Сравнительная оценка возможности использования

УДК: 678.742.2: 621.315.616
Сравнительная оценка возможности использования показателей гель фракция и
плотность сетки для характеристики степени сшивания и эксплуатационных
свойств радиационно-сшитого полиэтилена для кабельной изоляции
Д.И. ЛЯМКИН, С. В. СКРОЗНИКОВ, А.Н. ЖЕМЕРИКИН*, А.В. КОБЕЦ*,
П.А. ЧЕРКАШИН*, С.В. ЧЕРЕПЕННИКОВ.*
РХТУ им. Д.И.Менделеева, Москва, Россия,
*ООО «Полимерформация», Москва, Россия
Введение
Радиационная сшивка полиэтилена широко применяется при производстве
пленок, термоусадочных труб и кабельной изоляции [1].
заданной
степени
сшивания
обеспечивающей
При этом для достижения
работоспособность
изделий
при
повышенной температуре важную роль играет выбор оптимальных условий облучения. В
связи с этим в задачу настоящей работы входило изучение влияния условий
радиационного облучения на термомеханические свойства сшитого полиэтилена для
кабельной изоляции, а также сравнительный анализ показателей для оценки степени
сшивания.
Экспериментальная часть
Объектами исследования служили опытные образцы изоляции кабеля АИС-50 из
сшитого полиэтилена (ПЭ) композиции 178-02К.
Подготовку образцов к испытаниям проводили в соответствии с ГОСТ 25018-81
"Кабели, провода и шнуры. Методы определения механических показателей изоляции и
оболочки". Использовали образцы в виде лопаточек. Длина рабочего участка составляла
(101) или (201) мм, ширина- 2- 4 мм, толщина не менее 0,8 мм.
Значения плотности химической сетки при 1300С, тепловой и остаточной
деформации при 2000С под действием напряжения 0,2 МПа в течение 15 минут в
соответствии с требованиями Международной электротехнической комиссии
60502
(60540)) оценивали на приборе СМИП-РХТУ [2].
определяли
в
режиме
ступенчатого
увеличения
высокоэластичности [2-4]:
nc = / RT ( - 1/2)
(МЭК
Величину плотности сетки
нагрузки
по
уравнению
где: nc - число молей отрезков цепи между узлами сетки в единице объема (моль/см3);  условное напряжение (кгс/см2);  - степень растяжения, в долях; T - температура (); R универсальная газовая постоянная (84,84 кгс см/моль ).
Содержание сшитой фракции (гель фракции) определяли после кипячения образцов
в пара-ксилоле в течение 16 часов.
Радиационное облучение готовых кабельных изделий проводили в условиях
ЗАОр «НП «Подольсккабель» на линейном ускорителе типа ИЛУ, в котором электроны
ускоряются с помощью электромагнитного поля, создаваемого высокочастотным
генератором в резонаторе тороидальной формы [1]. Средняя мощность пучка электронов
зависит от силы тока и напряжения подаваемого на генератор.
Таблица. Характеристики ускорителя электронов ИЛУ-6.
Энергия электронов,
МэВ
0,7-2,0
Средняя
сила
тока
генератора, мА
Напряжение
генератора, В
10-30
20-100
Облучение образцов проводили при силе тока генератора (I) от 10 до 20 мА. При
облучении скорость протяжки кабеля (U) изменяли от 20 до 75 м/мин.
Результаты и обсуждение
Анализ полученных данных показал, что в производственных условиях при выборе
оптимальных условий сшивания поглощенную дозу радиационного воздействия можно
представить в виде отношения I/U позволяющего изменять как силу тока генератора, так
и скорость протяжки кабеля. С ростом отношения I/U наблюдается закономерное
увеличение содержания гель фракции и плотности сетки (рис. 1).
90
а
Гель фракция, %
80
70
60
50
40
30
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
I/U, мА мин/м
12
б
nc 10^5, моль/см^3
10
8
6
4
2
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
I/U, мА мин/м
Рис.1. Зависимости содержания гель фракции (а) и плотности сетки (б) от
соотношения I/U.
