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挤塑工艺学生培训版

第二部分挤塑工艺

第一节热塑性塑料

一、聚氯乙烯（PVC）

聚氯乙烯塑料是以聚氯乙烯树脂为基础，加入各种配合剂混合而成的，其机械性能优越，耐化学腐蚀、不延燃、耐气候性好、电绝缘性能好、容易加工、成本低，因此是电线电缆绝缘和护套用的好材料。

（一）聚氯乙烯树脂

聚氯乙烯树脂是由聚氯乙烯聚合而成的线型热塑性高分子化合物，其分子结构如图2-1：

图2-1聚氯乙烯树脂分子结构图

从该分子结构来看，聚氯乙烯具有以碳链为主链，呈线型，且含有氯原子的C-CL极性键等特性。

聚氯乙烯树脂具有下列基本特性：

1、是热塑性的高分子材料，可塑性和柔软性较好；

2、由于C—CL极性键的存在，树脂具有较大的极性，因此介电常数ε和介质损耗的正切值较大，在低频情况下，有较高的耐电强度，另外由于极性键的存在，分子间的作用力较大，机械强度较高。

3、分子结构中含有氯原子，树脂具有不延燃和较好的耐化学腐蚀性和耐气候性。

氯原子能破坏分子的晶体结构，树脂的耐热性及耐寒性较差，加入适量的配合剂，就能改善树脂的性能。

（二）聚氯乙烯树脂的主要性能

1、电绝缘性能

聚氯乙烯树脂是一种极性较大的电介质，电绝缘性能较好，树脂的体积电阻率大于1013Ω·m，树脂在25℃和50Hz频率下的相对介电常数ε为3.4~3.6，聚氯乙烯介质损耗角的正切tgδ为0.006~0.2，树脂击穿场强不受极性影响。

聚氯乙烯的介质损耗较大，因此不适用于高频或高压的场合，而通常广泛应用在6KV以下低压电线电缆的绝缘和护套材料。

2、老化稳定性能

从分子结构来看，氯原子都与仲碳原子相连，因而具有较高的耐老化稳定性，但在生产过程中，由于温度的直接影响和机械力的作用，易放出氯化氢，在氯的作用下，产生降解或交联，导致材料变色发脆，物理机械性能显著下降，电绝缘性能恶化。

因此聚氯乙烯老化，为改善聚氯乙烯的老化性能，应添加适量的稳定剂。

3、机械性能

聚氯乙烯树脂为无定型聚合物，在不同温度下具有玻璃态、高弹态和粘流态，为了满足使用要求，加入适量的增塑剂，就能调节其玻璃化程度，增加塑性，达到柔软性要求，使机械性能增强。

（三）树脂的种类和技术要求

氯乙烯的聚合方法有：

悬浮聚合、乳液聚合、本体聚合和溶液聚合四种。

聚氯乙烯树脂的制造目前主要采用悬浮聚合方法，电线电缆用聚氯乙烯树脂就是采用悬浮聚合法制造的。

聚氯乙烯悬浮聚合过程中所用树脂的结构形状有：

疏松型树脂（XS型）和紧密型树脂（XJ型）。

疏松型树脂质地疏松，吸油性大，易于塑化，加工操作控制方便，品种少，因此电线电缆用的树脂均是疏松型。

树脂的特性见表2-1。

表2-1树脂的特性

项目

疏松型（XS）树脂

紧密型（XJ）树脂

粒子直径

颗粒外形

颗粒断面结构

吸收增塑剂

塑化性能

50~10μm

不规则，由多球合并而成

疏松多孔，微粒间间隙大

快

塑化速度快

20~100μm

球形，表面光滑

呈单球，微粒间间隙小

慢

塑化速度慢

（四）聚氯乙烯塑料的组分

1、树脂

聚氯乙烯树脂是聚氯乙烯塑料的基础，它的种类、性能和用量对塑料性能影响很大，按电线电缆的使用特点和性能要求，采用悬浮聚合法生产树脂，要求树脂纯度高，电导率要低，为了改善加工性能和提高电绝缘性能，选用疏松型（XS型）树脂。

