PVC电缆体积电阻率的影响因素

知识点：体积电阻

 1.

引言

      PVC电缆料是以PVC树脂为基础，配以增塑剂、稳定剂、填料等多种助剂混合加工而成。PVC树脂具有成本低、耐油、耐腐蚀、化学稳定性好等优点，因此PVC电线电缆具有优良的力学性能、耐老化性能和绝缘性能，原材料来源广泛，价格适宜，功能助剂多样化，易于研制开发多品种、多规格、多元化的线缆用材料，因而在线缆行业得以广泛应用。

在PVC电缆料生产中，受到原材料质量波动、生产环境、设备及操作人员稳定性等因素的影响，即使是成熟的同一生产配方，其产品质量也会出现不稳定现象，从而影响物化性能和外观形貌等，甚至会出现某些性能指标达不到相关标准或用户要求。

对于电缆料而言，力学性能、体积电阻率是考察其质量好坏的基本指标。其中，体积电阻率是绝缘电缆料的一项重要指标，反映产品对电流阻碍作用的属性，对后期电线电缆使用过程中的安全性作出判断，因此尤为重要。本文首先分析影响PVC电缆料体积电阻率的要素，再从PVC树脂角度出发，探究PVC树脂部分评价指标对电缆料体积电阻率的影响。

本文主要从PVC树脂、配方、加工工艺等方面分析电缆料体积电阻率影响因素。

 2.

PVC树脂影响

PVC树脂是PVC电缆中成分最大的部分，其本身质量对电缆料力学性能、电学性能影响较大。

2.1 PVC导电机理

一般情况下，高分子中同时遵循电子导电和离子传导两种导电机制，只是程度有所区别而已。两种导电机制最大的区别是载流子的不同。在高聚物中，电子导电机制的载流体是π键电子离域为的自由电子；而离子传导机制的载流体一般是正负离子。以电子导电为主的高聚物多是共轭高聚物，而PVC主链主要是单键链接，并不具备共轭体系，因此其以离子传导方式为主发生导电。但是，在电流和紫外光的作用下，PVC会脱除HCl，形成不饱和多烯烃片段，因此存在π键电子，可能驱动导电。

2.2 PVC电阻率影响因素

  图1 PVC电缆料体积电阻率影响因素

2.2.1 分子量

分子量对高聚物导电性的影响与高聚物的主要导电机理有关。对于电子电导，因分子量增加延长了电子的分子内通道，导电能力将增加；对于离子电导则随分子量的减少，离子迁移增加，导电能力将增加。同时，分子量亦影响电缆产品力学性能，PVC树脂分子质量越高，其耐寒性、热稳定性及机械强度越好。

2.2.2 热稳定性

热稳定性是评价树脂质量最基本、最重要的指标之一，其直接影响下游产品的加工工艺和产品的各项性能，随着PVC建材的广泛使用，对PVC树脂热稳定性的要求越来越高。老化白度是评价树脂稳定性的一个重要指标，以此判断树脂热稳定性。

2.2.3 离子含量

一般情况下，PVC以离子传导为主的方式发生导电，因此离子对导电有明显的影响。高聚物中的金属阳离子（Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Al³⁺、Zn²⁺、Mg²⁺等）起主导作用，而阴离子（Cl^-、SO₄^2-等）则因半径较大、迁移速率慢，对导电的影响小。与此相反，当PVC能在电流和紫外光的辐射下引起脱氯化氢的副作用，Cl^-被释放，此情况下起主导作用的是阴离子。

2.2.4 表观密度

树脂表观密度和吸油量影响树脂后加工性能，特别是对树脂塑化具有较大影响，而塑化好坏直接影响产品的性能。在相同配方及加工条件下，树脂表观密度高，孔隙率相对较低，这可能影响树脂内导电物质的传输，从而使得制品具有较高电阻率。

