K);
R
— универсальная газовая постоянная
(84,84 кгс см/моль °K).
В соответствии с требованиями
МЭК на приборе СМИП-РХТУ прово-
дили оценку тепловой деформации
при Т = 200 °С в режиме ползучести
(0,2 МПа, 15 мин) и оценивали оста-
точную деформации после снятия на-
грузки (рис. 3).
Значения термомеханических
свойств образцов кабельной изоля-
ции из СПЭ различных заводов изго-
товителей приведены в таблице.
Видно, что промышленные об-
разцы СПЭ различных заводов из-
готовителей существенно отли-
чаются друг от друга по значению
тепловой деформации и плотности
сетки даже при одном способе сши-
вания. При этом наибольшие разли-
чия наблюдаются для силанольного
способа.
Между значениями тепловой де-
формации и значениями плотности
сетки существует закономерная связь
(рис. 4). При этом образцы с плотно-
стью сетки менее 4 10
-5
моль/см
3
не
удовлетворяют требованиям МЭК
по тепловой деформации (не более
175%). Целесообразно было сравнить
ÏÎËÈÌÅÐÍÛÅ ÌÀÒÅÐÈÀËÛ
10
20
30
40
50
60
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Время, мин.
Д
е
ф
о
рмация
, %
1
2
3
0
100
200
300
400
500
600
0
2
4
6
8
10
12
14
16
n
c
10
5
, моль/см
3
Теплова
я де
формация (200 °С),%
2
1
3
Рис. 3. Кривые ползучести при 200°С (0,2 МПа) ПЭ сшитого силанольным (1),
пероксидным. (2) и радиационным (3) способами
Рис.4. Зависимость тепловой деформации от плотности сетки ПЭ сшитого
силанольным (1), пероксидным. (2) и радиационным (3) способами
«КАБЕЛЬ-news», март 2010
76
Доклад на конференции
значения плотности сетки, рассчи-
танные по величине тепловой дефор-
мации при 200 °С и определенные
методом ступенчатого нагружения
при 130 °С.
Как следует из данных рис. 5, в
диапазоне изменения плотности сет-
ки (7 – 11) 10
-5
моль/см
3
значения nc
при 130 и 200 °С практически совпа-
дают (отношение
n
c
200 /
n
c
130 близ-
ко к 1,0). Уменьшение же отношения
n
c
200 /
n
c
130 при меньших и больших
значениях плотности сетки, очевидно,
связано с процессами разрушения
во времени при термомеханическом
воздействии. Таким образом, незави-
симо от способа сшивания наиболее
стабильная структура сетки СПЭ обес-
печивается в диапазоне значений
n
c
=
(7 – 11)10
-5
моль/см
3
.
Известно, что сшивание полиэти-
лена при пероксидном, силанольном
и радиационном способе происходит
в различных температурных услови-
ях. Представляло интерес выяснить,
различается ли структура и работо-
способность сетки при этих способах
сшивания.
Видно (рис. 6), что при одинаковых
значениях плотности сетки прочность
ПЭ, сшитого пероксидным способом,
выше, чем при радиационном и сила-
нольном методах. Видимо, это связано
с влиянием температуры сшивания на
регулярность сетки.
При пероксидном способе тем-
пература сшивания выше температу-
ры плавления (
Т
пл
) ПЭ. В этом случае
пространственная сетка образуется в
Таблица. Показатели промышленных образцов сшитого ПЭ
Метод
сшивания
Завод изготовитель
Образец
200°C
130°С
ε
15
, %
ε
ост
, %
ε
р
, МПа
ε
р
, %
n
c
10
5
,
моль/см
3
Радиационный
ЗАОр НП «Подольсккабель»
АИ CN 2202
507, 560 разр.
—
0,20
642
1,26
АИ CN 105 2202
413, 371 разр.
—
0,33
1010
1,21
АИ-50
250 разр.
