几种常用电缆热带海洋环境下的老化趋势研究

闫杰 ， 程德斌 ， 刘丽红

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610；2.广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室，广东 广州 510610；3.广州市电子信息产品可靠性与环境工程重点实验室，广东 广州 510610）

0 引言

电缆在严酷的热带海洋环境条件下，常年在湿热、高温和震动甚至是充满盐雾、油雾的恶劣环境中，其护套、绝缘等材料的结构和性能均会受到严重的影响，容易老化断裂，致使导体外露，从而极易造成短路起火，损坏电气设备；太阳辐射、温度和湿度对电缆绝缘层老化的影响最大，它们会使橡胶电缆绝缘层因失去弹性而变硬，塑料电缆绝缘层因失去韧性而变硬、变脆。

对于橡胶和塑料等材料的老化机理和环境老化行为，很多人都已进行过研究[1-5]，但大多数研究都是在实验室中进行的，且针对的是材料本身；而对于由橡胶和塑料制成的电缆成品在恶劣的高温、高湿、高盐雾的热带海洋性环境下的整体老化行为却很少研究。

本文选用不同的电缆材料与工艺，在热带西沙试验站进行海洋自然大气环境试验，观察其老化行为，并进行对比分析，分析其老化原因，为合理选材、减少老化造成的损失提供参考。

1 样品与试验

1.1 试验样品

本试验选用4种不同的绝缘和护套材料制成的电缆样品进行西沙海洋自然大气环境下的老化试验。4种电缆样品的组成材料如表1所示。

表1 西沙大气暴露试验电缆样品名称

1.2 试验方法

试验参照GB/T 3681-2001《塑料大气暴露试验方法》要求执行，在西沙试验站进行户外大气自然环境试验。试样被固定在试验架上，朝南45°角进行暴露试验；在试验过程中，按初始、3个月、6个月、9个月、12个月、18个月的试验周期，每种样品取5件平行样来进行综合评价。本文对样品暴露后的试验结果进行了对比分析。

2 结果与讨论

2.1 外观评价

参照GB/T 15596-2009《塑料在玻璃下日光、自然气候或实验室光源暴露后颜色和性能变化的测定》进行样品目测外观评价。结果显示：电缆受试样品在西沙户外开展了18个月的自然大气暴露试验后 （如图1-4所示），4种样品的外观均未发生明显的变化，外观表现出较稳定的特性。

图1 1#样品试验18个月后的外观对比

图2 2#样品试验18个月后的外观对比

图3 3#样品试验18个月后的外观对比

图4 4#样品试验18个月后的外观对比

2.2 机械性能评价

根据GB/T 2951.11-2008《电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法第11部分：通用试验方法厚度和外形尺寸测量机械性能试验》，对样品的抗拉强度、断裂伸长率变化周期进行检测；图5、6分别是受试样品护套和绝缘材料的抗拉强度的变化趋势，图7、8分别是受试样品护套和绝缘材料的断裂伸长率的变化趋势。

图5 电缆护套材料的抗拉强度变化趋势

图6 电缆绝缘材料的抗拉强度变化趋势

图8 电缆绝缘材料的断裂伸长率变化趋势

由图5、6可知，对于本文中的护套和绝缘材料，从整体上看，试验初期其抗拉强度大多都稍有提高，主要原因是老化初期，材料内部产生部分交联，材料分子结构发生变化，由线性分子变为体型分子，其抗拉强度便有所增强。随着老化的继续，电缆的护套和绝缘材料的老化趋势出现了分化：护套材料的化学键受到光、热、氧等因素的持续影响，分子键发生断裂，其抗拉强度不断地下降；而处于护套里面的绝缘材料，由于试验过程中始终受到护套的保护，在试验后期，其抗拉性能趋于稳定。

由图7、8可知，护套材料的断裂伸长率，由于受到的外界环境应力多，其变化有些波动，但相对于初始性能始终都呈现出下降趋势；绝缘材料的断裂伸长率的变化趋势与其抗拉强度的变化趋势类似，随着试验时间的推移，其断裂伸长率开始时有所下降，但随后逐渐地趋于稳定。电缆样品的护套和绝缘材料的性能的最终变化率如表2所示。

