Аннотация

Исследовано влияние условий радиационного сшивания на плотность сетки и механические свойства сшитого полиэтилена (СПЭ) при высоких температурах испытания Найдены оптимальные значения величины тока генератора электронного излучателя и скорости протяжки кабеля, обеспечивающие максимальную плотность сетки. Показано, что показатель гель-фракция не в полной мере характеризует степень сшивания и механические свойства сшитого полиэтилена.

Введение

 

Радиационная сшивка полиэтилена широко применяется при производстве пленок, термоусадочных труб и кабельной изоляции [1].  При этом для достижения заданной степени сшивания обеспечивающей 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 (МЭК 60502 (60540)) оценивали на приборе СМИП-РХТУ [2].  Величину плотности сетки определяли в режиме ступенчатого увеличения нагрузки по уравнению высокоэластичности [2-4]:  

где: nc - число молей отрезков цепи между узлами сетки в единице объема (моль/см³); s - условное напряжение (кгс/см²); l - степень растяжения, в долях; T - температура (K); R - универсальная газовая постоянная (84,84 кгс см/моль K).

Содержание сшитой фракции (гель фракции) определяли после кипячения образцов в пара-ксилоле в течение 16 часов.

Радиационное облучение готовых кабельных изделий проводили в условиях ЗАО «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. 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).

 

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 1), 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]:

n_c = gr/ М_n;  где:

g - степень сшивки, т.е. среднее число сшитых  звеньев, приходящихся на одну «среднечисленную исходную молекулу»: g=(S + S ^0,5)^-1;

S - относительное содержание золь фракции: S = 1 - g;

r - плотность ПЭ 17803 (~0,92 г/см³).

 

Рис.2. Зависимости содержания гель фракции от плотности сетки: 1 ‑ теоретическая 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).

Рис. 3. Зависимости тепловой деформации от содержания гель фракции (а) и плотности сетки (б) сшитого ПЭ. 1 - образцы разрушились при испытании, 2 ‑ образцы 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.