电线电缆绝缘材料的选择.docx

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电线电缆绝缘材料的选择

电线电缆绝缘材料的选择

塑 胶

1.0  塑料的分类

1.1 Thermosetting 热固定塑料：

（ 电线极少用到 ）初期亦为直链分子，加热软化只有短时刻的可塑性，随后分子起交联反应 （ Cross Linking ） 变成三度的空间结构，使得热固性塑料一但固化后无法重新使用，如：

EP, PDAP, SI……等。

1.2 热塑性塑料：

分子结构多为直链型，它在常温下是固态，加热后即软化或液化成为可塑态，成型冷却后又复原固态，如此的性质可重复使用。

2.0 塑料的加工原理

2.1 塑料是高分子材料，高分子是由许多单体分子连接而成的庞大分子，这些分子通常成直链状，但由于结构上的差异，有时主链分支而成短侧链或长侧链，甚至由于架桥作用而形成三度空间的纲状结构。

这些分子经常以C―C， C， C―O的共价组合。

如下图a、b、c共价结合，分子间则籍氢键等互相吸引，这些庞大的分子链互相吸引、重叠、蛮缠、卷缠，形成块状的高分子聚合体，由于分子之极性与立体规则性的阻碍，聚合体的集合状态有结晶形，也有无定形。

