老化及光照老化对紫外光交联绝缘性能影响的研究

老化及光照老化对 紫外光 交联绝缘 性能影响的 研究

邓声华，陈钢，刘和平，黄泽伟，冯政浩

（广州岭南电缆股份有限公司，广州南沙 511400）

摘 要：本文对紫外光交联绝缘进行了热老化及光照老化实验，通过拉伸测试研究了热老化及光照老化试样的力学性能，通过差示量热扫描分析(DSC)和热重分析(TGA)研究了光照老化试样的结晶特性和热降解特性，结果表明：紫外光交联绝缘具有较好的耐热老化特性，但耐光老化特性较差。

关键词：紫外光交联；热老化；光照老化；熔点；热失重

Effect of thermal and photoperiod aging

on the performance of UV photocrosslinking insulation

DENG Shenghua, CHEN Gang, LIU Heping, HUANG Zewei, FENG Zhenghao

（Guangzhou Lingnan Cable Co., Ltd，Nansha District，Guangzhou，China 511400）

Abstract: In this paper, the thermal and photoperiod aging tests of ultraviolet cross-linked insulation were carried out. The mechanical properties of the samples were studied by tensile test, the crystallization and thermal degradation characteristics of the photoaged samples were studied by differential scanning calorimetry (DSC) and thermal gravimetric analysis (TGA ). The results showed that the UV photocross-linked insulation had good thermal aging resistance, but poor photoaging resistance.

Key words: UV crosslinking; thermal aging; light aging; melting point; thermal weightlessness

0 引言

交联电缆制造工艺技术主要有过氧化物交联、硅烷交联、电子束辐照交联，近二十年来新发展了一种全新交联技术——紫外光辐照交联，其原理为：以聚乙烯为主要原料参入适量的光引发剂，通过光引发剂吸收特定波长的紫外光能量跃迁至单重激发态，再经过系间穿越后跃迁至更加稳定的三重激发态夺取聚乙烯分子链上的氢原子，产生大分子自由基，而本身形成羰游离基，羰游离基复合形成引发剂光解产物，大分子自由基复合形成交联键，并使聚乙烯分子链之间互相连接，分子链由线型结构变成三维网状结构的大分子，进而提升了电线电缆的耐高温特性、抗溶剂特性、电气性能和力学性能。紫外光辐照交联是一项由中国自主开发、具有自主产权和国际领先水平的创新成果，并为国内交联电缆生产技术开拓了一条新途径。

1实验部分

1.1样品

截取一根1kV，35mm²的紫外光交联聚乙烯绝缘样品，型号为YJ-35，样品按GB/T12706.1-2020标准生产，绝缘标称厚度为0.9mm，生产线速度为35m/min，辐照功率为总功率的80%（总功率为14kW）。样品主要性能指标如表1所示。

表1：样品主要性能指标

从表1可知，紫外光交联聚乙烯绝缘表现出较好的热收缩性能。聚乙烯绝缘料挤出过程中，影响其热收缩的因素有结晶度、内应力、分子取向即熔温度和时间、冷却速度和外力拉伸，因紫外光交联聚乙烯是在熔融温度下进行交联反应，温度大概在300℃左右，在高温交联时聚乙烯分子在挤出过程形成的内应力可以充分得到恢复，因此可有效消除内应力对热收缩的影响。

1.2热老化试验

从YJ-35样品中截取3个试样，分别按135℃、150℃、165℃，168h进行烘箱热老化试验，试验结果如表2所示。

表2：烘箱热老化试验结果

从表2试验数据分析，紫外光交联聚乙烯绝缘试样分别通过了135℃、150℃和165℃，168h的烘箱热老化试验。经过135℃老化试验后，抗张强度保留率达97.6%，老化前后抗张强度、断裂伸长率变化率均较小。在经过150℃和165℃后，抗张强度保留率仍达88.2%，老化前后抗张强度变化率有所增大，老化前后断裂伸长率变化率仍较小，表现出优越的耐热老化性能。主要原因是紫外光交联能使聚乙烯活性大分子通过C-C键形成更加稳定的三维网状结构，相比硅烷交联通过C-Si-O-Si-C形成的三维网状结构，因C-C键的键能大于C-Si键的键能，因此紫外光交联绝缘的耐热老化性能比硅烷交联绝缘更加突出。

