低烟无卤线缆料由于具有低烟、无卤、低毒等特性，在轨道交通、机场、大型商场、剧院、学校和房地产等人口密集的场合，使用的比例越来越高。

 

对于该类材料的抗开裂性能，行业内大多数公司和机构采取热冲击实验的方法进行评估，该方法也被写入国标GB/ T 32129-2015，从行业目前长期反馈来看，该测试方法确实能在很大程度上筛选出高温抗开裂性能优秀的配方。

 

然而以上测试方法大多数是定性的评估方法，对开裂的详细机理并未有详细的分析和阐述。为了更好地评估低烟无卤护套材料的抗开裂性能，本文自行设计了抗开裂性能的评估实验，对评估抗开裂性能的测试方法进行了拓展和丰富，同时结合测试结果，探讨了低烟无卤电缆线缆料的开裂机理。

 

1.试验方法

 

1.1 热冲击和冷热循环抗开裂实验

 

热冲击实验:按照 GB/ T 32129—2015 附录 A 规定的尺寸裁好样条后，按照其卷绕方法，以规定的质量负重卷绕，两端螺栓固定后，将样品放置于130 ℃的烘箱中 1 h ，取出待冷却至室温，观察样条上是否有肉眼可见裂纹。

 

冷热循环抗开裂实验:按照 GB/ T 32129—2015  附录 A 规定的尺寸裁好样条后，按照其卷绕方法， 以规定的质量负重卷绕，两端螺栓固定后，将样品放 置于冷热循环箱中，冷热循环箱分三室，分别是低温室、高温室、样品室。低温室先预冷－30 ℃ ; 高温室 先预热到 140 ℃ 。升温阶段为室温至 130 ℃ , 其中常温至 100 ℃ 需在 1 min 内完成，样品室升温到 130 ℃  总时长不超过 10 min ，在 130 ℃ 下保持 1 h 。后降温 至－25 ℃ , 降温阶段 130 ℃ 至 0 ℃ 在 1 min 内完成， 降温到－25 ℃ 也不超过 10 min ，在－25 ℃ 下保持 1 h。 此为一次冷热循环冲击。后取出待冷却至室温，观察 样条上是否有肉眼可见裂纹。

 

判定结果如图 1 所示，样条无肉眼可见裂纹时判 定为“合格”，而实验失效样品的等级分 2 类，分别为 “裂纹” 和 “断开”，其 中 “断开” 比 “裂纹” 的失效情况更加严重。

a－合格 

 

b－裂纹

 

c－断开

 

图 1  冷热循环测试判定示例

 

1.2 力学性能测试

 

拉伸性能测试前，样条应在恒温恒湿(23 ℃ , 湿度 55% )中放置 4 h ，常温时拉伸速率选取 250 mm / min ，高温时拉伸速率选取 50 mm / min 。每个样 测试 5 次，取平均值作为测试结果。

 

测试不同高温 (50 ，70 ，90 ℃ ) 下的拉伸强度 或断裂伸长率，分别除以常温 (23 ℃ ) 下的拉伸强 度或断裂伸长率，计算出来的百分比为该温度下的强 度或断裂伸长率保留率。

 

2. 结果与讨论

 

2. 1  冷热循环抗开裂实验用于评估护套材料抗开裂 性能的测试结果分析

 

在早期使用低烟无卤护套料时，行业内有发生过多起的开裂事故。为了评估材料的开裂性能，IEC 811－3－1 和国标 GB/ T 2951—2008 制订了成品的热 卷绕测试标准，而材料的热冲击测试测试方法和细则 在 GB/ T 32129—2015 中得到了正式的规定。热冲击 测试是模拟材料在试加应力的状态下，升温过程中抵 抗内应力，防止护套开裂的能力的一个有效的实验。经过长期的一个数据积累和客户使用反馈，我们认为热冲击的测试方法能够比较好的评价低烟无卤护套材料的抗开裂性能，尤其能对应夏天高温暴晒下的开裂情况。选取负重砝码总质量分别为 7. 5 ，5. 0 ，2. 5，1. 0 kg ，对应的内应力分别为 4. 08 ，2. 72 ，1. 36，0. 54 MPa，内应力约为破坏强度的 33% ，22% ， 11% 和 4. 4% 。

 

而电缆在使用过程中的环境情况比高温更为复杂，还会伴随有温度、湿度的交替变化。我司自行设计出一个冷热循环的实验方法，目的在于检验低烟无卤护套材料在冷热交替中的抗开裂性能。该方法不仅 检验材料在受热情况下，有应力存在时的抗开裂的能 力，也同时检验材料在对抗快速结晶和收缩过程中产 生的内应力时的抗开裂的能力。本实验对比了标准热 冲击测试方法和新设计的冷热循环的测试方法的实验 结果差异，实验数据见表 1 。

 

表 1  冷热循环和热冲击的实验结果对应关系

 

从表 1 结果可以看出，冷热循环实验通过难度会 明显比单纯的热冲击要大，哪怕是实现了热冲击性能 7. 5 kg 合格的样品，都无法满足冷热循环的 5 kg 负重实验合格。对于冷热循环实验来说，也是施加的内 应力越大，实验越难通过。

 

