一文了解辐照交联电缆的绝缘材料

辐照交联方法生产的电线电缆具有耐热、耐磨损、耐腐蚀、抗张强度高、耐烙铁性，与其它交联加工方法相比较，绝缘性能更佳，不会因未反应的催化物而导致高聚物的降解，可提高电性能、热老化性和材料的稳定性。辐照交联是各种软线、电气装备线缆、耐高温和阻燃电线电缆的理想的工艺方法和生产方式。

大部分电缆的绝缘材料，除必须有较高的绝缘电阻、耐电压强度或低的介电损耗外，还必须兼顾良好的物理机械性能，如抗拉、抗弯曲、抗振动、抗扭等。辐照交联电缆的绝缘材料主要有聚氯乙烯、氟塑料、交联聚乙烯、聚丙烯、及交联三元乙丙橡胶等。

一、含卤绝缘材料

(一)聚氯乙烯(PVC)绝缘材料

PVC绝缘材料是按照不同配方，在PVC粉中添加定量增塑剂、稳定剂、阻燃剂、润滑剂及其它助剂的混合物。经过几十年的生产和使用，针对电缆不同应用与不同的特性需求，目前PVC制造、配方调整及加工技术已经非常成熟。凭借其优良的加工性能和低廉的成本，PVC绝缘线缆在家用电器、机械装备、网络通讯、楼宇布线等领域得到广泛的使用，并有着显著的性能特征：

1.制造技术成熟，易成型和加工制造。相比其它类的线缆绝缘材料，不仅成本低廉，在线材表面色差、光哑度、印字、加工效率、软硬度、导体的附着力、线材本身的机械物理性能和电性能方面均可作有效控制。

2.具有非常良好的阻燃性能，故PVC绝缘电线易达到各类标准规定的阻燃等级。

3.在额定电压方面，一般使用于额定1000V AC及其以下电压等级。

PVC也有一些自身缺点，限制了其使用，主要表现为：

1.由于含有大量氯元素，燃烧时会散发出大量浓烟会让人窒息，影响能见度，并产生一些致癌物质和HC1气体，对环境造成严重危害。随着低烟无卤绝缘材料制造技术的发展，逐步取代传统的PVC绝缘已成为线缆发展的必然趋势。

2.普通PVC绝缘耐酸碱，耐热油，耐有机溶剂性能较差，根据相似相溶的化学原理，PVC线材极易在所述特定环境中出现破损和开裂。

对此，一般是通过对材料配方优化改进，经过辐照方式交联加工，使普通型热塑性PVC转变成不溶的热固性塑料，使其分子结构更加稳定，提高了绝缘机械强度，短路温度可提高达250℃。

PVC辐照加工时，辐照剂量太大时会分解。纯PVC分子进行辐射交联，由于脱氯化氢、断键反应及变色，难以得到有价值的材料，加入多官能团不饱和单体的敏化剂可以减少PVC分子链的断键和变色，对形成交联网络有很大贡献。

PVC在TMPTM、TMPTA等多官能团单体存在下，经低于10kGy剂量辐照，性能有很大提高，可作为绝缘材料和多种管件(如制备耐热105℃的阻燃电缆)，在相同的辐射剂量时，加入敏化剂的体系比不加入敏化剂的体系的凝胶含量高出5%~10%；而要达到同样的凝胶含量，加入敏化剂的体系所需的辐射剂量小，敏化剂的加入在提高凝胶含量的同时能降低辐射剂量50%以上，而辐射剂量的降低能避免剂量过高时材料温度上升所造成的缺陷。目前PVC绝缘材料发展的方向主要有柔软交联PVC电缆料、透明电缆料以及无铅PVC电缆料。

(二)氟塑料

氟塑料系列绝缘材料在电缆领域有着广泛运用，如PTFE、ETFE、PVDF等各方面性能都很突出。其中，PTFE可长期在200℃环境下工作，其轻质，优良耐腐蚀和机械性能，以及优异的介电性能和抗击穿，使其在航空和航天领域使用广泛。

大多数氟塑料尤其是PTFE,通常被认为是辐射降解材料。PTFE可以在不同条件下实现裂解并生成PTFE微粉。在高于PTFE的熔点即温度为330℃~340℃，真空或惰性气氛下进行辐照，可实现PTFE的交联，交联后的PTFE材料耐辐照性能大幅度提高，耐磨性改善，恰好弥补了未交联的PTFE材料的缺陷。然而，由于PTFE目前只能在其熔融状态下交联，交联PTFE在线缆方面的应用受到了限制。

在其他氟塑料品种中，ETFE、PVDF耐辐照性好，但使用温度较PTFB要低。经过辐照交联之后，其使用温度得以提高。如ETFE电线，经过电子束交联后，其温度等级可从150℃上升到200℃,其他的优异特性维持不变。XL-ETFE绝缘电线正是当今航空用线最常用的两种主要线种之一。

