Свойства ПВХ-пластикатов

Поливинилхлоридный пластикат, применяемый в кабельной промышленности, представляет собой смесь поливинилхлоридной смолы (поливинилхлорида), получаемой полимеризацией хлористого винила (СН₂=СНСl) с пластификаторами, стабилизаторами, наполнителями и другими компонентами.

Поливинилхлорид (ПВХ) – это высокомолекулярное соединение линейного строения, имеющее вид тонкодисперсного порошка. Молекулярная масса ПВХ 50000- 200000. Отсутствие двойных связей и наличие атомов хлора делает ПВХ стойким к кислотам и щелочам, а также озоностойким и негорючим материалом. В кабельных композициях ПВХ-пластикатов используют ПВХ суспензионной полимеризации, при которой полимер получается малоразветвленным с узким молекулярно-массовым распределением. Для кабельных пластикатов используют ПВХ, молекулярная масса которого 60000-100000.

При добавлении к поливинилхлоридной смоле пластификаторов, стабилизаторов и других компонентов повышаются ее физико-механические и технологические свойства, но снижаются диэлектрические свойства ПВХ-пластиката.

Поливинилхлоридные пластикаты, применяемые в кабельной промышленности, по своим свойствам и предъявляемым к ним требованиям можно разделить на три основные группы: изоляционные, обладающие высокими электрическими характеристиками в диапазоне рабочих температур; шланговые, защищающие основные конструктивные элементы кабеля от воздействия внешней среды; полупроводящие, занимающие по своим электрическим характеристикам промежуточное место между диэлектриком и проводником. Физико-механические характеристики ПВХ-пластикатов в основном определяются процентным содержанием в рецептуре пластификаторов.

Относительного удлинения ПВХ-пластиката при разрыве зависит от содержания пластификатора. Максимальное относительное удлинение получают при содержании 45-70 мас. ч. пластификатора. Количество и рецептура пластификатора также существенно влияют на удельное объемное электрическое сопротивление ρ_υ ПВХ-пластиката. С увеличением процентного содержания пластификатора ρ_υ ПВХ-пластиката уменьшается, так как ПВХ имеет ρ_υ=10¹⁵-10¹⁶ Ом∙км, а пластификаторы ρ_υ=10¹²-10¹⁴ Ом∙км. Поэтому в изоляционных рецептурах количество пластификатора не должно быть более 40-45%, так как при его увеличении ρ_υ ПВХ-пластиката будет 1∙10¹⁷Ом∙км, то есть меньше, чем требует стандарт.

ГОСТ 5960–72 «Пластикат поливинилхлоридный для изоляции и защитных оболочек проводов и кабелей» регламентирует основные параметры наиболее распространенных марок пластиката, каждой из которых присвоено условное обозначение, состоящее из букв и цифр. Первая (или две) буква марки обозначает область применения и тип пластиката: И – изоляционный, О – для оболочек (шланговый), ИО – для изоляции и оболочек.

Для изоляционного пластиката две цифры, следующие за буквами, характеризуют температуру хрупкости, а цифры, стоящие за ними (после дефиса), являются показателем степени удельного объемного электрического сопротивления данной марки (например, И40-14). При обозначении шланговых пластикатов температура хрупкости указывается через дефис после букв (например, 0-40).

Специальные свойства пластиката обозначаются стоящими после буквы И или О одной или несколькими начальными буквами слова, характеризующими дополнительное свойство данной рецептуры. Например, пластикат повышенной нагревостойкости, называемый «изоляционный термостойкий», обозначается ИТ-105 (через дефис указана максимальная рабочая температура).

В технологической документации на изготовление кабелей и проводов, как правило, указывают не только марку, но и номер рецептуры ПВХ-пластиката. Это позволяет более полно использовать его свойства. Например, широко известные рецептуры 251 и 230 согласно ГОСТ 5960–72 относятся к одной марке изоляционного пластиката И 40-13 и имеют одинаковые нормы на физико-механические и электрические характеристики. Рассматриваемые рецептуры отличаются друг от друга типом пластификатора. Пластикат рецептуры 251 содержит диоктилфталат (ДОФ) и получается менее энергоемким при переработке, что позволяет накладывать изоляцию при больших скоростях. Пластикат рецептуры 230 содержит диалкилфталат (ДАФ) обладает высоким удельным объемным электрическим сопротивлением и является тропикостойким (на нем практически не развиваются грибки и плесень).

Шланговые рецептуры 239 и 288 пластика марки 0-40 изготовляют с применением различных фталатных пластификаторов. Диалкилфталат 239 делает ПВХ-пластикат более тропикостойким, чем пластикат 288.

Наличие в ПВХ-пластикате различных пластификаторов делает зависимость механических, электрических и других характеристик от температуры более выраженной и сложной, чем поливинилхлоридной смолы.

