电缆挤塑工艺讲义.docx

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电缆挤塑工艺讲义

电缆挤塑工艺讲义

1.常用绝缘材料

1.1聚氯乙烯（PVC）

  聚氯乙烯塑料是以聚氯乙烯树脂为主要原料，根据各种电缆的不同使用要求，加入各类配合剂，如增塑剂、稳定剂、填充剂等经混合塑化、造粒而制得电线电缆用的聚氯乙烯塑料。

聚氯乙烯塑料的机械性能优越，耐化学腐蚀、耐气候、老化性能好，并且不延燃，有一定的电绝缘性能及良好的加工性能，成本低所以被广泛地用作电线电缆的绝缘和护套材料。

  但是聚氯乙烯因C—Cl极性键的存在，使树脂具有较大的极性它的介电常数和介质损耗角正切较大；由于氯原子的存在耐热性较低，耐寒性差，在加工过程中，聚氯乙烯受热分解放出HCl有毒气体。

因此现在聚氯乙烯绝缘电缆正逐渐被聚乙烯绝缘电缆所取代。

绝缘、护套常用PVC塑料分类及性能见表1和表2。

表1绝缘用PVC塑料分类及性能

类型

性能要求

使用温度

主要用途

绝缘级

电绝缘性能较好，有一定的耐热性、柔软性

70℃

通信、控制、信号及低压电力电缆绝缘

普通绝缘级

有一定的电绝缘性能，有较好的柔软性及耐大气性、价廉。

70℃

室内固定敷设的电线、护套软线、500V农用电缆以及仪表安装线绝缘

耐热绝缘级

有较佳的耐热老化性能笔耐变形，电绝缘性能较好。

90℃

105℃

要求耐热较高的船用电缆、航空导线、电力电缆及安装用电线的绝缘。

高电性能绝缘级

较佳的电绝缘性能，绝缘电阻高、介电性能好，有一定的耐热性。

70℃

电压为6kV—10kV级的电力电缆的绝缘。

耐油耐溶剂绝缘级

具有较好的耐油性、耐溶剂性和柔软性，电绝缘性能较好。

70℃

用于接触油类和化学物质的电线缆的绝缘级。

阻燃绝缘级

电绝缘性能较好，有较高的耐火焰燃烧性，柔软性较好。

70℃

固定敷设的电力电缆、矿用电缆、安装用电线的绝缘。

表2 护套用PVC塑料分类及性能

类型

性能要求

使用温度

主要用途

普通护层级

有足够的机械强度、耐热、光老化性及耐寒性较邹。

70℃

塑料电线电缆的外护层及其他电缆的外护层。

耐寒护层级

有较高的耐地寒性，低温柔软性好。

70℃

户外及耐寒电线电缆护层。

柔软护层级

具有较高的柔软性，较好的耐寒性。

70℃

耐寒柔软的电线电缆护层。

耐热护层级

耐热性能良好。

90℃

105℃

耐热的电线电缆护层。

耐油护层级

耐油性、耐化学药品性好。

70℃

与油类及化学药品接触的电线电缆的护层。

易撕护层级

抗撕裂性低，敷设方便、价格低廉。

70℃

室内固定敷设用绝缘电线的护层。

防霉、防白蚁、防鼠护层级

抗生物性好、防白蚁、防霉性好。

70℃

热带及温热带地区用电缆护层。

阻燃护层级

抗燃烧性好。

70℃

安全性要求高的电线电缆护层。

1.2聚乙烯PE（简介）

   由乙烯烃聚合反应而得到的一种高分子碳氢化合物称之为聚乙烯树脂，我们用的聚乙烯塑料则是聚乙烯树脂与各种添加剂（稳定剂、润滑剂）混炼捏合而成的高分子化合物。

工业生产聚乙烯的方法有三种：

   1.高压法：

低密度聚乙烯（LDPE），分子支链多（树枝状），柔软性好，结晶度低。

   2.中压法：

中密度聚乙烯（MDPE），分子支链较少。

   3.低压法：

高密度聚乙烯（HDPE），分子为线型，无分支，刚性好、结晶度高。

1.2.1聚乙烯结构特点