塑料的物理性质与加工性，即是这些分子结构现象的综合表现。

2.2 塑料加工是利用塑料形状变化的特性先将塑料熔化或软化，塑造成专门形状后，使之硬化固定，一样塑料加工的功能可归纳如下四种方式。

2.2.1 给予材料可塑性：

使材料流淌或软化。

2.2.2 给予形状：

软化或流淌的塑料成专门外形。

2.2.3 硬化定形：

使变成专门形状的塑料保持不变的形状通常有几种方法。

  a  降温冷却，使硬化定形﹔

  b 移去溶剂使硬化定形﹔

    c  利用化学的交联反应 （cross linking） 而硬化定形。

2.2.4 材料改质：

利用加工手段，使塑料的内部结构产生化学或物理变化而提高价值。

一样塑料加工技朮均包含2.2.1，2.2.2，2.2.3三项功能而2.2.4材料改质则视产品设计需要而定。

3.0 塑料的性质

3.1 差不多物理性质

    a 比重﹔

    b 分子量﹔

    c 粘度﹔

    d 假比重及粒径分布﹔

    e 游离单体含量 （ 聚合程度 ） ﹔

    f 吸水率﹔

    g 透气率。

3.2 机械性质

3.2.1 抗张强度及伸长率，参考 UL或ASTM D638﹔

3.2.2 弯曲强度，参考 ASTM D790﹔

3.2.3 压缩强度，参考 ASTM D695﹔

3.2.4 冲击强度，参考 ASTM D256﹔

3.2.5 硬度：

（a） Rock Well Durometa 法 （ ASTM  D785 ）﹔

（b） Barcol Impressor 法 （ ASTM  D785 ）﹔

（c） Shore Durometa 法 （ ASTM  D2240 ）。

3.2.6 弹性系数：

受外力作用变形后回复原先形状能力

3.3 热性质

3.3.1 热变形温度：

显示塑料在高温受压下能否保持不变的外形。

3.3.2 软化点：

受热而硬度降低，立即开始流淌温度。

3.3.3 热传导率：

热量在塑料材料中传导的速率。

3.3.4 热膨胀系数：

塑料加热时尺寸膨胀的比率。

3.3.5 收缩率：

收缩后与原模具设计尺寸的比例。

3.3.6 熔态指数又称熔化指数：

通常用来判定热塑性塑料的加工性质。

3.4 化学性质

3.4.1 抗溶剂性：

对酸、碱、醚、醇、酮、芳香烃、脂肪烃……等抗击性。

3.4.2 燃烧性：

为改善塑料的耐烧性通常添加难燃剂。

3.4.3 耐候性：

受光、热、空气……等阻碍而引起的变质，劣化的抗击性，包含在紫外光、氧、臭氧阻碍下之安定性。

3.5 光学性质

3.5.1 透亮度：

可视光域的光透过率，分为透亮、半透亮、不透亮。

3.5.2 雾度 （ Haze ）：

透亮塑料内部或表面出现模糊状的、雾状外观程度，雾状外观是由于光线散射而引起的。

3.5.3 尚有其它要求之光泽度、折光率、黄色指数等。

3.6 电气特性

3.6.1 导电率及电阻率，导电性越高表示导电率越好，导电性越低表示导电率越差即绝缘性越好。

电阻率 102Ω/cm以下为导体﹔

电阻率 103〜108Ω/ cm为半导体﹔

电阻率 108Ω以上为绝缘体，

以上依ASTM D257为测试方法。

3.6.1.1 容积电阻：

将绝缘体内部1cm3的立方体在其相对两面施加电压的电阻，以Ω－cm表示，详细方法可查 JIS K6911或ASTM D527规定。

3.6.2介电强度（Dielectric Strength）

绝缘体所能承担的介电破坏电压与其厚度的商值，可参考ASTM D149方法测试。

3.6.3介电常数 （Dielectric Constant）

介电常数亦称电容率，为物体中电容与真空中电容的比值，可参考ASTM D150。

3.6.4 功率因子（Power Factor）

散逸于物质中电力对正弦曲线电压（V）与电流（I）乘积的比例，即：