1.3室外光照老化试验

从YJ-35样品中截取8个试样，在室外分别进行0天、3天、6天、9天、12天、15天、21天的光照老化试验。

1.3.1对在室外进行光照老化试验的8个试样主要性能指标进行测试，结果如表3。

表3：室外光照老化后试样主要性能指标

从表3数据分析，通过室外光照老化，凝胶含量略有变大，表明在光照下，紫外光交联聚乙烯绝缘进一步发生了交联反应。

1.3.2对室外进行光照老化试验的8个试样进行烘箱老化试验，结果如下4。

表4：室外光照老化试样热老化试验结果

从表4试验数据分析，在室外光照老化3d的试样，老化前试样机械性能急剧下降，抗张强度下降至15.8Mpa，断裂伸长率下降至460%，对该试样进行烘箱热老化试验，老化前后抗张强度变化率达15.2%，老化前后断裂伸长率变化率达16.3%。在室外光照老化6d-21d的试样，老化前试样机械性能进一步下降，光照老化21d的试样断裂伸长率损失达46%，接近绝缘材料寿命的终止（一般用断裂伸长率损失50%来表示绝缘材料达到寿命终止），并且进行热老化试验时，试样被焦烧，无法测试，如图1所示。

图1

从试验结果分析，因紫外光交联聚乙烯绝缘试样直接暴露在强光下，产生了光老化反应，导致试样机械性能急剧下降，进行烘箱热老化试验试样被焦烧。对大多数塑料来说，最易造成破坏的敏感波长在290-400nm之间，即紫外光波长。在较强紫外光波长照射下，聚乙烯会引入较多含氧基团，引发光氧化降解反应，分子链大量断裂，分子量降低，分子量分布加宽，且太阳的热辐射，会促进光化学反应中氧在材料的扩散，在光、氧、热的共同作用下，加速了紫外光交联聚乙烯绝缘的断裂老化。

1.3.3对室外进行光照老化试验的8个试样进行DSC熔点测试，结果如表5所示，DSC图谱如图2所示。

表5：室外光照老化试样熔点测试结果

图3

图2

从测试结果分析：未经光照老化的紫外光交联聚乙烯绝缘熔点为121.4℃，在室外阳光照射3天后，绝缘的熔点下降至113.7℃，随后一段光照老化时间内绝缘熔点保持稳定，主要原因为光引发剂吸收阳光中的紫外光引发进一步的交联反应，使得交联绝缘体系的结晶度下降，相应的熔点也随之降低，进一步在阳光照射，绝缘得以完全交联，熔点趋于稳定。

1.3.4对室外进行光照老化试验的8个试样进行TGA热失重测试，结果如表6所示，TGA和DTG图谱如图3所示。

表6：室外光照老化试样热失重测试结果

0d 12d

图3-1 图3-2

21d

图3-3

从TGA的图谱中可知，紫外光交联聚乙烯绝缘的初始分解温度由未经光照时的465℃，随着在室外光照老化3天开始下降，室外光照老化6-12天初始分解温度趋于平稳，主要原因为光引发剂吸收阳光中的紫外光引发进一步的交联反应，随后达到完全交联。从DTG图谱中分析，紫外光交联绝缘的最大损失速率由未经光照时的3.2 %/℃，随着在室外光照老化3-6天后，紫外交联的最大损失速率趋于平稳，随着在室外光照老化测试15-21天后，最大损失速率有缓慢上升趋势，说明光照会使绝缘发生光降解和热降解，验证了光照老化6天后发生烧焦的现象。

4结论

1）紫外光交联能使聚乙烯活性大分子通过C-C键形成更加稳定的三维网状结构，相比硅烷交联通过C-Si-O-Si-C形成的三维网状结构，因C-C键的键能大于C-Si键的键能，因此紫外光交联绝缘的耐热老化性能比硅烷交联绝缘更加突出。

2）紫外光交联绝缘在较强阳光照射下，聚乙烯会引入较多含氧基团，引发光氧化降解反应，且阳光的热辐射，会促进光化学反应中氧在材料的扩散，加速了绝缘断裂老化，试验表明紫外光交联绝缘的耐光照老化性能极差。

3）对在室外敷设的紫外光交联电缆，在终端部位必须进行防日照处理，以防止绝缘老化。

参 考 文 献

[1]金金元.低压交联电缆绝缘层开裂原因分析.电力安全技术.2021,No7。

[2]李欢，李建英，马永翔等不同温度热老化条件下交联聚乙烯电缆绝缘热性能和力学性能的劣化趋势研究.绝缘材料.2018,No51。

作者简介：邓声华（1975.1），男，韶关，高级工程师，总工程师

作者地址：广州市南沙区人绿路163号 [511400]

联系方式：020-84762216，13928783189

账户信息

账户：6217003320039018059

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账户名：邓声华

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