1.分子结构

   聚乙烯是含碳氢两种元素的高分子化合物，通式为—CH2－CH2—，结构式          

其中n为聚合度

   聚乙烯随分子量的提高，它的融熔粘度增大，断裂强度、硬度、扭度、耐龟裂性、耐老化性能均有提高，但其伸率下降。

一般用熔融指数来表示平均分子量的大小。

聚乙烯基本性能

   1聚乙烯是乳白色、半透明的热塑性高聚合物，其物理机械性能主要表现为：

   a.比重小，高压聚乙烯（低密度聚乙烯）尤为突出，其比重为0.92-0.93g/cm3，低压聚乙烯（高密度聚乙烯）密度较大，约0.94g/cm3

   b.吸水性小

   c.透气性好。

聚乙烯结构对称，是非极性材料，因而其透气性好。

比重越大透气性越小、反之透气性越大。

低密度聚乙烯透气性为聚氯乙烯的30-50倍。

   d.机械性能。

聚乙烯机械性能与结晶度有密切关系。

同类聚乙烯结晶度越高，其软化点、刚性、抗强强度越高，伸率越小。

因此高压聚乙烯比低压聚乙烯柔软。

2.化学稳定性

   聚乙烯化学稳定性与结晶度有关，结晶度越高，耐化学稳定性越好。

  a.耐酸性好。

   b.耐碱性好。

   c有机溶剂。

聚乙烯在室温或温度不超过60℃环境下不溶于一般有机溶剂。

3.电性能

  a.小而稳定的介电系数。

  b.低的介质损耗角正切。

4.耐寒性

5.耐环境应力龟裂性

6良好的加工工艺性能

7.耐老化性能

1.2.2聚乙烯的缺陷

  1.聚乙烯耐电晕、光热老化、氧老化性能低。

  2.聚乙烯分子之间引力小，因而熔点低、机械强度不高、蠕变大

  3.容易产生环境应力开裂。

  4.容易形成气隙、延燃等缺陷。

  聚乙烯改性：

在保留其长处的前提下，最大限度地弥补其短处。

比如交联聚乙烯。

1.3交联聚乙烯XLPE

  交联聚乙烯是通过对聚乙烯加入某些辅助剂，用一定的方法实行对聚乙烯进行改性所得到的一种网状高分子物，耐热性、耐光氧稳定性以及物理机械性能大为提高。

1.交联剂DCP简介

  DCP为低分子过氧化物，分子量270

  DCP外观为无色或白色粉状结晶体，在38℃以上熔化，分解温度为132℃。

  DCP是一种苯基过氧化物，因而易燃烧，遇强酸易爆，存贮时按危险品处理，放置于干燥阴凉处避光、防潮保存。

  DCP贮存期不超过一年。

2.防老剂（抗氧剂）

3润滑剂

4.填充剂

5.聚乙烯树脂

交联聚乙烯的硫化机理

  聚乙烯交联是将线性结构转化为网状结构体，由可溶可熔转化为不可溶不可熔的分子结构，通过交联提高耐热性，改进机械性能。

物理交联：

射线辐照交联

DCP的化学交联反应机理

1.分解

夺氢

交联

附属反应

硅烷交联反应机理

1形成自由基（引发反应）

2.乙烯基硅烷接枝到聚乙烯链上（接枝反应）

3.在温水条件下交联

1.4聚丙烯（PP）

  聚丙烯是由丙烯烃聚合反应而得的含有碳氢元素的立体规整性高分子化合物。

其密度小，比重仅为0.9～0.91g/cm3，外观很象高密度聚乙烯，呈白色蜡状固体，比聚乙烯透明。

聚丙烯由于具有很好的物理机械性能，其表面硬度和耐环境应力龟裂性比聚乙烯要高，聚丙烯塑料是非极性材料，具有很好的电气绝缘性能，其介电常数ε较小、介质损耗角正切值tgδ较低、体积电阻和击穿场强较高，而且在广阔的频率范围内不发生变化，由于吸水性很小，可以用作高频绝缘材料（如通信电缆中用于泡沫聚丙烯绝缘），聚丙烯还具有较高的耐热性和耐化学稳定性。