PF＝W/（VI）＝sinδ，sinδ为缺失角度，可参考ASTM D150。

3.6.5 散逸因子（Dissipation Factor）

施于介电物质之交流电压的正弦曲线与流过介电物质的电压曲线的夹角的余角。

δ的正切值tanδ称为散逸因子，可参考ASTM D150。

3.6.6 屏蔽成效（Shielding Effectiveness）

指减少电磁干扰（EMI）与射频干扰（RFI）的效应其，测定方法为：

SE＝20xLOG（Eb/Ea）。

Eb＝：

屏蔽前的电场强度﹔

Ea＝：

屏蔽后的电场强度。

3.7 加工性

要注意其流淌性，热安定性，成型（押出）温度，融解温度点（融点），成形收缩率等问题。

4.0 塑料添加剂

添加剂是指分散在塑料分子构造中，可不能严峻的阻碍塑料的分子结构，而能改善其性质或降低成本的化学物质，依其功能可分下述各类。

4.1 抗氧化剂（Antionxidant）

要紧是防止塑料中的不饱和双键受氧原子侵袭而引起的品质劣化，如芳香胺类，烷基酚……等。

4.2 抗静电剂（Antistatic agent）

要紧是给予塑料细微的导电性，以幸免因磨擦而造成静电的积存，如乙氧化胺类……等。

4.3 发泡剂

发泡剂要紧有三类：

（a） 直截了当压入塑料熔胶中使发泡，压入气体有氮气、二氧化碳、空气……等。

（b） 挥发性液体，升温后挥发膨胀，而使塑料体发泡。

常见有聚苯乙烯泡棉。

（c） 分解性化学发泡剂，一样为固体粉未，它们在加热时即分解放出气体（通常为氮或二氧化碳）常用者为偶氮化合物（有机物）或无机盐类，如酸氢钠。

4.4 着色剂（染料）

分有机与无机两大类，又分为染料及颜料两大类。

4.5 难燃剂（又称防火剂）

当塑料暴露于火焰时，能压抑火焰之蔓延，防止烟雾形成，当火焰去掉时，燃烧便会停止，大致可分为二大类型：

（a） 反应型：

难燃剂常是卤化的单体，它能够参加反应与聚合体形成化学结合。

（b） 非反应型是含卤素、磷、氮、硼的化合物，它们与聚合体只作物理性的混合。

（c） 其它，如三氧化二石弟……等。

4.6 安定剂（Heat Stabilizer）

一样塑料均会在高温时分解劣化，以PVC最严峻，PVC在100℃以上长时刻加热，有少量盐酸游离出来，开始分解，因此安定剂的添加是专门重要的，PVC安定剂可分为五类

（a） 铅盐安定剂——硬脂酸铅，三盐基硫酸铅，二盐基硬酯酸铅﹔

（b） 金属皂类安定剂——硬脂酸镁，硬脂酸钙﹔

（c） 镉钡液状安定剂有Cd—Ba系，Cd—Ba—Zn系, Ba—Zn系等﹔

（d） 有机锡安定剂，如：

二丁锡二月桂酸盐等﹔

（e） 安定化助剂，如环氧化合物。

4.7 紫外光吸取剂（UV absorber）

    受到高温能量的紫外光照耀而发生劣化，因此户外使用的塑料必须添加此剂，将紫外光线吸取或遮断，如水杨酸脂类。

4.8 冲击改质剂（Impact modifier）

    加入具有专门性质的树脂，可籍着混炼的方式增加，以改良塑料的耐冲击性，该剂也常阻碍到塑料的耐热性，流淌性，必须慎重选择。

4.9 滑剂（Lubricant）

    可分内部与外部滑剂：

内部滑剂的目的减少聚合分子间的磨擦，降低粘度，提高流淌性﹔外部滑剂是使塑料从金属模具表面易于脱模。

常用滑剂有脂肪酸酯类或脂肪酯醯胺类、烃类 （如天然石腊），金属皂类。

4.10 可塑剂（Plasticizer）

     可塑剂为挥发性低的物质，添加于塑料时，能使塑料的弹性系数增加或减少，而于常温时增加柔软性，高温时易于加工，以PVC为例，添加量愈多时制品愈软。

可塑剂又分为一次可塑（主可塑剂）通常与树脂兼容性良好，可单独使用﹔而二次可塑料剂（辅助可塑剂），其兼容性有限，只能添加少许量以改良性质。

可塑剂的要紧分类：

（一） 酸酯类——如DOP, DBP等﹔

（二） 直链二元酸酯类：

此为耐寒一次可塑剂如DOA等﹔

（三） 磷酸脂类：