2、增塑剂

（1）性能要求：

1）相容性好；

2）塑化性能好；

3）增塑率高；

4）电气绝缘性能好；

5）耐热、耐寒、耐光性能好；

6）耐迁移性、耐油性好；

7）非燃性能好。

（2）增塑剂对聚氯乙烯塑料性能的影响

增塑剂的种类、结构和用量对聚氯乙烯塑料的电气绝缘性能、物理机械性能、耐老化性能、耐油性、耐迁移性及加工性能都有很大的影响。

3、稳定剂

稳定剂是聚氯乙烯塑料重要的配合剂，它能抑制聚氯乙烯树脂在加工和使用过程中由于热和光作用而引起的降解和变色。

（1）对稳定剂的要求

1）能吸收氯化氢，与氯化氢形成的产物是中性物质。

2）不损害机械性能和电气绝缘性能。

3）加工性能好，与树脂、增塑剂相溶性好，加工时不易发生表面析出。

（2）稳定剂的类型

1）铅系稳定剂：

价格低廉，稳定效果好，电气绝缘性能优越，吸水性小，适用于潮湿环境，铅盐稳定剂的种类有：

三盐基性硫酸铅、二盐基性亚磷酸铅、铅白、二盐基性苯二甲酸铅、二盐基性硬脂酸铅等。

2）金属皂类稳定剂：

具有热稳定性或光稳定性，同时还具有润滑作用，是电缆料配方中的润滑剂，常用品种有硬脂酸钙、硬脂酸铅、硬脂酸钡等。

4、抗氧剂

为防止塑料在加工过程和长期使用过程中，由于氧的作用而产生降解、交联，在塑料中常加入抗氧剂，加抗氧剂一是防止树脂的氧化裂解；二是保护增塑剂免受氧化，抗氧主要是双酚A（二酚基丙烷），其用量宜为0.25~0.5分。

5、填充剂

使用填充剂的目的，一是为了降低成本，起到增量的作用；二是为了改善某些性能，如电气绝缘性能、耐热变形性能、耐光与热稳定性能等，但添加填充剂会便塑料的抗拉强度、拉断延伸率、耐低温性能和柔软性能有不同程度的下降，因此，在配方设计中应加以考虑。

（1）对填充剂的要求

1）价格低廉；

2）对塑料的物理机械性能损害少；

3）在水、油、溶剂中的溶解量少；

4）对塑料的电气绝缘性能无不利影响，是塑料电性能的改良；

5）纯度高，不应含有对聚氯乙烯起老化有害作用的成分，如铁盐、锌盐等。

（2）填充剂的类型

电线电缆常用的填充剂有：

碳酸钙、陶土、锻烧陶土、炭黑、滑石粉、白炭黑和钛白粉等。

（3）填充剂的选用

用作护层的塑料中采用碳酸钙，对塑料的物理机械性能影响小，能降低塑料的成本，减少树脂和增塑剂的损耗。

护层级加入少量炭黑，对提高其耐大气性能有效。

在绝缘塑料中采用锻烧陶土，能提高电气绝缘性能。

6、着色剂

线芯着色是为了使制品有鲜艳的色泽，除满足美观要求外，还具有改进耐气候性，延长使用寿命的作用。

对通信电缆、电力电缆等，赋予线芯不同颜色，也是为了便于安装、使用和检修。

电线电缆所用着色剂分为无机颜料和有机颜料两种：

（1）无机颜料

它包括氧化铁红、铬黄、钛白粉、锌钡白、炭黑等。

（2）有机颜料

它包括立索尔大红、立索尔宝红、酞菁绿、颜料绿、酞菁蓝等。

（五）电线电缆用聚氯乙烯塑料

聚氯乙烯塑料是多组分塑料，根据使用的不同要求，改变配合剂的品种用量，就能够制成不同品种的塑料，在设计时，应考虑不同品种的要求、材料的来源、价格及挤出工艺要求等到方面。