2.2.5 其他

PVC树脂中的“鱼眼”、杂质离子等物质在电缆生产过程中成为疙瘩状杂质，使电缆表面不平整，影响制品外观，且“疙瘩”周围会形成一定的电气间隙，破坏了PVC材料固有的绝缘性能。

在相同后加工条件下，表观密度、增塑剂吸收量等性能指标直接影响后加工效果，塑化程度不同引起产品性能差异。

此外，有研究表明：在聚氯乙烯聚合后，例如，在合成结束或者最终干燥前，可以引入有官能团的添加剂。聚台物有1~30%水分用占总量0.0002~0.001%的多元羧酸，可以提高产品体积电阻率。在悬浮聚氯乙烯中引入0.1~2%的含磷酸根离子的化合物（烷基氢磷酸、磷酸氧铵、C≤20的烷基磷酸，有机磷酸），并添加含有0.1~2%碱土金属化合物，使其沉积在聚合物上，能有效改善树脂体积电阻、介电常数等。

 3.

配方助剂

PVC电缆料使用的助剂主要有增塑剂、填料、稳定剂、着色剂、润滑剂等。

3.1 增塑剂

增塑剂的使用可以改善高分子材料的性能，降低生产成本，提高生产效益。在PVC电缆料生产中添加增塑剂，其主要作用是改善产品的加工性能和拓宽应用范围，改善产品的可塑性及耐高低温性能。

增塑剂的选用，一般应从相容性、电绝缘性、耐热性、挥发性、增塑效率和价格等因素进行综合考虑。但也有研究表明，增塑剂本身的体积电阻率与含有该增塑剂的PVC电缆料的体积电阻率并不成比例。增塑剂可以很好地改善PVC加工性能，但它对产品电性能和力学强度有显著影响。有研究表明：PVC电缆料的电阻率随增塑剂DOP添加量的增加而逐渐降低，这是由于在PVC中加入增塑剂，使链段的活动性增加，PVC分子间作用力减小，自由体积增加，因而提高了离子载流子的迁移率，使导电性增加，体积电阻率下降；介电常数和介质损耗角正切值呈上升趋势，这是由于介电常数的数值取决于介质的极化，而增塑剂的加入，使PVC大分子间的作用力减小，链段的活动性增加，使偶极子取向运动得以顺利进行，极化加强，使介电常数增大。不同增塑剂对体积电阻率有不同影响，易碧霞等研究表明不同增塑剂对PVC电缆料电性能的影响程度不同，从实验可见：TOTM、TCP电性能较优，且用量在35-40份时较好。

此外，增塑剂用量增加还使得PVC电缆料邵氏硬度和拉伸强度降低，断裂伸长率增大。因此，实际加工时需综合考虑，平衡各项指标，选择最佳值。

3.2 填料

在PVC电缆料生产中，多选用轻质碳酸钙、活性碳酸钙、(煅烧)陶土等无机物作填充料，加入适量的无机填料可以改善产品的尺寸稳定性，赋予产品一定的强度和硬度，降低配方成本等。经过活化处理的碳酸钙或经煅烧脱去水分的陶土，由于吸湿性小，在晶体结构间易形成吸附中心，捕捉游离态PVC分子、增塑剂中的自由离子和分解产物，减小游离态或泄漏电流的电子、离子数目，因而导电性能低，易于保障和提高PVC产品的体积电阻率。但是填料添加过多，会导致电缆料的柔软性大大降低，断裂伸长率不达标。

3.3稳定剂

由于聚合过程中，生成的缺陷结构等，导致PVC热稳定性差，加工温度过高时导致聚合物物理和机械性能劣化，为此需要加入热稳定剂以防止降解。稳定剂的选择和使用，直接影响制品各项性能，具有前期使用的铅盐类稳定剂，由于环保要求需求，逐渐退出市场。当前，钙锌复合稳定剂是使用较广泛的稳定剂之一，也是近年来无毒稳定剂中研究开发较为活跃的领域之一。