具有耐燃性，耐化学性如TCP﹔

（四） 环氧化油类、无毒性、耐菌性差如环氧大豆油﹔

（五） 苯三甲酸酯类，如TIDTM﹔

（六） 高分子类（又称聚酯可塑剂）特点：

挥发性及移行性低，如Polyglycoladipate等﹔

（七） 其它，如脂族羟类。

4.11 硬化剂（Curing agent）

     硬化剂目的在促进塑料形成交联结构称之硬化，其目的提高机械强度、耐热性、耐溶剂性、与尺寸稳固性，如DCP ……等。

4.12 填充剂（Filler）

     改善机械强度作为补强剂，增加重量作为增量剂，以降低成本，如高岭土，碳酸钙等。

4.13 其它

4.13.1 成核剂（Nucleating agent）有些无机粉未在发泡中可使泡棉结构更为细致。

导电剂：

如碳烟，金属粉未等。

5.0 塑料调配设备

    原料（配方）→混合→混炼→冷却（气冷或水冷）→切断 →胶粒   

常用混合设备，如汉氏混合机（Henshel mixer）

常用混炼设备，有双螺杆或多段炼押出机﹔有捏合机（Kneader），以布氏双向捏合机（Buss Ko—Kneader）最有名。

6.0 塑料的加工形式

    有射出成型，押出成型……等。

电线绝大部分用押出成形（Extrusion）,是将热熔性塑料在加热筒内溶化再用螺杆予以押出。

7.0 塑料之鉴别

7.1 燃烧法

    依下述简易方法进行：

7.1.1是否燃烧﹔

7.1.2燃烧火焰颜色﹔

7.1.3是否冒烟﹔

7.1.4冒烟颜色﹔

7.1.5烟为清烟或含炭灰之烟﹔

7.1.6是否有溶胶滴落﹔

7.1.7溶胶是否连续燃烧﹔

7.1.8有何气味。

7.2例举常用各种塑料性质

7.2.1燃烧法

         Teflon：

遇火软化变形，有邹曲薄层，少量焦炭，微焦发味，不可燃性遇火软化。

         PVC：

绿色光罩，绿焰及黄焰滚滚冒出，软化冒出白烟并有盐酸味（自熄性塑料）。

         PE：

兰色光罩，燃烧区熔融透亮，有熔胶滴落及蜡烛味（延烧性塑料）。

         PP：

兰色光罩，燃烧区熔融透亮，有熔胶滴落及煤油味（延烧性塑料）。

         PU：

黑烟，有熔胶滴落，无焦灰，氮氧化合物味，延烧性。

         Nylon：

 兰色光罩，熔融，头发焦味，自熄性。

         Silicone类：

 无味，浓浓白烟，白色残余灰份，自熄性。

7.2.2比重法

品名PVC；Teflon；PE；PP

比重硬质1.30－1.58软质1.16－1.35；     2.08－2.2；0.917－0.965；0.90－0.92

品名PU;Nylon;SiliconePVDF

比重1.1－1.51.12－1.15/1.76－1.78

7.2.3  其它法如光谱分析法、溶剂鉴别法……等。

8.0 架桥的应用

8.1 塑料因为分子结构的关系，一样绝缘材料有其差不多上无可克服的缺点。

由于高分子聚合物绝缘材料是由一群左右连接的分子组成，受热时，分子距离增大，进而造成聚合物分子结构变弱，变软甚至融解。

因此，若能在相邻分子长链横间架一些固定链，必能防止或减轻聚合物分子受热后产生劣化的现象，进而增加其物理与机械性能，用于电气绝缘必甚有价值。

在化学上，这种改变高分子聚合物分子结构为三度空间纲状组织的过程称为交连反应（Crosslinking）。

     在电线制成中，电子照耀是达成使绝缘材料分子交连最有效的方法﹔可靠度、平均性与化学反应速率及其再现性都相当高。

专门关于薄绝缘电线或较小型电缆的交连，电子照耀更是绝佳的方法。

面对各种电线产品轻、薄、短、小的严格要求，电子照耀交连提供了最佳的方向。

在电线绝缘材料的“光谱”上，照耀材料（耐热等级90~150℃）正好填补了现有其它绝缘材料的“空缺”（一样材料耐热等级为60~105℃，高温材料耐热等级为150~260℃）。