XL-ETFE绝缘电线是采用特殊的可交联的ETFE绝缘材料，挤包成线后，经电子束辐照而交联。ETFE分子中含有乙烯结构单元，因此在辐照下具有交联的倾向，但是交联度不够，需加入特殊的交联敏化剂促进交联。此外，ETFE辐照交联过程受到氧气氛围的影响而交联度不稳定，采用较高温度下惰性气体氛围中辐照交联有利于线材交联的稳定性。

相对于常见的PE、PVC电缆而言，氟塑料电缆有着如下突出优点：

1.耐高温

氟塑料有着超乎寻常的热稳定性，氟塑料电缆能适应150℃~250℃的高温环境。换言之，在同等截面导体的条件下，氟塑料电缆可以传输更大的许用电流，从而大大提高了该类绝缘线材的使用范围。又由于这种独特的性能，使得氟塑料电缆可用于飞机、舰艇、高温炉箱，以及电子设备的内部布线、引接线等。

2.阻燃性好

氟塑料的氧指数高，一般很难燃烧，燃烧时火焰扩散范围小。用其制作的线材适合对阻燃性要求严格的工具和场所。例如：计算机网络、地铁、车辆、飞机等公共场合等。一旦发生火灾，人们可以有一定的时间疏离，达到安全疏散和人员急救效果。

3.电气性能优异

相对于PE而言，氟塑料的介电常数更低。因此，与类似结构的同轴电缆比较，氟塑料电缆的衰减更小，更适合于高频信号传输。当今电缆的使用频率越来越高已经成为潮流，同时又由于氟塑料能耐高温，所以常用作传输通信设备的内部接线、无线发射馈线与发射机之间的跳线和视频音频线。此外，氟塑料电缆的介电强度、绝缘电阻好，适合用作重要仪表仪器的控制电缆。

4.机械化学性能优异

氟塑料的化学键能高，具有高度的稳定性，几乎不受温度变化的影响，有着优良的耐气候老化性能和机械强度；而且不受各种酸、碱和有机溶剂影响。因此适用于环境气候变化大、有腐蚀性场合，如石化、炼油、油井仪器控制等。

5.利于焊接连线

在电子仪器中，有不少接线是采用焊接方法进行连接，由于一般塑料的熔融温度低，在高温时易融化，需要熟练的焊接技术，而有些焊点必须要有一定的焊接时间，这也成为氟塑料电缆受到欢迎的原因，如通信设备和电子仪器的内部接线。

氟塑料还有一些缺点限制了使用：

1.氟塑料的原材料价格昂贵，目前国内生产还主要依赖进口(日本大金和美国杜邦公司)，国产氟塑料生产行业虽然最近几年发展迅速，但生产品种较为单一，材料在热稳定性及其它综合性能上与同进口材料相比还有一定差距。

2.生产工艺相比其他绝缘材料较困难，生产效率低，印字易脱落，耗损大等问题，使的其生产成本较高。

3.PTFE氟塑料的耐辐照性能较差。比如：在常温或空气存在下，在辐照剂量达到几个Mrad时，加速器电子束照射可使PTFE分子的碳主链发生断裂，导致PTPE发生裂解，PTFE即迅速分解。

二、无卤绝缘材料

(一)交联低烟无卤聚乙烯(XLPE)绝缘材料

以聚乙烯(PE)和乙烯醋酸乙烯酯(EVA)为基体，加入无卤阻燃剂、润滑剂、抗氧剂等各种助剂经过炼胶造粒，制成聚乙烯绝缘材料。聚乙烯经过辐照加工后，能从线型分子结构转变成体型三维结构。同时由热塑性塑料转变成不溶的热固性塑料。与普通热塑性聚乙烯比较，XLPE绝缘电缆有以下优点：

1.提高了耐热变形性，改善了高温下的力学性能，改进了耐环境应力龟裂与耐热老化的性能。

2.增强了耐化学稳定性和耐溶剂性，减少了冷流性，基本保持了原来的电气性能，而长期工作温度可达125℃和150℃，聚乙烯经交联加工后，其短路温度可提高到250℃，对于同样厚度的电缆，交联聚乙烯的载流量就明显增大。

3.XLPE绝缘电缆还有优良的机械、防水及耐辐射性能，所以应用领域广泛。如：电器内部连接线、电机引线、灯饰引线、汽车低压信号控制线、机车电线、地铁用电缆、矿用环保电缆、船用电缆、核电站用1E级电缆、潜油泵电缆，以及功率传输电缆等行业。