Снижение удельного объемного электрического сопротивления ПВХ-пластиката различных рецептур при повышении температуры учтено в стандарте и контролируется при 20 и 70°С.

Поливинилхлоридный пластикат широко применяют для изоляции установочных, монтажных и специальных проводов, в силовых кабелях на напряжение 1-6 кВ и контрольных кабелях.

В шланговый пластикат, кроме основного пластификатора, добавляют 15-20% трикрезилфосфата, который повышает стойкость ПВХ-пластиката к горению. Увеличение пластифицирующей группы до 50-60% приводит к увеличению относительного удлинения при разрыве и снижению прочности на разрыв всех шланговых пластикатов.

Поскольку с повышением температуры резко возрастают значения ε и tgδ, ПВХ-пластикат невозможно широко применять в высоковольтных силовых кабелях на напряжение более 10 кВ и в качестве изоляции в кабелях связи.

Для создания холодостойких пластикатов марок 0-50, 0-55 и ОМБ-60 с температурой хрупкости минус – 50 минус 60°С используют 60–70% пластификатора (диоктилсебационат или диизодециадипинат), но при этом прочность на разрыв снижается до 11, а иногда до 10 МПа.

Полупроводящий ПВХ-пластикат необходим для выравнивания электрического поля и уменьшения интенсивности ионизации высоковольтных кабелей и проводов, а также для экранов гибких шахтных кабелей.

Особенностью таких пластикатов является снижение значений ρ_υ до 10²-10⁴ Ом∙см и менее за счет введения в рецептуру большого количества наполнителей (сажи, графита и порошков металлов).

Длительное воздействие температуры солнечных лучей и различных сред приводит к необратимым изменениям свойств пластикатов, называемых старением материала, которое оценивают снижением механических свойств и температурой хрупкости после определенных сроков выдержки их при различных температурах.

Различают тепловое, световое и другие виды старения. Если ПВХ-пластикат находится в воде, бензине, масле или другой среде, процесс его старения вызывается в основном вымыванием пластификатора и стабилизаторов.

Тепловое старение ПВХ-пластиката происходит из-за улетучивания пластификатора, в результате чего теряется эластичность пластиката и снижается его холодостойкость. Кроме того, под воздействием повышенной температуры происходят интенсивное окисление и деструкция смолы.

Во все кабельные ПВХ-пластикаты вводят стабилизаторы,. предотвращающие деструкцию материала в процессе его переработки и эксплуатации кабельных изделий. В шланговых кабельных пластикатах стабилизирующая группа, как правило, более эффективна, чем в изоляционных.

Процессы старения в пластикате, как и во многих других материалах, значительно ускоряются при попадании на них солнечных лучей. Это объясняется тем, что под воздействием солнечных лучей, в основном ультрафиолетового спектра, процессы окисления и деструкции происходят быстрее, чем под воздействием теплоты. Для придания ПВХ-пластикату (особенно шланговому) большей светостойкости в рецептуру вводят красители, которые, поглощая лучистую солнечную энергию, не дают ей проникать в толщу материала и сохраняют свойства пластиката. Наиболее эффективным пигментом, резко повышающим светостойкость материала, является сажа, вводимая в рецептуру в количестве 1-3%. Поливинилхлоридные пластикаты черного цвета обладают большей стойкостью к светостарению, чем темно-синего, красного, зеленого и других более светлых тонов.

Так как для светостойкости важен цвет, дисперсность и равномерность распределения красителя в массе пластиката, шланговые ПВХ-пластикаты поступают на кабельные заводы, как правило, в виде гранул черного и синего цветов. Чем равномерней распределение красителя, тем больше светостойкость материала.

На заводах химической промышленности для равномерного распределения красителя его тщательно перемешивают с пластикатом.

Для изоляционных марок допускается поставка гранул ПВХ-пластиката натурального цвета, а для окраски изоляции в экструдер добавляют 2-3% концентрированно окрашенных гранул. В этом случае контроль осуществляют по цвету, так как светостойкость изоляционного материала не имеет существенного значения.

При внедрении поточных автоматических линий на кабельных заводах учитывают не только физико-механические и диэлектрические свойства ПВХ-пластиката, но и его технологические свойства. Производительность одного и того же экструдера колеблется в пределах 20-30% в зависимости от рецептуры и технологических свойств пластиката. Проверку технологических свойств ПВХ-пластиката производят на экструдере диаметром червяка 32-60 мм. Для испытаний в головке экструдера применяют «глухой» дорн и матрицу, диаметр которой для изоляционного пластиката должен быть равен 2 мм, а для шлангового – 5 мм.

Температурные режимы работы экструдера при переработке ПВХ-пластиката устанавливают в следующих пределах:

Температурные режимы работы экструдера