照耀绝缘材料同时兼顾了各项特性间的平稳，使电线使用者有了更宽广的选择弹性与空

间。

8.2 架桥方法

（a） 电子照耀 （ Electron Bean Irradiation ） ﹔

（b） 加硫﹔

（c） 空气，

以上以电子照耀最好。

9.0 环境计策所衍生相关问题

    因环境爱护的重视，世界各国关于破坏环境的化学物质，法律明令禁止使用，如下所述物质皆为禁止使用。

镉和镉的化合物﹔PBB（多溴联苯）类和PBDE（多溴二苯醚）类﹔氯化石腊（氯阻燃剂 / 增塑剂）﹔

多氯联苯（PCB）类﹔多氯化奈类﹔有机锡化合物（三丁基锡类或三苯基锡类）﹔石棉﹔偶氮化合物﹔铅和铅化合物﹔汞和汞化合物﹔六价铬及其化合物等其它有害环境物质。

在世界各地（国）皆有相关法规和政府管制法，及开始实施绿色伙伴制度的推动下，完全废止使用有害物质的推动已进入一个高速进展的时期。

9.1 塑料料金属含量管制

9.1.1 菲利蒲

   菲利蒲内规管制镉含量小于5PPM，其内规有检测方法。

9.1.2  微软（microsoft）规范

（a） EN-71-1994 part3所规定﹔

（b） EN-1122检测方法镉含量5PPM以下﹔

（c） EPA-3050B检验方法铅含量小于90PPM。

9.1.3 日本Sony内规对其重金属含量有所规范

      可详阅SS-00259规范。

不同。

9.1.4重金属检出

参照各规范将重金属溶解出再利用AA法（原子吸取法）或ICP（感应藕合离子光谱分析法）进行检测。

9.2低烟无卤材料（LSNH）

Low Smoke Non Halogen

9.2.1卤素：

氟（F），氯（Cl），溴（Br），碘（I）， （At）

9.2.2以PE+EVA为Base进展出低烟无卤素塑料材料须通过下述之试验，（尚无正确规范）以下仅拱参考。

1. Vertical Tray Flame Test 垂直架耐燃试验﹔

2. Smoke emission Test 烟浓度测试﹔

3. Toxicity index Test 毒气指数测试﹔

4. Corrosive gas Test 腐蚀气测试﹔

5. Oxygen index Test 氧指数测试。

说明：

1. 垂直架耐燃试验（IEEE 383）

   仿真实际配线，多条电缆垂直并列在一起，下端用火焰烧20分钟，以检定电缆之耐燃性，耐燃测试中，电

缆若传导火焰，致使火源上之试样燃烧超过1.8M则判

定不合格，另若燃烧20分钟后关闭火源，电缆自行熄

灭则为合格，若连续燃烧，则记录连续时刻及长度。

2. 烟浓度试验（ASTM E662）

   于密闭燃烧室中用光线穿透率表来判定电缆材料焚烧（Flaming）或闷烧（Non-Flaming）所产生烟浓度。

3. 毒气指数测试（NES 713）

   在指定条件下，材料在空气中燃烧之后所产生之某些特定气体之毒气因子（toxicity factor）的总和。

毒气因子系在1M3空间的空气中燃烧100g之试料产生之气体量（Co）与该气体在30分钟致人于死之气体浓度（Cf）的比值。

Co：

Toxicity Coefficient （ PPM ） ﹔

Cf：

Danger Concertration （ PPM ） 。

4. 腐蚀气测试（AS 1660 5.4）

   为间接测定自电缆上取下来之材料燃烧时所开释出来气体的腐蚀性，以酸碱值和导电度表示。

5.  氧指数测试（ASTM D2863）

    在室温下刚好能够坚持材料燃烧之氮氧混合气中氧的体积百分比。

 氧指数的测定能够用来选择最佳的添加物以增加材料耐燃性，以及决定理想的添加量。

9.2.3  氧指数（OI）[oxygen index]

    依JIS K7201 规定：

试片燃烧3分钟或是燃烧长度50mm所需之必要的最低氧气浓度。

试片长度70~150mm宽6.5mm厚3.0mm

10.0PVC胶粒

10.1差不多配方

    PVC粉：

主体一样常用 S60、S65、S70﹔

   可塑剂：

要紧目的在调整软硬度，提高耐寒绝缘等作用﹔

   填充剂：

目的在增强加热，光之安全性，及绝缘性﹔

   改质剂：

依特性要求添加﹔

   安定剂：

抑制PVC内之少量游离Cl-分解﹔

   防火剂：

增强耐烧性﹔

   染颜料：

颜色调配。

10.2硬度

   国际上常以shore A表示之，而国内软硬度常以P%表示，例如：

50kg之PVC料，可塑剂40kg时是以80P，50gPVC料，可塑剂55kg时是以110P表示即可塑剂愈多P数愈大，PVC胶粒愈软而萧氏硬度（shore A）度数愈大，PVC胶粒愈硬。

10.3 移行说明

     电气用品之外壳……等常用的塑料材质大部份为PS，ABS，HIPS，电线为PVC塑材料时，由于含有可塑剂（软化剂），而有此可塑剂会移行者，会将PS，ABS，HIPS塑料壳腐蚀，因此有非移行的要求，也确实是PVC材料不能移。

10.3.1  移行的试验方法

将试片（ABS，或PS或HIPS）两片（长50x宽50x厚20mm），中间夹PVC电线，再上下两层用玻璃盖住并用500±5g砝码压住，施以不同时刻（24，48，72小时）不同温度（50℃，60℃，70±2℃）之条件下，测试（条件由客户设定），测试后取出试片，用肉眼观看，试片上不能专门轻易的看出痕迹，亦即需极费眼力才能看出来。