目前XLPE绝缘材料发展的方向主要有辐照交联聚乙烯电力电缆绝缘料、辐照交联聚乙烯架空绝缘料以及辐照交联阻燃聚烯烃护套料等。

(二)交联聚丙烯(XL-PP)绝缘材料

聚丙烯(PP)作为一种通用塑料，具有质轻、原料来源丰富、性价比优越以及优良的耐化学腐蚀性、易于成型、可回收等特点。但是，因强度低、耐热性差、收缩变形大、抗蠕变性能差、低温脆性、耐热氧老化性能差等缺陷，在线缆的应用上受到很大限制，科研人员一直致力于聚丙烯材料的改性以提高材料的综合性能，辐照交联改性聚丙烯(XL-PP)有效克服了这些问题。有研究结果表明，XL-PP绝缘电线可满足UL VW-1燃烧试验及UL额定150℃电线的标准要求，同时，在额定温度下的机械特性如抗张强度和UL切通试验，都优于交联聚丙烯绝缘。

聚丙烯辐照交联改性的缺点在于：PP辐射交联时存在形成不饱和端基的裂解反应与受激分子与大分子自由基形成交联的竞争反应，辐射剂量小时裂解占优势，增大剂量时交联占优势。多项研究表明，PP辐射交联时，由于降解和交联同时发生，其交联效率很低。如等规PP经y射线辐射后，其降解和交联反应之比为0.8。为了使PP进行有效的交联反应，需加入交联促进剂进行辐照交联。同时，有效交联厚度受到电子射线穿透能力的制约，照射时的残余电荷因产生气体而发泡，仅有利于薄制品的交联，使其在厚壁线缆上的使用受到限制。

(三)交联乙烯-醋酸乙烯共聚物(XL-EVA)绝缘材料

随着人们对线缆的安全性的要求越来越高，无卤阻燃交联电缆发展迅速。与聚乙烯相比，EVA由于在分子链中引入了乙酸乙烯单体，从而降低了结晶度，提高了柔韧性、抗冲击性、填料相溶性和热密封性能。一般来说，EVA树脂的性能主要取决于分子链上乙酸乙烯的含量。因构成组分比例可调从而符合不同的应用需要，乙酸乙烯的含量越高，其透明度，柔软度及坚韧度会相对提高。EVA树脂具有很好的填料包容性和可交联性，故在无卤阻燃交联线缆中使用越来越多。此外，EVA树脂还被应用于制作一些特殊电缆的护套。在电线电缆中使用的EVA树脂，醋酸乙烯含量一般在12%~24%。在实际线缆应用中，EVA常与PE、PVC、PP等共混加工，调节线缆绝缘层性能。共混的材料中，EVA组分能促进交联，使线缆在交联后性能得到提升。

(四)交联三元乙丙橡胶(XL-EPDM)绝缘材料

XL-EPDM是由乙烯、丙烯以及非共轭二烯烃的三元共聚物，通过辐照方式交联获得。XL-EPDM电线综合了聚烯烃绝缘电线和普通橡胶绝缘电线两种电线的优点：

1.柔软、曲挠、弹性、高温不粘连、长期的耐老化性、耐恶劣的气候(-60℃~125℃)。

2.耐臭氧、耐紫外线、耐电气绝缘性能、耐化学腐蚀性。

3.耐油和耐溶剂性能与通用型氯丁橡胶绝缘不相上下可通过普通热挤出的加工设备进行生产制造，采用辐照交联，加工简便、成本低廉。

XL-EPDM绝缘电线应用广泛，过去常用于低于35kV的电力电缆和船用电缆的绝缘，现已被该材料替代，并且在制冷压缩机引线、汽车、防水电机引线、变压器引线、矿山移动电缆、钻探以及医疗器械等领域都有运用。

XL-EPDM电缆的主要缺点有：

1.抗撕裂能力较差。

2.粘合性和自粘性较差，影响后续加工。

(五)硅橡胶绝缘材料

硅橡胶具有柔软性，能耐臭氧、电晕、火焰，绝缘性能好，它在电气工业中的主要应用就是用于电线电缆。硅橡胶电线电缆尤其适宜在高温和苛刻的环境中使用，其寿命远远高于普通电缆。通用的硅橡胶绝缘线缆目前可用在高温马达、变压器、发电机、电子电气设备、交通车辆引擎上的点火电缆、船用电力和控制电缆中。

目前交联电缆中用到的硅橡胶绝缘线一般以常压热空气或高压蒸汽的方式进行交联，也有相关电子束辐照交联硅橡胶的研究，但尚未普及在线缆行业中。随着近年来辐照交联技术的发展，辐照交联的成本更低，交联效率更高；从环保的角度来看，更有不可替代的优势。因此，硅橡胶绝缘材料的辐照交联技术应用，是将来交联硅橡胶线的研究方向。