环境友好型高安全性耐水软电缆用聚苯醚材料的研究

高 峰

(衡阳恒飞电缆有限责任公司，湖南 衡阳421008)

0 引言

当今世界越来越关注人体健康和环境保护，对产品在安全性和环保等方面都有了更高的要求。耐水电缆长期在潮湿环境下使用，如何开发高安全性环境友好型耐水软电缆，成了行业新课题。

1 耐水电缆使用现状

电缆在受到水分侵袭后，其电性能和机械性能都会骤降，特别是户外或水下装配用电缆。像户外电动工具、水下照明、潜水泵等装配用电缆，经常用于干燥与潮湿交替环境或长期浸入水中，甚至浸入热水或蒸汽中，其电性能、机械性能会加速下降:在使用过程中，泄漏电流偏大，电器起动困难，严重时会导致电击伤人，这在游泳池和彩灯喷泉事故中有过报道。

当前使用的耐水电缆有纵向阻水和径向阻水两种:纵向阻水通常用阻水纱、阻水粉或阻水带，这些材料含有遇水膨胀物质，阻止水分沿电缆纵向进一步扩散;径向阻水主要通过热压、焊接、冷拔金属护套来实现，像海底电缆普遍使用铅套，但此类电缆柔韧性不好，不适合频繁移动。

软电缆常选用三元乙丙、聚氯乙烯、聚烯烃、硅胶、氯丁胶、氯磺化聚乙烯、氯化聚乙烯、丁腈聚氯乙烯、热塑弹性体等材料。含卤素材料在燃烧时会产生对眼、鼻粘膜、上呼吸道有强烈刺激的氯化氢气体，特别是会产生对人体健康危害严重的二恶英;交联类材料不可再生利用，废弃物作无公害化处理非常困难;为满足某些特定要求，会在材料中添加改性物质，这些有毒有害物质在产品的生产、运输、使用、报废过程中，难免会与人体直接或间接接触或迁移至空气、土壤和水中，会对人体健康带来隐蔽和长期的毒害。

2 新型耐水软电缆的设计要求

新型电缆遵循安全、耐水、阻燃、无卤、低碳、生物相溶性的设计原则。

2.1 安全性

电缆绝缘材料应符合的基本安全性要求见表1。

表1 绝缘材料基本要求

2.2 环境友好性

电缆的环境友好性很大程度上由材料决定，电缆材料不仅要符合欧盟2011/65/EU(RoHS2.0)、76/769/EEC(PAHs)、2005/84/EC和1907/2006/EC等环境保护和健康法规要求，还要可再生、不含卤素、不消耗非再生能源，不产生大量炭尘和尾气。

3 新型耐水软电缆的设计

新型耐水软电缆以美国标准UL 62户外用电源软线SJEW性能为设计基础，同时结合欧洲标准HD 22.16及有关耐水要求，设计符合无卤、阻燃、高安全性、环境友好型的耐水软电缆。

3.1 结构设计

以UL 62 SJEW 16AWG/3C为例，其结构设计见图1及表2。

图1 电缆结构示意图

表2 电缆结构明细 (单位:mm)

从图1中可以看出，在导体外绕包一层阻水带，以阻止水分沿导体空隙进入电缆;在绝缘线芯表面绕包一层半导电阻水带，在缆芯中间填充半导电阻水绳，可以阻止水分沿电缆结构空隙进入。

3.2 材料选择

电缆通常由导体材料、辅助材料、绝缘及护套材料三部分组成，绝缘和护套材料是电缆设计的关键，选择是否合适，直接关系到电缆能否符合设计要求。

聚苯醚(PPO)是新型高分子材料，是GE公司Allan S.Hay于1959年最早发明，其化学名为聚2，6—二甲基—1，4—苯醚，此材料20世纪60年代在美国得到了高速发展，因其具有优良的尺寸稳定性和拉伸强度，最先在汽车工业和机械工业中得到应用，多用于元器件、外壳板、内架、管道等。