可用作各种电线和电力电缆绝缘，同时由于它柔韧、耐磨，还可以作电缆的保护层。

用于电线电缆的聚丙烯往往加入一定比例的聚异丁烯，以改善耐寒性，提高挤出工艺性。

2.挤出设备

塑料挤出机组通常由放线及放线张力装置、校直装置、线芯予热装置、主机、控制系统、冷却系统、计米器、耐压装置、牵引装置、收线张力调节装置、排线和收线机构组成。

2.1辅助装置

1、放线装置

  对放线机构的基本技术要求：

放线速度要均衡而不应有跳动；线盘的装、御要方便、迅速；动转灵活、安全可靠性大；能为连续生产提供保障。

2、校直装置

  校正线芯，防止因线芯的弯曲而产生偏芯。

3、预热装置

  烘干半制品，这对于以吸湿性材料作垫层绕包的半制品，通过预热能有效的烘除其中的水分和湿气，防止潮气的作用使护套中出现气孔的可能；对于绝缘层，尤其是薄壁挤出，不能允许气孔的存在，线芯在挤出前通过高温预热，进行彻底清除表面水分和油污，还可减小温差，稳定挤出量，保证挤出质量。

4、冷却装置

  实现塑料由粘流态往高弹态、玻璃态的转变。

  冷却的主要形式有风冷和水冷。

5、耐压试验装置

  为了发现并消除线芯塑料绝缘层的薄弱结构，及时发现挤出的缺陷，最大限度地减少废品。

6、牵引装置

  实现电线电缆挤塑过程的边疆直线运动。

型式有轮式和履带式。

7、收排线机构

   实现收线盘制品排列均匀、整齐。

8、其它辅助装置

   包括计米器、印字装置等。

2.2主机

   塑料挤出机组的主机，即螺杆挤出机。

挤出机由控制系统、传动系统和挤压成型系统组成。

1、挤出机的控制系统

  包括加热系统、冷却系统及工艺测量系统。

  加热系统：

电缆绝缘及护套挤出是根据热塑性塑料变形我特性，使之处于粘流态进行的。

塑料挤出机控制系统中的加热系统就是实现塑料物态转变的重要设施。

冷却系统：

  包括螺杆冷却和机身冷却。

   塑料挤出是在加热情况下进行的，而挤出机在开始连续工作后，又是一个磨擦生热的过程，导致温度升高，当温度升高过大，则会生产“烧焦”和塑料的分解。

为防止挤出过程中温度过高，须对螺杆和机身进行冷却，以达到塑料挤出的“最佳塑化温度”。

参数测量系统：

螺杆转速、负荷，收线速度、挤出机各段温度及各段加热电流等。

2、挤塑机传动系统

  包括齿轮和皮带的机械传动。

3、挤塑机的挤压成型系统

   主要包括：

加料装置、机筒、螺杆、过滤板、机头及模具。

   加料装置：

分自动加料和手动加料。

   机筒：

由内、外套筒组成。

内套与外套共同接受电加热，对机身起“热源”作用，与螺杆配合，实现对塑料的破碎、软化、融熔、塑化、排气并压实，向成型系统连续而均匀地输送胶料的作用。

螺杆：

挤出机的“心脏”，只有螺杆的运动才能完成塑料挤出。

螺杆的旋转产生剪切力，使塑料破碎；螺杆的转动产生推力，使破碎的塑料连续前进并因此产生挤出压力，并由这个挤出压力的作用，在筛板及压力所及的其他部位产生反作用力，造成塑料的迥流及搅拌，从而实现挤塑过程的全面均衡。