1、聚氯乙烯绝缘料

（1）聚氯乙烯绝缘料分类及性能见表2-2。

（2）聚氯乙烯绝缘料的技术要求见表2-3。

2、护层用聚氯乙烯塑料

（1）护层用聚氯乙烯塑料的分类及性能见表2-4。

（2）护层用聚氯乙烯塑料的技术要求见表2-5。

表2-2聚氯乙烯绝缘料的分类及性能

类别

性能要求

使用温度

主要用途

绝缘级

电绝缘性能较好，有一定的耐热性和柔软性

70℃

通信、控制、信号、

低压、电压电力电缆。

普通

绝缘级

一定的电绝缘性能，较好柔软性及耐大气性，价廉

70℃

室内固定敷设的电线、500V农用电缆绝缘及仪表安装线绝缘。

耐热

绝缘级

有较好的耐热老化性和耐热变形性，电绝缘性能较好

80℃

105℃

要求耐热较高的船用电缆、航空导线、电力电缆及安装用线的绝缘。

高电性能

绝缘性

较佳的电绝缘性能，绝缘电阻高，介电性能好，耐热性好

70℃

电压这6~10kv级电力电缆的绝缘级。

耐油耐

溶剂绝缘

具有较好的耐油性、耐溶剂性和柔软性

70℃

用于接触油类和化学物质的电线电缆

表2-3聚氯乙烯绝缘料的技术要求

项目

指标

绝缘级

普通

绝缘级

耐热绝缘级

高电性

绝缘级

80℃

105℃

体积电阻率（×10-2C.m）

≥70℃

80℃

105℃

击穿场强（kv/mm）≥

介质损耗角正切tgδ≤

介质损耗因素εtgδ≤

抗拉强度（×0.1MPa）≥

断裂延伸率（%）≥

低温冲击压缩温度（℃）≤

200℃热稳定时间（min）≥

软化温度（℃）

热老化性能

老化温度（℃）

老化时间（h）

拉断强度K1（%）≥

拉断伸长率K2（%）≥

失重（%）≥

1×1011

—

120

200

170~190

110

—

6.0

1×1010

—

170

220

－10

170~190

110

—

7.0

—

5×1011

—

200

180

180~195

113

168

—

5.0

—

2×1011

—

200

—

136

168

2.5

5×1011

—

0.1

0.75

200

160

170~185

110

—

0.6

表2-4护层用聚氯乙烯塑料的分类及性能

类别

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、

光性，耐老化性及耐寒性好

70℃

塑料电线电缆的外护层和

其它电缆外护层

耐寒

护层级

具有较高的耐寒性，低温

柔软性好

70℃

耐寒柔软的电线电缆的的个

护层

柔软

护层级

具有较高的柔软性，较好

的耐寒性

105℃

耐寒柔软的电线电缆外护

层

耐油

护层级

耐油性、耐化学药品性能

好

70℃

与油类及化学药品接触的电线电缆的外护层

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外护层

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线电缆的外护层

2-5护层用聚氯乙烯塑料的技术要求

项目

指标

普通

护层级

耐寒

护层级

柔软

护层级

耐油

护层级

耐热护层级

80℃

105℃

体积电阻率（×10-2Ω.m）≥

击穿场强（kv/mm）≥

抗拉强度（×0.1MPa）≥

拉断延伸率（%）≥

低温冲击压缩温度（℃）≥

200℃热稳定时间（min）≥

软化温度（℃）

热老化性能

热老化温度（℃）

热老化时间（h）

拉断强度kl（%）≥

拉断伸长率k2（%）≥

热老化失重（%）≤

耐油性能

浸入机油（90℃，6h）

拉断强度k1（%）≥

拉断伸长率k2（%）≥

1×1010

150

280

-14

165~180

110

—

1×1010

150

300

-25

165~185

110

—

1×1010

120

320

-30

160~180

110

—

150

300

-25

170~190

110

—

150

280

-14

—

100

240

—

150

280

-14

—

136

168

—

二、聚乙烯塑料（PE）

（一）聚乙烯是由精制的乙烯聚合而成的，可分为低密度聚乙烯、中密度聚乙烯和高密度聚乙烯三种。

1、低密度聚乙烯

在纯净的乙烯中加入极少量的氧气或氧化物作引发剂，压缩到202.6kpa左右，并加热到约200℃时，乙烯就可聚合成白色的蜡状聚乙烯。