ABS = Acrylonitrile Butadiene Styrene Terpolymer

苯乙烯，丁二烯，丙烯，参聚合体

PS = POLYSTRRENE  聚苯乙烯 

HIPS = High Impact Polystyrene 高冲击聚苯乙烯

10.3.2 PVC胶粒应具下列性质

    耐热性 （ Thermal Stability ） ﹔

    硬度 （ Hardness ）﹔

    安全性 （ Safety ）﹔

    老化性 （ Aging Properties ） ﹔

    机械性质 （ Mechanical Properties ）﹔

    耐燃性 （ non-flammability ）﹔

    电气特性 （ Electrical Properties ）﹔

    耐候性 （ Weather ability ）﹔

    光安定性 （ Light Stability ）﹔

    低温特性 （ Low Temperature Properties ）。

11.0 塑料常用特性名词说明

11.1 抗张强度：

（Tensile Strength）

     将试样（如哑铃片……等）拉断时所需要之应力，用之单位为PSI或kg/mm2。

11.2 热变形（Heat Distortion）

    将材料适当的取样后，将其加热至一定之温度后，试验该材料之外形改变情形。

其运算公式如下：

11.3 热冲击（Heat Shock）——试验材料稳固性方法之一，将材料在特定的时刻内卷绕于规定之圆棒上，暴露于高温中，不得有龟裂现象发生。

11.4 冷弯（Cold Bend）——将电缆之试样绕在规定之圆棒（Mandrel）上，而置于特定温度之冷室中，通常为零下之温度。

再将试样取出作弯曲试验，则可试验出材料之破坏程度或有无缺点。

11.5 延伸（Elongation）——试样拉断时的伸长情形

11.6 焊接性（日文：

半田性）——PVC芯线等在焊接或热镀时其塑料部份后缩收，因此其材质要经X—RAY处理成架桥，或改其塑料本身性质，如：

SR—PVC。

11.7 老化（Aging）——仿真电缆经长时刻的使用后，其物理性（抗张延伸）改变的情形。

11.8 额定温度（Temperature Rating）——绝缘材料在连续使用之情形下，其差不多特性可不能发生变化或缺失时，所能容许之最高温度。

如交连PE为90℃，PVC有60℃，75℃，90℃，105℃，PE为75℃等。

11.9 额定电压（Voltage Rating）——依照规定或标准可连续实施于各种电缆电缆之最高承诺电压。

11.10  绝缘阻抗（Insulation Resistance）——加于绝缘体两极间之电压与电流之比，以公式表示为R＝E/I，其单位一样用MΩ（百万欧姆表示之）。

11.11 耐电压（介质强度）（DielectricStrength）——绝缘材质在破坏之前所能承担之电压，介质强度在材料中是一个专门重要特性，在同一种耐电压情形下，介质强度好的材质，其绝缘厚度能够较薄。

12.0 塑料之耐燃测试

     依UL规定 UL  Standard  94  分为水平燃烧（94—HB）及垂直燃烧

94V－0，94V－1，94V－2。

13.0 发泡

    目的：

在改变或降低成品的电容（介电常数）并使成品轻量化，小型化，进而节约材料，达到提高品质与降低成本的最终目的，一样常用方法

（a） 物理发泡

（b） 化学发泡，化学发泡在加热过程中，发泡剂分解出大量气体。

14.0 颜色比较说明

   色差公式说明及应用情形

14.1 HunterLab，ANLab，ANLab（40）（又名AN40）

以上色差公式为早期色差公式，目前极少使用。

ANLab之系数40用于转换单位大小以接近NBS单位。

14.2 JPC 79色差公式

     染色者及色彩师学会（Socity of Dyers and Colourists,简称SDC）在1980年，Mc Donald 发表一个JPC99色差，要紧修改CIEL＊a＊b＊之缺陷。

14.3 CMC 色差公式

     1984年，JPC97以Clark，McDonald及Ring三人修改其中错误部份通过（SDC）的测色委员会（Color Measurement Committee，简称CMC）通过，举荐色彩工业使用，命名为CMC色差公式。

目前已在欧洲普遍化，为英国国家标准，人眼吻合性佳。

14.4  BFD 色差公式

     1986年英国布津大学罗明博士与Rigg经由知觉色差实验修改CMC，提出BFD色差公式。

目前为瑞典之国家标准。

14.5  M＆S 色差公式

     英国闻名百货公司（Marks and Spencer）与ICS合作所创，前后有MS80，MS82，MS83，MS83A至MS89，此公式要紧用于该公司与其供货商允拒收颜色品管作业。

目前较长用于纺织业。

14.6  CIEL*a*b*及CIEL*u*v*色差公式

     1976年，国际照明协会（CIE）公布CIEL*a*b*及CIEL*u*v