在本实验方法中，材料先从常温上升到高温，在此过程中，材料先要在高温下力学性能的过程中，对抗通过负重卷绕带来的内应力，确保升温过程不开裂，此过程与热卷绕测试差不多。同时又需要在快速降温过程中，抵抗冷却收缩和结晶带来的二次内应力，而由于两端被螺栓固定，无法自由收缩，导致样条出现裂缝，故该测试方法更为苛刻，而实验结果也确实如此。

 

行业内出现过在昼夜温差较大的环境发生护套开裂的事故，也出现过开裂事故发生在夏天的多雨时期 ( 也就是可能是暴晒后被雨淋后快速降温)，原因推断类似。故也可建议以该方法去检验低烟无卤护套材料抗开裂性能的好坏。

 

2. 2  不同温度下低烟无卤材料的力学性能关系

 

为了更加深入地去探寻开裂机理，测试了护套材料在不同温度下的力学性能，与热冲击性能和高低温循环性能做一个对应，详细数据见图 2 和 3 。

 

a－拉伸强度

 

b－断裂伸长率

图 2  拉伸性能随着温度的变化关系

图 3  不同材料在不同温度下的断裂伸长率保留率

 

可以发现，低烟无卤材料的力学性能随着温度的升高，呈现非常快速的降低趋势，当温度达到 70 ℃ 时，拉伸强度仅为 3 MPa 左右，相比常温下的拉伸强度，保留率不超过 30% ，但是不同产品的拉伸强度及其保留率的差异并不大 ; 同时可以看到，断裂伸长率的下降幅度都超过 50% ，产品4 在 70 ℃ 下的断 裂伸长率保留率只有 32. 5% ，产品 1 断裂伸长率保留率最高，但 70 ℃ 下也只有 47. 2% ; 随着温度的进 一步升高，拉伸强度和断裂伸长率会进一步降低。

 

这是因为随着温度的升高，尤其当接近EVA的熔点时，材料的结晶度会降低，拉伸强度和断裂伸长 率会降低，在 50 ～70 ℃ 的区间变化时，断裂伸长率下降尤其显著。同时高温下断裂伸长率的绝对值和保留率，与热冲击的测试结果，有比较一致的对应关系。比如产品 4 ，常温下的力学性能与其他 3 产品没有太多区别，但是在升高温度时，断裂伸长率的下降 幅度更快，断裂伸长率及其保留率都最低，同时热冲击性能 2. 5 kg 不合格，是抗开裂性能表现最差的。

 

实测在温度较高、光照较强的地方，黑色电缆的外表温度可达到或者接近 70 ℃ 。该状态下的材料力学性能尤其重要，高温下断裂伸长率高的材料，抗开裂性能会更为优异。相比于常温下材料的断裂伸长率，高温下(例如 70 ℃ )的断裂伸长率以及高温下的断裂伸长率的降低幅度更能真实地反映电缆护套成品抵抗夏天户外高温暴晒的抗开裂性能。

 

2. 3  护套开裂问题的机理分析

 

电缆在实际使用过程中的工况和使用环境比较复杂，有高温和高低温循环的影响，还有湿度的影响(低烟无卤在吸湿后力学性能会下降)，有热氧老化和光老化的影响。这些会叠加起来，使得护套材料使用过程中的内应力情况和力学性能变化更加多变。本文主要考察的是高温曝晒下和冷热循环条件下的抗开裂性能的评估方法改进，并依次探讨抗开裂机理。

 

分析如下 : 

 

1) 电缆在户外尤其是被阳光照射到的情况下，黑色的护套层的温度升高，此时分子链的活动能力变强，线缆弯曲产生的内应力会加快松弛 ; 但是，根据高温下力学性能测试结果也可以看到，护套层的力学性能也会变差。当某个时间节点下，力学性能劣化至无法抵抗内应力时，护套出现开裂，反之则保持完整。

 

2) 当在昼夜温差较大或者 护套材料温度剧烈变化 ( 夏天暴晒后下雨，快速降 低护套温度) 的情况下，材料会因为快速冷却结晶和收缩产生二次额外内应力，该内应力的产生会对材料的抗开裂性能增加二次考验。故我司用高低温循环冲击来延展现在的热冲击测试，通过测试高温下的材料力学性能来量化材料的抗开裂性能，丰富了护套材料抗开裂性能的考察和评估方法。

 

当然实际情况还需结合材料的光老化性能和材料的抗吸湿性能，如能把光老化、抗吸湿、高低温循环、应力集中和内应力试加等因素综合一起考虑，设计出一个实验方法，可能也会得到一个更加全面的评价方法。

 

3. 小结

 

1) 对不同产品的低烟无卤材料的抗开裂性能进行评估。测试材料在高温下的力学性能，发现随着温度的升高，拉伸强度和断裂伸长率都出现明显的下降，当从室温升高到 70 ℃ 时，拉伸强度保留率只有 25% 左右，伸长率保留率也只有 30% ～50% 之 间 ; 不同产品力学性能下降程度不同，高温下断裂伸长率及其保留率越低的配方，热冲击性能也越差，从力学性能层面量化了材料的高温抗开裂性能，也反映了高 温开裂机理。

 

2) 自行设计出有内应力存在的条件下，冷热循环冲击的实验方法，通过实验发现冷热循环测试的实验较高低温更难通过，相比单纯热冲击是更为严苛的实验方法。通过此方法可以加严对材料抗开裂性能的评估。

来源：国高材分析测试中心

关键词： 低烟无卤线缆料 开裂性能