2、中密度聚乙烯

中密度聚乙烯大多是高密度聚乙烯和低密度聚乙烯的掺和物，也有用乙烯与丁烯、醋酸乙烯和丙酸酯等单体共聚的中密度聚乙烯。

3、高密度聚乙烯

在常温常压下，用特殊的有机金属化合物作催化剂，使乙烯聚合成高密度聚乙烯。

它具有良好的耐热性和机械性能。

（二）聚乙烯的结构

聚乙烯由100到1,000,000左右的各种分子量的分子混合物组成。

聚乙烯分子结构中的分支见图2-2，聚乙烯分子结构中的双键见图2-3。

图2-2聚乙烯分子结构中的分支

图2-3聚乙烯分子结构中的双键

聚乙烯的分子结构比较复杂，一般用高压法聚合的聚乙烯，分支较多，长支链较多，分子量分布较宽，结晶度和密度较低。

而用中低压法聚合的聚乙烯，分子基本呈直链状，分子量分布较窄，结晶度和密度较高。

（三）聚乙烯的特性

聚乙烯是一种乳白色的塑料，表面呈蜡状，半透明，它是电线电缆较理想的绝缘和护套材料，其主要优点如下：

1、绝缘电阻和耐电压强度高；

2、在较宽的频率范围内，介电常数ε和介质损失角的正切tgδ值小；

3、富有可挠性，而且强韧、耐磨性好；

4、耐热老化性能、低温性能及耐化学稳定性好；

5、耐水性好，吸湿率极低，浸在水中绝缘电阻一般不下降；

6、用它制作的电线电缆质量轻，使用、敷设方便，接头容易。

注：

①R＇：

包括CH3、C2H3、C3H7（即短支链）；②R＂：

（CH2）n（即长支链。

聚乙烯的缺点如下：

1、触炎焰时易燃烧和熔融，并放出与石蜡燃烧时中样的臭味；

2、软化温度较低。

（四）聚乙烯的一般性能见表2-6。

表2-6聚乙烯的一般性能

项目

性能

低密度聚乙烯

中密度聚乙烯

高密度聚乙烯

密度（kg/m3

透明性

弹性模量（×103MPa）

成形收缩率（%）

抗拉强度（×0.1MPa）

延伸率（%）

压缩强度（×0.1MPa）

弯曲强度（×0.1MPa）

冲击韧性（×0.1J/cm2

邵氏硬度

线膨胀系数（10－5/℃）

热变形温度（℃）承受压力1.86MPa

脆化温度（℃）

体积电阻率（Ω·m）

击穿场强（kv/mm）瞬时

介电常数

频率60Hz时

频率102Hz时

频率106Hz时

介质损耗角正切tgδ

频率60Hz时

频率102Hz时

频率106Hz时

耐弧性（ε）

吸水性（%）24h

燃烧性

酸碱影响

耐溶剂性

0.91~0.93

半透明~不透明

0.1~0.3

1.5~5.0

80~100

90~800

—

不断

D41~46

10~20

32~41

＜－70

＞1014

18~40

2.25~2.35

＜0.0005

135~160

＜0.015

可燃

受氧化性酸浸入

常温下不受浸入

0.93~0.94

半透明~不透明

0.2~0.4

1.5~5.0

85~250

50~600

—

340~490

2.1~6.9

D50~60

14~16

41~49

＜－70

＞1014

18~40

2.25~2.35

＜0.0005

200~235

＜0.01

可燃

受氧化性酸浸入

常温下不受浸入

0.94~0.97

半透明~不透明

0.4~1.1

2.0~5.0

220~390

15~1000

225

D60~70

11~13

43~49

＜－70

＞1014

18~20

2.30~2.35

＜0.0002

＜0.0003

＞200

＜0.01

可燃

受氧化性酸浸入

常温下不受浸入

第二节塑料的包复工艺与设备

概述：

塑料的包复在电缆结构特别是在全塑电缆结构中是极其关键的工艺过程，在电缆生产的全过程中占据着显著的位置，包复工艺往往决定生产的成败。

因此本节不但是本章的重点内容，而且也是全册的重要内容。

塑料的包复工艺在电缆生产中主要有两种主要型式：

绕包和挤包，确切的讲，绕包也只是挤包的分步。

因为所谓绕包就是将塑料带、纸带或玻璃布带等一样包复在电缆上，而塑料带乃是经挤制而成，显然绕包是把挤包分解为挤和绕两道工序进行的。

目前绕包主要用于线芯的绕包、铠装的内垫层等辅助部件，其工艺特点与纸带绕包、布带绕包并无大的差异，此处不加详述。

本文叙述的重点是塑料的挤包，就电缆生产而言，塑料挤包主要包括绝缘层挤包、屏蔽层挤包、内垫层挤包和外护层挤包，生产电缆规格的差异，挤制部件的不同及由此而确定材料品种的不一，往往决定了挤包设备及工艺参数的某些变化，但总的来讲，各种产品、各个部件的挤塑包复工艺是大同小异的，下面以普通为主，个别为辅的挤塑设备、模具类型及工艺加以详尽介绍。

