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电线电缆的辐照加工
发布时间:2017-11-15 19:46 访问次数:

  电线电缆的辐照加工一般是指在高能电子束的照射下,电线电缆的绝缘层及护套层的聚合物材料分子间形成交联共价键,生成网状或体型结构,该过程也叫辐照交联。

  经过辐照交联改性的电线电缆其强度、弹性、硬度都得到了改善,耐溶剂性、耐环境应力开裂也有极大的提高,最重要的是耐热性及耐短路温度有了明显的改善。力学性能的改变是指抗张强度与伸长率,弹性模量,耐磨,抗疲劳等的改变,耐热性的改善体现在热延伸上,辐照对聚合物的电性能影响不大。

  辐照由于形成了交联点,聚合物就由溶于某种溶剂变成不溶于某溶剂,如PVC,原来可以溶于四氢呋喃,PE可溶于二甲苯,辐照后交联的部分就不溶了,用凝胶率来表示这个反应的程度,也就是说用溶剂的不溶部分的增加来证明交联的存在,或用物性的改变来证明交联的存在(热延伸的改变、抗张、伸长的改变等)。

影响辐射交联的主要因素

1、剂量(剂量率)的影响

辐照剂量是指单位质量的物质吸收的电子束的能量
1kg的样品吸收1J的能量就说它吸收的剂量是1戈瑞(GY),1戈瑞的百分之一叫一拉德,即1GY=100rad
大部分情况下我们用兆拉德,即106拉德叫1兆拉德,用mard表示,也有用千戈瑞来表示KGY10千戈瑞为1兆拉德
因为辐照交联是将聚合物的线状分子侧基结构在高能电子的打击下断裂,形成自由基,再重新结合形成新的交联化学链,所以可以想象聚合物接受的能量愈多,形成的交联也愈多,所以剂量的大小是影响交联度的最主要因素。当如果主链断了就成了辐照裂解了。

这里给大家介绍几个辐照加工中涉及到的公式:
射程公式
高能电子束的射程,是指从进入样品到剂量为零时的距离
L =0.542E-0.133/P
E=0.8
3  mer  为电子的能量
 P: 是样品的比重
例如,我们用聚稀烃聚合物做电线的绝缘料,它的比重为1.52g/cm3,2兆的电子能量照材下,它的材程将是
L=0.542×2-0.133/1.52
   =0.626cm

电子大约可以走6mm后停止运动
如果我们用PEPVC,橡胶料它们的比重分别是0.92g/cm31.35g/cm3,1.25g/cm3(CR),则在2兆的电子能量照射下它们的射程将分别是:
    LPE     =0.951/0.92
         =1.03cm
    LPVC   =0.951/1.35
        =0.701cm
    LCR   =0.951/1.25
        =0.76cm

由此可见电子束在不同的聚合物(样品、电线电缆的绝缘层、外护层等)中走过的路程是不同的。
穿透:电子束从进入样品到剂量开始下降时走过的距离。
在电线电缆辐照加工中,我们关心的是穿透,也就是说电子束在达到绝缘(外护层)什地方时,剂量就开始下降了,从下降点开始剂量就不准了,不能再交联了,不关心电子走过的距离,我们可以用下面这个公式来计算剂量均匀不变的距离:
L穿透=0.4E-0.3/P
E
:电子的能量
 P:样品的比重
例如我们要辐照的电线分别是聚稀烃,PEPVC、橡胶料(CR),则2mrad的电子在它们中走过的剂量不变的距离分别是
L穿透(XT=0.68/1.52
                =0.447cm
L
穿透(PE=0.68/0.92
            =0.739cm
L
穿透(PVC=0.68/1.35
            =0.503cm
L
穿透(CR=0.68/1.25
           =0.544cm

由上面可见穿透的距离也就是剂量开始下降的距离占全路程的71%左右。
剂量公式:
    在知道了电子在样品中行进时剂量会变化及走过多长的距离后,我们更关心的是剂量到底和什么有关系,也就是说剂量是什么因素的函数。