螺杆的分段及各区段的基本职能：

（1）料段：

主要是对塑料进行压实和输送。

（2）塑化段：

作用是将加料段送来的塑料进一步压实和塑化，将塑料中夹有的空气压回到加料口处排出，并改善塑料的热传导性能。

（3）均化段：

作用是将塑化段已经塑化好的粘流态塑料，使之定压、定量和定温地从机头中挤出。

滤板：

作用是过滤塑料中的杂质，在使用的同时还应填加40～80目不等的不锈钢丝网。

滤板最重要的作用是压力调节和实现胶料由旋转运动变为直线运动的功能。

机头：

作用是使出膛的胶料进一步压实，为成型提供较为密实结构的胶料。

3.挤塑原理

   挤出机挤出原理是利用螺纹形状的螺杆在加热的料筒中旋转，将料斗中送来的塑料向前挤压，使塑料逐渐受热，均匀塑化，通过机头和模具，将塑料挤包在线芯上。

1、挤出过程中塑料的流动机理

塑料在挤出机中完成可塑成型是一个复杂的物理过程，即包括了破碎、融熔、塑化、排气、压实并最后成型。

挤出过程可分为三个阶段：

塑化段，成型段，定型段。

（1）塑化段

  指塑料的混合、熔融和均化，它是在机筒内完成的。

经过螺杆的旋转作用，使塑料由颗粒状固体变为可塑化的粘流体。

塑料在塑化阶段取得热量的来源有两个方面：

一是机筒外部的电加热，二是螺杆放置时产生的磨擦热。

起初的热量是由机筒外部的电加热产生的，当正常开车后，热量则由螺杆旋转物料在压缩、剪切、搅拌过程中与机筒内壁的磨擦和物料分子间的内磨擦产生。

（2）成型段

  它是在机头内进行的。

由于螺杆旋转和压力作用，把粘流体推向机头，经机头内的模具使粘流体成型为所需要的各种尺寸和形状的挤包材料，并包覆在导体或缆芯外。

（3）定型阶段

  它是在冷却水槽中进行的。

塑料挤包层经过冷却后由无定型的塑料状态变为定型的固体状态。

2、挤出过程中塑料的流动状态

  螺杆的旋转使塑料推移，由于机头中的模具、过滤网和过滤板的阻力，使塑料在前进中产生反作用力，这使塑料在螺杆和机筒中的流动复杂化。

通常将塑料的流动状态看成是由正流、倒流、横流和漏流这四种流动形式组合的。

（1）正流：

物料沿着螺槽向机头方向流动，也即正方向流动。

这种流动是由螺杆旋转的推挤造成的，塑料的挤出就是由这种流动产生的。

（2）逆流：

逆流与正流的方向相反，它是由机头，模具，过滤网等对塑料反压力所引起的。

所以也称反压流动。

（3）横流：

沿X轴方向也就是与螺纹相垂直方向的流动。

它也是螺杆旋转时推挤所造成的流动。

塑料沿X方向流动，到达螺纹侧壁时，料流便向Y方向流动，以后又被料筒或螺杆挡住，不得不改变流向，这样便形成了环流，这种流动对物料的混合，热交换和塑化影响很大，但对总的生产影响不显著，一般都不考虑。

（4）漏流：

漏流也是由于螺杆头部模具、机头、滤网等对塑料的反压力引起的，漏流不是在螺槽中运动，而是产生在螺纹顶端和料筒之间，螺杆与料筒的间隙通常很小，所以流动速率要比正流和逆流小得多，漏流一般讲是我们挤塑不欢迎的，漏流过多会造成一部分塑料在机身内停留时间过长，使料变烂、变粘，甚至导致塑料分解。