PPO除了具有优良的尺寸稳定性和拉伸强度外，还具有很多优良性能:(1)耐燃性。氧指数能达到29，有很好的自熄性，加入少量阻燃剂就能达到UL 94 V-0阻燃要求，能避免卤素、磷类阻燃剂的使用;(2)耐热性。分子中含有大量芳香环，具有较高的耐热性，玻璃化温度高达211℃，熔点达268℃，热变形可达190℃;(3)吸水性。吸水率在0.07%左右;(4)耐蠕变性和耐磨性优良;(5)耐酸碱性好，基本不受酸碱腐蚀;(6)密度小，是常用塑料或橡胶的70%～80%;(7)生物相容性好，无毒性、无致敏性、无刺激性、无遗传毒性和无致癌性，对人体组织、血液、免疫系统无不良反应。

PPO除了以上提到的优点外，还有优良的绝缘性和耐水性，这两个优点目前很少被利用，特别是在潮湿环境、热水或蒸汽中，其电性能和机械性能优异。但相比电线电缆常用的弹性体材料，存在软硬度和回弹性等方面的不足，这是线缆技术人员不考虑选用的原因。如何对其进行软化和回弹改性，一直是技术人员研究的课题。

从PPO材料性能来看，经软化改性后可成为线缆材料的理想选择，但还存在一个严重缺陷:材料在熔融态时粘度大、流动性差，用电线电缆挤出设备很难连续生产和稳定成型，在成型后会产生内应力，导致应力开裂。随着对PPO性能的进一步研究，发现用高冲击聚苯乙烯(HIPS)改性后得到的MPPO，可大大改善软硬度和加工性能，还可改善应力开裂和冲击性能，同时对电性能、耐热性能和阻燃性能的影响都不大。随着改性技术的不断突破，PPO用于线缆上的障碍逐步得以清除，表3是某牌号MPPO的主要性能。

改性后的MPPO不仅耐温、阻燃、耐磨、无卤、无毒和电性能优良，还能适应线缆行业现有的生产设备和工艺，特别是在生物相容性、耐潮湿、耐热水、耐水蒸气等方面的突出优点，正好符合环境友好型安全性耐水软电缆的要求，新设计的耐水软电缆绝缘和护套材料均选用MPPO。

表3 MPPO主要性能

3.3 性能设计

依据电缆的使用环境，以额定电压为300 V，额度温度为90℃，对电缆进行性能设计，电缆的主要性能要求见表4，耐水性及抗菌性要求见表5。

表4 电缆的主要性能要求

4 样品试制与测试

按设计方案制作电缆样品，并对样品进行型式试验，部分关键性能试验结果见表6。

从表6可以看出，MPPO具有很好的耐水性，尤其在耐热水方面表现突出，非常适合于防水电缆，另外在抗细菌和生物相容性方面也表现优异，这是很多医用器材选用此材料的原因。

表5 电缆耐水性及抗菌性要求

表6 电缆部分关键性能试验结果

5 结束语

本文介绍了耐水电缆的使用现状和设计要求，重点分析了聚苯醚材料的特点，并利用改性技术开发出环境友好型高安全性耐水软电缆，显示出改性聚苯醚用于线缆方面的优势。随着现代改性技术的不断提高，新的改性材料会不断涌现，这将为电线电缆的发展提供很好的条件。

［1］徐应麟.电线电缆手册第二册［M］.北京:机械工业出版社，2001.

［2］UL 62:2010 Flexible cords and cables［S］.

［3］HD 22.16 S2:2007 Cables of rated voltages up to and including 450/750 V and having cross-linked insulation-Part 16:Water resistant polychloroprene or equivalent synthetic elastomer sheathed cables［S］.

［4］UL 2556:2007 Wire and cable test methods［S］.

［5］EN 50395:2005 Electrical test methods for low voltage energy cables［S］.

［6］EN 60068-2-78:2001 Environmental testing-Part 2-78:Tests-Test Cab:Damp heat，steady state［S］.

［7］JIS Z 2801:2000 Antimicrobial products—Test for antimicrobia［S］.

［8］邢 秋，张效礼，朱四来.改性聚苯醚(MPPO)工程塑料国内外发展现状［J］.热固性树脂，2006，21(5):49-52.

［9］段春来.改性聚苯醚及其在电线电缆中的运用［R］.第二届高品质射频电缆及组件研讨会，116-122.

［10］高 峰，刘永坚，肖望东，等.电源软线用热塑弹性体SEBS的探讨［J］.电线电缆，2012(3):27-32.