  剂量与电线电缆在束下绕的圈数,电子束的能量,束流大小成正比,与样品(电线电缆外被绝缘)的厚度、比重、扫描宽度,运行速度成反比即可,真正准确的剂量是要靠剂量薄膜贴在电线上,随电线一起走,然后再放在分光仪上来测量才能知道。

2、剂量率:Dm
剂量率Dm是指单位时间里样品接受的剂量大小。
电子束照射到电线电缆上除了有我们所需要的交联效应外,最主要的一个效应就是发热温度效应,这是我们不想要的,原因是过度的发热将会使聚合物温度急剧上升,超过了它们的玻璃化温度Tg或熔点Tm,聚合物将变软,极易将外表面划伤,另外将产生大量的小分子气体,如H2CO等来不及散去,聚在绝缘层中,越聚越多压力越大,将会使导线表面起泡,极端的情况是将绝缘(外被)撑破,造成电线报废,这种情况不是没有发生过。据说1mrad的剂量可以使聚稀烃类绝缘层温度升高5度,如果选定剂量为15mrad,则电线绝缘层(外被)温度可能上升到75℃,再加上环境温度25℃(夏天)温度可达100℃,这么高的温度肯定会使绝缘层受不了,不但产生气泡还会加剧氧化过程,导致电线的电性能与力学性能变坏,怎么办?除了喷淋水降温,滚筒降温外,另一个有效的措施就是降低剂量率,在辐照剂量不能改变的情况下将辐照速度降下来,剂量率就变小了,单位时间内辐照吸收的剂量就少了,转换的热量也少了,也更易向四周围散去了,这一方法对付表面起泡非常有效,常常有这样的情况,发现起泡后将束流降低一些,速度放慢一些,一会儿电线表面就不起泡了,另外还出现过速度较高时辐照橡胶线,多次测试其力学性能总是不满意,将束流减少速度放慢,再进行测试则抗张、断裂伸长率就变好了,这也许是氧化造成了其机械性能的降低吧。
我们也应该注意到升温和材料的比热,热容量还是有关的,还和材料的配方有关,同样的辐照条件,挤出机的机头,机身等温度以及材料,导体受潮与否有关(绝缘材料的制作工艺及共混,添加剂分散均匀 性等是十分关键的)这就不是我们所能决定的了
当然辐照速度很低产量就会减少,影响加工产值,所以应在允许的范围内降低速度。
下面是一款汽车线的挤出与辐照工艺条件,从中我们可以感觉到温升对线材表面的影响。
此电线绝缘料是以特种聚稀烃为基材,含有卤阻燃剂,抗氧剂,助交联剂等多种助剂,经混炼造粒加工而制得,经辐照后,具有优良的耐热性能及阻燃性能和耐磨性能,使用于耐热125℃的阻燃交联聚稀烃绝缘电线电缆:

特别说明:如出现表面问题可将机体温度适当升降
       辐照剂量918mrad之间选择最佳点
       热延伸控制在20%30%范围内
以上说明了辐照中温升对线材表面的不利影响及解决方法,这个问题每一个加工操作人员都要特别注意。

3、线缆在束下的缠绕对辐照的影响
由于电线电缆一般为圆形结构,导体与绝缘层并存,导体就屏蔽了电子对其下部分绝缘层的照射,这一点与热缩管不同,另一方面导体的反射也造成了上层的绝缘层多吸收了一些剂量,所以辐照电线电缆人们都会采用双面辐照的方法来使剂量均匀。
双面辐照时电线电缆的缠绕有交叉“8”字型与变型“8”型和“0”型三种,我们一般都采用变8字绕法,这样可以方便穿牵引,也有用交叉“8”字的,没见过“0”型的,当电线一面接受束流照射,电线运行到“8”的另一面时,原接受束流的一面向下不接受束流了,这样一来,辐照就可以较为均匀了,但是话说回来,这也仅仅是对于小载面的电线电缆合适,对于大截面的电线电缆有时发生转动,平移这样就造成了辐照剂量的不均匀,还要补剂量二次辐照,浪费了人力物力。
对于截面较大的电线电缆一般在束下缠绕的圈数少一些,比如30道、21道、12道等,象5027021002等,较小截面的电线可以多绕一些,比如55道、70道、100道,像4262102162252等可以绕55圈,2.52以下的可以绕70道等,随扫描宽度和分线梳而定,而对于AWG28号、30号、32号极细的电子线也可绕100,110道,每道里面放24根等。
也可以将滚筒分为2个独立的部分,左边的是一组,右边的是一组,每组都可又进又出,一个槽里放2根线,或一个槽里放一根线,提高辐照效率。