3、挤出质量

  挤出质量是指：

塑料的塑化情况是否良好，几何尺寸是否均一。

  决定塑化状况除塑料本身之外，主要是温度和剪切应变率及作用时间等因素，挤出温度过高不但造成挤出压力的波动，且导致塑料的分解，因此挤出温度应按工艺温度控制。

外施温度必须留有余地，使其充分塑化往往依赖于挤出中的热交换和塑料在挤出过程中的受热时间的处延长。

确保塑化的重要考虑之一是提高螺杆旋转时塑料所产生的剪切应变率，以达到机械混合均匀，挤出热交换均衡，并由此为塑化均匀提供保障。

几何尺寸均一，指外径的均匀及径向厚度的一致，即消除所谓的“竹节形”和“偏芯”。

4.挤出工艺技术

4.1 温度控制

  由于塑料品种的不同，甚至同种塑料（如PE）由于其结构组成的不同，其挤出温度也不尽相同。

  各种塑料挤出尽管使用温度高低不一，但都有一个普遍规律，即从加料段到模口止都有一个温度低——高——低的变化规律。

  加料段采用低温，变这是由加料段承担的“任务”决定的，加料段权产生足够的推力，机械剪切并搅拌混合，如温度过高，使塑料早期熔融，不但导致挤出过程中的分解，而且引起“打滑”，造成挤出压力波动，并且过早熔融而致混合不充分，塑化不均匀，所以这段温度一般用低温。

熔融段温度要有较大幅度的提高，这是因为塑料在该段要实现塑化的缘故，只有达到一定的温度才能确保大部份组成得以塑化。

  均化段，塑料在熔融段已大部份塑化，而其中小部份高分子组成尚未开始塑化，而进入均压段，这部份组成尽管很少，但其塑化是必须实现的，而其塑化的温度往往需更高，因此均化段的挤出温度有所升高是必要的，有些时候（在挤出稳定后），可以维持不变，而赖以塑化时间的延续，实现充分塑化。

机脖的温度要保持均压段的温度或稍有降低，这是因为塑胶出过滤板后变旋转运动为直线运动，且由滤板将塑胶分散为条状物，必须在其熔融态将其彼此压实。

机头承接已塑化且由机脖压实的胶料，起继续挤压使之密实作用。

塑胶在此有固定的表层与机头内壁长期接触，若温度过高，势必出现分解甚至是焦烧，特别是在机头的死角处，因此机头的温度一般有所下降。

模口，模口的温度根据材料配方的不同有升高也有降低。

温度升高可以改观表面光亮，但过高，会造成表层分解和成型的困难，产品难于定型。

4.2 塑料挤出的速度

  挤出速度和螺杆转速成正比，在一般情况下，提高螺杆转速来提高挤出机的生产能力，实现高速挤出。

但螺杆转速增加，一方面由于增强剪切作用，使粘性耗散热量增加；另一方面，在没有机头压力控制的情况下，螺杆转速增加，流率增加，物料在机内停留的时间缩短，而且后者的影响超过前面，会因熔融长度延长至均化段而破坏正常的挤出过程。

所以需要增加螺杆转速来提高挤出速度时，还必须增加加热温度或采用控制机头压力才能达到目的。

  塑料的挤出速度或塑化的好坏与使用的塑料材质和温度控制有关，各种塑料的塑化温度有所不同。

如果要快速挤出塑料，只有材质优良、温度适当才能实现。

另外挤出速度与挤出厚度也有关。

4.3 牵引速度

  要求牵引速度均匀稳定，与螺杆转速协调，以保证挤出厚度和产品外径的均匀性。

如牵引速度不稳定，挤出外径易形成竹节状，牵引过慢时挤出厚度大，且发生堆胶或空管现象；过快造成挤出拉薄拉细，甚至出现脱胶漏包现象。

4.4 冷却

  分螺杆冷却、机身冷却和产品冷却。

1、螺杆冷却

  作用是消除磨擦过热，稳定挤出压力，促使塑料搅拌均匀，提高塑化质量。

2、机身冷却

  作用是增加机筒散热，克服磨擦过热形成的温升。

3、产品冷却

 作用是确保制品几何形状和内部结构的重要措施。