一、塑料挤包设备

电线电缆塑料包复是在塑料挤出机组上进行的，完整的塑料挤出机组应包括放线及张力调节装置、校直装置、清洗干燥装置、线芯预热装置、上料装置、主机、控制系统，冷却系统，长度计量装置，耐压试验装置，印字装置、测量系统、牵引装置、收线张力调节装置、排线和收线机构，近年来线芯连续软化新工艺的出现，在以包复塑料绝缘为主的小型主机组中往往以全套退火装置代替校直装置，起退火、校直双重作用，在所有这些机构中，对挤出产量，包复质量起决定性作用的是主机，因此，主机是我们要讲述的重点，在介绍主机之前，先概要介绍一下除主机而外的各主要机构（统称为辅机）。

（一）辅机

1、放线装置

塑料挤出机组依主机规格即主机螺杆直径的大小决定其生产技术规范，一定的生产技术规范要求一定的结构型式和规格的放线机构，放线机构的结构型式分为：

（1）A、无轴式放线；B、有轴式放线；

（2）A、双盘放线；B、单盘放线；

（3）A、活动式放线；B、固定式放线；

（4）A、手动升降放线；B、自动升降放线；

（5）A、张力控制放线；B、自由放线。

放线机构结构型式还可用其他方法分类，通常上述“A”型放线机构适用于小规格电线电缆绝缘和护套的生产，而“B”型放线机构则在大截面线芯绝缘和中等以上规格电缆护套的挤出中使用。

放线机构的规格通常是用放线架侧板的开档和放线盘轴心升起的最大高度，以及放线盘最大尺寸来表示的，这些都是由主机生产的技术规范决定的。

对放线机构的基本技术要求是：

（1）放线速度要均衡而不应有跳动；

（2）线盘的装、卸要方便、迅速；

（3）运转灵活，安全可靠性大；

（4）能为连续生产提供保障；

（5）专供绝缘挤出机放线机构可装设滚筒式线芯校直器。

2、校直装置

塑料绝缘的挤出废品类型中最常见的一种是偏芯，而线芯各种型式的弯曲则是产生绝缘偏芯的重要原因之一，而在护套挤出中，护套的刮伤也往往是由线芯（或缆芯）的弯曲造成的。

因此，各种规格的挤出机组中校直装置都是很重要的设施。

校直装置的主要型式有：

（1）筒式：

又分水平和垂直式；

（2）滑轮式：

分为单滑轮和滑轮组；

（3）绞轮式：

兼起拖动，校直，稳定张力之多种作用。

（4）压轮式：

分水平式和垂直式，一组和多组。

通常在小截面绝缘挤出机组中用滚筒式和滑轮式，使线芯多次通过滚筒和滑轮，而达到校直之目的，而在护套和大截面绝缘生产中则不宜采用滑轮式，必须采用滚筒式，绞轮式和压轮式，有时要采用三者综合才能彻底实现校直之目的，在必要的场合，也有用压片式的校直装置，该装置对运行和电线产生一定的正压力，不但能起校直作用而且还有稳定放线张力的效果，在硬线绝缘挤出中使用可收到良效，但因其容易造成线芯拉细，所以在软线，小线生产中不宜采用，

3、清洗干燥装置

如导体表面由油污、灰尘或其他杂质，则挤出绝缘后表面不光滑，或有气孔等缺陷。

如产品用于高频传输，还会对传输性能造成影响。

所以应对导体表面进行清洗。

一般采用循环清洗装置，清洗液可采用丙酮等有机液体，也可直接用水清洗。

清洗后应采取干燥措施，一般用风干燥或电热干燥。

4、预热装置

线芯预热对于绝缘挤出和护套挤出都是必要的，对于护套挤出来讲，其主要作用在于烘干半制品，这点对于以吸湿性材料作垫层绕包的半制品更有必要，通过予热能有效的烘除其中的水份和湿气，所以预热装置不但起到预热线芯，从而防止挤出中塑料因骤冷而残留内应力的作用，而且有效的防止了由于潮气的作用而使护层结构中出现气孔的可能。