  经过上面的介绍,可以引出下面的问题,就是剂量的换算问题:

1、在能量与剂量都不变的情况下,导线绕不同的道数,怎样确定单位束流导线运行的速度。
   比如:辐照42线,要求14兆,55圈,能量1.8mrad一进一出,经试验速度在8.5/分钟/毫安,测试指标合格,为了提高产能要求圈数增加到70圈,每毫安速度应是多少?
   分析:由于其他条件都没变,仅电线绕的道数发生了变化,增加了20道,我们可以想见,如速度不变则导线在扫描窗下接受的剂量肯定增加了,将会使电线由于辐照造成剂量太大,热延伸、伸长、抗张等技术指标都要变化,轻则物性下降,重则电线照坏。为了抵消多出的20道接收的剂量,必须要将速度提高,道数增加了1.27倍,速度也要提高1.27倍,即V=1.27×8.5=10.82//毫安,如果原来是70道,先改为55道呢,怎样计算,请思考。

2、剂量发生了变化,但其他条件都不变,怎样确定新的辐照速度:
   例如:辐照42线,55圈,1.8mrad,一进一出,要求热延伸30%60%,首先做试验选17兆(7m/mm/mA),热延伸做下来是20%,不符合要求,重选14兆,速度应多少呢?
   分析:其他条件如能量、道数、扫描宽度都不变,仅剂量发生了改变,由17兆变为14兆降低了.我们应知道为使剂量将低,速度应该加快才对,现剂量降低了0.82倍,速度应提高0.82倍才对,V=7/0.82=8.5/分钟/毫安,或者17/14=1.21V=7×1.21=8.5//毫安,如果剂量由14兆增加到17兆应该怎么算?

3、其他不变,仅一进一出改为二进二出,怎样确定新的辐照速度
   例如:辐照42线,55圈,电子能量1.8兆,剂量14兆,速度8.5//毫安,效率低,为了提高产能要改为二进二出,2×27圈,怎样确定新的辐照速度?
   分析:首先我们要明白,只有在一进一出束流没有开到极限的情况下才可用二进二出提高产能,否则无意义,为什么?
   一进一出改为二进二出,显然道数要减少,由原来的55道,变为单边27道,道数少了,剂量又要求不变,很明显速度应放慢下来,道数少了0.49,速度应慢0.49倍,8.5×0.49=4.17//毫安,或者55/27=2.04V=8.5/2.04=4.17//毫安,如果由二进二出改为一进一出,剂量应怎么算?

4、其他都不变的情况下,仅将能量改变剂量的换算
   例如:辐照某一款电线,束下缠绕圈数不变,剂量原来为15mrad,现在发现由于导线绝缘层较厚辐照不均匀,想提高能量改善辐照均匀性。将能量从1.8MeV提供到2.0MeV,这时剂量是多少?
   分析:从剂量公式我们知道剂量与能量成正比,所以当能量提高2.0/1.8=1.11倍时,剂量同样也增加了1.11倍。即15x1.11=16.67 mrad.
  
有一个现象我们应该特别注意,这就是在保证电子束穿透的条件下(如对薄壁电线或小规格电线辐照)同样的穿透尺寸,低能量的电子束所使用的剂量比高能量的电子束所使用的剂量要小。换句话说,如果辐照薄壁电线如AVSSXAESSX等,我们应选择较低的能量而不选择较高的能量。这样做可以降低辐照剂量,提高线缆运行速度,同时可减少电能的浪费,也可减小交联的不充分。因为能量过高易打穿绝缘层,另外也使导体发热,产生较多的热效应。


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