—
0,33
304
2,5
АИ-25
49
0
0,26
67
6,4
26
0
0,31
46
10,3
Пероксидный
Торсада (France)
Фазовый
30
0
0,87
330
8,3
АВВ «Москабель»
АПвВнг-В 1х120/35-10 кV
64
5
0,7
550
5,0
Силанольный
Торсада (France)
Несущ. нейтраль
29
0
0,86
315
8,6
ОАО «Камкабель»
АПвПг-В 1х240/35-10 кV
29
7
1,02
236
8,1
«Саранск Кабель»
СИП-2 №1
33
4
0,56
136
6,9
СИП-2 №2
28
3,6
0,72
168
7,2
ОАО «Электрокабель»
г. Кольчугино
ПвБбШв
15
0
0,62
50
14,6
«Севкабель» г. Санкт-Петербург
АПвВГ
18,5
0
0,66
84
13,0
АВВ «Москабель»
СИП-2А №230
20
0
0,66
94
11,1
СИП-2А №206
30
0
0,48
105
8,5
СИП-2А №3
23
0
0,65
88
10,2
PAS AAA
2,3 CC 1 x 95 12/20 kV
310 Разр.
—
0,25
510
2,50
525 Разр.
—
0,28
1150
1,29
130
10
0,46
430
4,4
ÏÎËÈÌÅÐÍÛÅ ÌÀÒÅÐÈÀËÛ
«КАБЕЛЬ-news», март 2010
77
Доклад на конференции
однородном расплаве полимера и яв-
ляется, видимо, более регулярной.
При силанольном и радиационном
способе сшивание идет при темпера-
турах ниже
Т
пл
и образование сетки
идет в гетерогенной системе — глав-
ным образом в аморфных областях
между кристаллитами ПЭ [6]. Поэтому
при этих способах сшивания образую-
щаяся сетка менее однородна и имеет
меньшую несущую способность.
Таким образом, использование
термомеханического метода на базе
прибора СМИП-РХТУ позволяет не
только оценить степень сшивания и
работоспособность сетки, но и по-
лучать техническую информацию о
качестве СПЭ в соответствии с требо-
ваниями МЭК.
Литература
1. Композиционные материалы
на основе сшивающихся полиолефи-
нов. Обзорная информация. / Евдоки-
мов Е.И., Кузьмин Ю.Г., Барутенок Р.И. и
др. М.: НИИТЭХИМ, 1976. 37 с.
2. Образцов Ю.В. — Силовые кабели
среднего напряжения с изоляцией из
сшитого полиэтилена. Кабели и прово-
да. 2001. № 6
3. Лямкин Д.И. Механические свой-
ства полимеров: учеб. пособие. М.: РХТУ
им. Д.И. Менделеева, 2000. 64 с.
4. Боев М.А., Лямкин Д.И., Мисюк К.Г.,
Скакун Е.В. Термомеханический метод
оценки параметров сетки сшитых по-
лимеров. Кабельная техника, 1996, № 10
(248), С. 8—14.
5. Трелоар Л. Физика упругости кау-
чука. / Пер. с англ. М.: Издатинлит, 1953.
240 с.
6. Замотаев П.В. Определение пара-
метров сетчатой структуры сшитого ПЭ.
// Пласт. массы. 1984. №11. С.10—13.
7. Сирота А.Г. Модификация структу-
ры и свойств полиолефинов. Л.: Химия,
1984. 152 с.
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
nc 10
5
, моль/см
3
n
c
200/
n
c
130
1
2
nc 10
5
, моль/см
3
0
0,2
0,4
0,6
0,8
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Про
чнос
ть (130
°С), МПа
2
1
3
Рис. 5. Зависимость
n
c
200/
n
c
130 от плотности сетки образцов СПЭ:
1 — не разрушились при 200 °С,
2 — разрушились
Рис. 6. Зависимости прочности при 1300 С кабельной изоляции из полиэтилена
сшитого ПЭ сшитого силанольным (1), пероксидным (2)* и радиационным (3)
способами.
*Данные для пероксидного способа (табл.) на рис. 6 дополнены результатами
испытания опытных образцов с различным содержанием перекиси дикумила.
ÏÎËÈÌÅÐÍÛÅ ÌÀÒÅÐÈÀËÛ
Оригинал статьи: Сравнительная оценка плотности и стабильности химической сетки полиэтиленовой изоляции кабельных изделий при термомеханическом воздействии
Использование кабельной изоляции из сшитого полиэтилена (СПЭ) расширяет температурный диапазон эксплуатации до 90-120°С (кратковременно до 250°С), повышает химическую стойкость и стойкость к растрескиванию в агрессивных средах, улучшает механические свойства и увеличивает время надежной работоспособности кабельных изделий до 30 лет.