对于绝缘挤出而言，这点更是不能忽视，尤其是薄层绝缘，不能允许气孔的存在，所以挤出前必须彻底清除表面的水份，油污，这只用机械方法是不够的。

必须使线芯通过高温预热才能彻底完成。

此外，在挤塑过程中，塑料特别是塑胶温度的波动必将导致挤出压力的波动，不但影响挤出量而且对挤出质量产生直接的影响，而冷线芯进入高温机头，在模口处与塑胶直接接触，正是产生这种波动的原因之一，而线芯预热则可能消除悬殊的温差，从而预热对稳定挤出量，保证挤出质量也有着重要的意义。

线芯预热温度，依半制品结构，挤包塑料品种的不同而异，例如挤制氟塑料—F46绝缘线芯预热温度需达300℃，而挤制聚氯乙烯护套缆芯预热150℃即可。

预热温度受放线速度的制约，一般与机头温度相仿即可。

挤塑机组中的线芯预热装置一般采用电加热（分为外热式和内热式），要求有足够的容量，以保证升温迅速，预热和烘干效率高。

5、冷却装置

电线电缆塑料绝缘与护套的挤出成型是通过塑料粘流态实现的，塑料处于粘流态，内部分子张力松驰，极易变形，甚至在没有外力作用的情况下，也会自行形变，即塑料处于粘流态具有良好的变形特性，这是对其实行成型加工的必要充分条件。

然而粘流态却是任何塑料制品成型后的连续加工和使用中必须予以克服的形态，否则，制品不但得不到预期的几何形状，而且因其机械强度低，使之丧失实用价值。

因此，连续加工和使用都要求塑料成型后迅速由粘流恢复到高弹态或玻璃态，对电线电缆而言，就是要使之恢复到高弹态，实现塑料由粘流态往高弹态，玻璃态的反转变的有效手段就是成型后的冷却。

冷却的主要形式有风冷和水冷，风冷往往使用经干燥处理的压缩空气，其优点在于冷却平稳，对绝缘组织之不良作用小，即内部无残余内应力，外部无水份潮气积留，但风冷除需备有全套空压，干燥设施外，具有冷却速度缓慢的不足之处，采用风冷，必要的补救措施是线速降低，或者增大设备占地面积，显然这都是不经济的。

因此这种冷却方式的单独作用，只是在必要时采用，而通常大量采用的冷却方式是水冷。

水冷又分为缓冷和急冷两种，所谓缓冷就是温水降温冷却，所谓急冷就是冷水冷却，急冷对制品定型有利，但这种冷却因是使塑料在大温差下进行骤然冷却，所以往往冷却过程中在包覆层组织内部残留内应力，这将是制品使用过程中产生龟裂，以致由此而丧失使用价值的“先天病”，这点对于以结晶相为主的高聚物更为严重，因此在挤制这类塑料中冷却方式若采用水冷，往往用缓冷进行，缓冷避免了制品冷却的大温差，因此冷却的急冷因设施简便，冷却效果充份，定型性好，所以在进行以无定型区为主的高聚物的挤出中得到广泛应用。

6、耐压试验装置

在挤塑机组中增设耐压试验装置是绝缘挤出的需要，该装置能及时发现制品的薄弱结构，不但能有效的防止漏检、漏试，而且可及时发现挤出中的工艺缺陷、最大限度的减少废品。

因此，日前在护层挤出中也尽可能采用耐压试验。

耐压试验器一般为高压火花试验机，要求电极灵敏度高，体积小而又要有一定的作用时间。

7、牵引装置

牵引装置是电线电缆挤塑机组做连续运动的动力源。

挤塑机组的牵引装置目前有两种主要型式，即双轮式和履带式。

双轮式就是由两个直径大小相等的绞轮组成的牵引机构，其中一个通过变速系统与牵

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