Содержание гель фракции наиболее интенсивно возрастает в диапазоне I/U = 0,15 0,35 (от 40 до 75-80)% и при дальнейшем облучении практически не изменяется. Между
тем зависимость плотности сетки имеет линейный характер во всем диапазоне изменения
показателя I/U. Соответственно зависимость содержания гель фракции от плотности сетки
(рис. 2) не линейна и описывается кривой с насыщением. Интересно отметить, что в
диапазоне nc до 4 10-5 моль/см3
экспериментальные данные по плотности сетки
достаточно хорошо согласуются с теоретическими (кривая 2), рассчитанными на
основании содержания гель фракции (g) для ПЭ 178-02К со средним ПТР ~ 1,5 г/10 мин, и
среднечисленной молекулярной массой (Мn) около 33 103 [5] на основании уравнений
[1,6]:
nc = / Мn; где:
 - степень сшивки, т.е. среднее число сшитых звеньев,
приходящихся
на
одну «среднечисленную исходную молекулу»: =( S + S 0,5 )-1;
S- относительное содержание золь фракции: S = 1- g ;
 - плотность ПЭ 17803 (~0,92 г/см3).
100
1
90
Гель фракция,%
2
80
70
60
50
40
0
2
4
6
8
10
12
nc 10^5, моль/см^3
Рис.2. Зависимости содержания гель фракции от плотности сетки: 1теоретическая кривая, 2- экспериментальные данные.
При nc (4 - 10) 10-5 моль/см3 и степени сшивания более одной поперечной связи на
одну молекулу, содержание гель фракции становится слабо чувствительным к изменению
плотности сетки, причем в этом диапазоне экспериментальные значения g заметно ниже
расчетных. Увеличение плотности сетки при слабом изменении g в диапазоне (75-80)%
связано, видимо с вовлечением свободных концов цепи в активную часть сетки, прямой
характеристикой которой является величина nc. Поэтому для характеристики реальной
степени сшивания полиэтиленовой изоляции целесообразно, видимо, наряду с величиной
гель фракции оценивать также и плотность активных цепей сетки nc. Подтверждением
этому могут служить данные о влиянии g и nc на величину тепловой деформации при
2000С (рис. 3). Для образцов, которые разрушились при испытании за время меньшее 15
минут приведены значения деформации в момент разрыва (точки 1).
200
а
150
ε15,%
1
100
50
2
0
35
45
55
65
Гель фракция, %
75
85
200
б
1
ε15,%
150
100
2
50
0
0
2
4
6
8
10
12
nc 10^5, моль/см^3
Рис. 3. Зависимости тепловой деформации от содержания гель фракции (а) и
плотности сетки (б) сшитого ПЭ. 1- образцы разрушились при испытании, 2образцы не разрушились.
Видно, что если плотность сетки радиационно сшитого ПЭ nc более 4 10-5 моль/см3
образцы выдерживают испытание при 2000С и удовлетворяют требованиям МЭК по
уровню тепловой деформации (не более 175%). Что касается содержания гель фракции то,
как следует из данных рис.3а наблюдается существенный разброс значений тепловой
деформации видимо вследствие различного вклада неактивных цепей сетки и даже при g
более 75% возможно преждевременное разрушение образцов.
В связи с этим использование параметра nc для характеристики степени сшивания
и работоспособности сшитого ПЭ представляется более целесообразным.
Литература
1. Иванов В.С. Радиационная химия полимеров. Л.: Химия, 1988, 320 с.
2. Лямкин Д.И. Механические свойства полимеров:- Учебное пособие. М.: РХТУ им. Д.И.
Менделеева, 2000, 64 с.
3. Боев М.А., Лямкин Д.И., Мисюк К.Г., Скакун Е.В. Кабельная техника, 1996, № 10 (248),
с.8-14.
4. Трелоар Л. Физика упругости каучука. Пер. с англ. М.: Изд. ин .лит., 1953, 240 с.
5. Шифрина В.С., Самосатский Н.Н. Полиэтилен. Л.: Госхимиздат, 1961, 176 с.
6. Чарльсби А. Ядерные излучения и полимеры. Пер. с англ. М.: Изд. ин .лит., 1962, 552 с.