表2 电缆样品试验18个月后性能变化率%

由表2可知，几种电缆在西沙热带海洋环境下试验18个月后，其机械性能都有所下降。4种电缆样品的绝缘材料的抗拉强度下降都很小，除1#电缆的PVC绝缘材料外，2-4#电缆的绝缘材料的断裂伸长率下降都比较显著。对于电缆护套而言，1#和2#电缆的护套抗拉强度下降较显著，3#和4#电缆的抗拉强度和断裂伸长率变化都很小。综合而言，1#、4#电缆表现出较优良的耐候性。

2.3 电缆老化原因分析

对于电缆的塑料或橡胶材料的老化原因，人们已经进行了大量的研究。电缆工作环境中的太阳辐射、温度、湿度、大气和微生物等环境因素的综合作用引起护套的环境行为失效，导致了护套材料的老化。根据试验站环境监测统计，西沙年平均气温达27.2℃，年平均湿度为82%，年日照时数为2891.7 h，年日照总辐射量为6686.9 MJ/m2，平均大气盐雾氯离子含量为0.0713 mg/m3，西沙试验站属于典型的强太阳辐射、高温、高湿和高盐雾的湿热海洋性气候类型；而且西沙位于赤道附近，年日照时间长，紫外线比例大，气候环境极为恶劣，因此，在这种气候环境中工作的电缆，就更容易老化。

对于电缆护套和绝缘材料的老化原因分析如下。

a）强太阳辐射、高温是护套老化的重要原因

阳光中的紫外线可以使护套中的聚合物的部分碳氢键和碳氮键断裂，从而使护套老化和失效。热是促进高聚物发生老化反应的主要因素之一，热可使高分子发生链断裂从而产生自由基，形成自由基链式反应，导致聚合物降解和交联[6]，性能劣化。

b）西沙试验站大气的高湿、高盐雾含量加速了护套的老化

常温环境中使用的电缆护套的老化降解主要是光引发的氧化和水解。已有的研究表明：光氧化降解随湿度的增大而加剧，同样，水解降解也因光照而加剧[7]。在高湿度的环境下，大气中的湿气会在护套表面形成一层水膜，随着时间的推移，水通过护套的各种缺陷如孔隙、裂纹和杂质等进入护套内，水分会以浓度梯度和渗透压为主要动力，向护套内部扩散。护套吸收的水分会造成护套材料的膨胀，在护套内部产生应力，干湿交替会使护套内部的应力加剧，诱发护套降解。而水分中的氯离子沉降物附着在护套的表面时，便迅速地吸潮溶解成氯化物的水溶液，在一定的温湿条件下，溶液中的氯离子通过材料的微孔逐步地渗透到内部，从而引起材料的老化。

c）电缆的绝缘材料只受到了高温的影响，是其老化的重要原因

对于本文中的3种绝缘材料，由于其处于电缆护套里面，在整个试验过程中，护套未出现开裂、断裂等损坏，因此，绝缘材料仅受到西沙的环境温度的影响。高温导致绝缘材料高分子链断裂，材料发生老化，从宏观上表现为机械性能的下降。

3 结论

通过对4种电缆样品进行热带海洋大气环境试验，并对试验结果进行对比分析，可以得出如下几个结论。

a）4种电缆样品在西沙暴露18个月后，从外观上评价，并未有明显的老化。

b）就机械性能老化表征的综合结果来看，在西沙海洋环境下，1#、4#样品表现出相对稳定的耐候性；而2#、3#样品的耐热带海洋气候性能较差。

c）西沙的高温、高湿、高盐雾含量和强太阳辐射是电缆老化的主要原因。

[1]张如意.聚氯乙烯塑料制品的老化机理和防老化机理[J].焦作工学院学报，1996（6）：89-93，122.

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[3]杨睿，刘颖，于建.聚烯烃复合材料的老化行为及机理研究 [J].高分子通报，2011（4）：70-83.

[4]邓乐文.聚烯烃弹性体/乙烯基单体自由基接枝共聚反应机理研究 [D].广州：华南理工大学，2013：25-27.

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[6]刘景军，李效玉.高分子材料的环境行为与老化机理研究进展 [J].高分子通报，2005（6）：65-66.

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