3.4 阻燃剂

PVC电缆料作为典型的软质品，通过调整增塑剂的含量来调节材料柔软性，但增塑剂会降低材料的含氯量及氧指数，造成阻燃效果降低。在产品配方中添加适量的阻燃增塑剂和阻燃剂可实现抑烟以及阻燃的效果，常见的阻燃剂有金属水合物、无机磷系阻燃物、有机硅化合物以及金属化合物等。马万里等通过加入有机硅树脂制备具有高效阻燃的PVC电缆材料，结果表明有机硅树脂能够保留PVC本身较好的力学性能，且阻燃性能较好。王振远等采用新型陶瓷化阻燃PVC材料，通过普通PVC挤出机可生产出性价比较高的新型陶瓷化PVC阻燃、耐火电线，且电缆电性能满足使用要求。

在PVC电缆料中添加阻燃剂对体积电阻率的影响的相关研究较少。根据添加物质不同会引起不同的结果，使用碱性氢氧化物，例如氢氧化镁等会使电缆料中金属离子量增加，可能会降低产品体积电阻率。而添加陶瓷等物质，对体积电阻率影响较小，甚至提高产品体积电阻率。

 4.

加工工艺

      为了提高裂解炉操作能力和使用周期，在设计阶段对裂解炉辐射段炉管的材质选择定位非常关键，可以满足炉管耐高温、停留时间短、运行长y800焊接工艺方面，适合采用任何传统焊接工艺与同种材料或其他金属焊接，如钨电极惰性气体保护焊、等离子弧焊、手工亚弧焊、金属极惰性气体保护焊、熔化极惰性气体保护焊，其中脉冲电弧焊是首选方案。

PVC电线电缆的质量与其加工的塑化效果有密切关系，而塑化效果主要取决于挤出过程的工艺条件。挤出过程较长，涉及到的控制因素较多，需要调节多个参数，达到平衡状态，才能保证产品各项性能达标，生产出合格的产品。挤出工艺的主要控制参数有挤出各区温度、螺杆转速、收线速度（牵引速度）以及扭矩等。

一般来说，较高的挤出温度有利于提高PVC的塑化程度，但温度过高会加快树脂分解，释放出HCl，降低产品电性能，导致体积电阻率降低，同时影响产品力学性能、外观等指标；温度过低会造成塑化不足，挤出物内部残留PVC树脂颗粒，这些颗粒周围容易形成电气间隙，从而降低其绝缘性能和耐电压能力。

螺杆转速决定物料在机筒内的停留时间，从而影响塑化程度。若主机转速太小，物料在机筒内停留时间过长导致分解；转速太大，可能造成物料在机筒内塑化时间过短而塑化不足，影响PVC电线电缆的力学性能和电性能等。

此外，收线速度也会影响塑化效果，从而影响产品体积电阻率和力学性能。

 5.

结语

影响PVC电缆料体积电阻率的影响因素较多，PVC树脂和助剂等原材料、后加工工艺皆对产品质量有影响，提高产品体积电阻率是一个复杂的过程。

（1）PVC树脂指标，热稳定性、离子含量、分子量、杂质含量皆会影响产品体积电阻率。分子量保持稳定，热稳定性高，离子和杂质尽量偏低，是降低产品体积电阻率的重要条件。

（2）助剂选用，助剂纯度、助剂种类及添加量，是控制产品体积电阻率的主要因素，选择对体积电阻影响较小的增塑剂，添加适量对体积电阻率友好的填料等，是保证电缆体积电阻率较高的有效手段。

（3）加工工艺，根据原料及助剂的选用，调整加工条件，生产出合格产品，并且保证稳定运行，使材料塑化效果良好。

控制及提高PVC电缆的体积电阻率涉及到原材料、配方及加工工艺及设备等多个方面，需要逐点研究，综合考虑。

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