热塑性聚氨酯弹性体在电缆护套上的应用
胡玮;岳红涛
【摘 要】介绍了热塑性聚氨酯弹性体(TPU)优异的性能,并与其他常用的电缆护套料进行比较;对其挤出工艺、配模和挤出时需要注意的问题进行阐述. 【期刊名称】《电线电缆》 【年(卷),期】2010(000)006 【总页数】3页(P28-30)
【关键词】热塑性聚氨酯弹性体(TPU);无卤低烟阻燃;护套;挤出工艺 【作 者】胡玮;岳红涛
【作者单位】河南理工大学,河南,焦作,454000;特变电工股份有限公司线缆厂,,昌吉,831100 【正文语种】中 文 【中图分类】TM246 0 引言
热塑性聚氨酯弹性体(TPU)是由二异氰酸酯、扩链剂和大分子二醇聚合反应得到的高分子聚合物。TPU分子结构中低聚物多元醇构成软链段占50%～90%，二异氰酸酯和小分子扩链剂构成硬链段占10% ～50%;硬链段极性强、相互引力大，容易聚集在一起形成大量微区，并分布于软段相中，形成TPU的二相态结构［1］。这种结构使得 TPU具有强度高、弹性大、耐磨性好、耐油、柔软、高伸长率，耐
腐蚀性好等优异性能。
TPU按照软段的结构可分为聚酯型、聚醚型。TPU在常温下耐水解性能较好，但随着温度的升高，聚酯型TPU耐水解性能急剧下降，而聚醚型TPU的耐水解性能比较稳定。电缆的使用环境非常复杂，要求的使用寿命10年以上，因此，电缆护套用TPU应为聚醚型(本文提及的TPU都为聚醚型热塑性聚氨酯弹性体)。 1 无卤低烟阻燃型TPU
TPU自身没有阻燃性能，空气中燃烧时，火焰非常剧烈且伴有浓烈的黑烟，并具有严重的滴流现象，长期以来TPU的阻燃特性一直没有得到满意解决，也制约了TPU在电缆上的应用。近些年兴起的膨胀型阻燃剂具有优异的阻燃、抑烟和消除熔滴的作用，对改善TPU的燃烧特性非常具有针对性。添加阻燃剂后，TPU的阻燃性能参照 UL94可达到 V-0级，氧指数参照 GB/T 2406可达到29，烟密度参照GB/T 8323有焰可达到85、无焰可达到130，氯化氢含量参照GB/T 17650.1可达到0 mg/g;而抗拉强度大于25 MPa、断裂伸长率大于500%，其性能仍然非常优异。与无卤低烟聚烯烃护套料相比，阻燃型TPU的工艺和机械性能近乎完美，因此，成为备受追捧的新型电缆无卤低烟阻燃护套材料。 2 阻燃型TPU与其它常用护套料的主要性能对比［2］
阻燃型TPU的抗拉强度和耐磨性远远超过其它护套料，抗撕裂强度和耐低温屈挠、耐油、耐老化性能等也非常突出。阻燃型TPU与其它常用电缆护套材料主要性能比较，见表1。
由表1可知，阻燃型TPU的综合性能明显优于其他常用的电缆护套材料。 另外，TPU减少了橡胶生产必须的硫化工序，大大缩短工艺流程，减少人力、电力成本，生产过程更加环保;无需投入连硫生产设备、提高挤出机利用率;护套可修复性强;废料能回收再利用。
表1 阻燃型TPU与其他常用电缆护套材料的比较项目名称 无卤低烟阻燃TPU
PVC 天然橡胶 氯丁橡胶 无卤低烟阻燃聚烯烃使用温度/℃ －65～+90 －40～+80 －60～+80 －50～+90 －25～+70抗张强度/MPa 20～5012～187～2510～2810～15断裂伸长率/% 300～700150～300300～700300～800150～300体积电阻率/(Ω·cm) 1012 1012 1013 1013 1012耐磨性 优 一般 一般 良 差耐油性 优 一般 一般 良 差耐高能辐射 优 优 一般 一般 一般耐撕裂性 优 一般 一般 良 差耐臭氧性 优 优 一般 良 一般耐低温屈挠性 优 差 优 良 差其他特性 无卤 有卤 无卤 有卤 无卤 3 TPU的挤出工艺特性
TPU可以用螺杆的长径比为20～30，压缩比为2～4之间的普通单螺杆挤出机挤出。TPU的挤出工艺温度约30℃左右，TPU硬度不同，挤出温度会稍有差异，一般硬度大挤出温度高。对于硬度80～90A挤出机的加热温度大致为:下料口120～140℃，机身加热1区160～170℃、2区170～180℃、3区175～190℃，机颈区170～185℃，机头区165～175℃。在TPU挤出过程中，可以根据护套表面的外观对挤出机各区段的温度进行调整。对于BM螺杆挤出机，挤出温度可以降低10℃左右，甚至可以通过设定不同的挤出温度，来改变护套的视觉效果，高温挤出护套表面色泽光亮(亮光)，低温挤出护套表面色泽发暗(亚光)，高低温度相差20℃左右。
4 TPU挤出配模
TPU具有高弹性模量和抗拉强度，非常适合薄壁护套的挤出。护套厚度为0.5 mm以下时，一般采用挤管式模具;护套厚度较大(0.8 mm以上)时，可以根据电缆外观要求选配模具。若要求护套外观圆整度高，应选择挤压式模具，否则选择挤管式模具。挤管式配模，拉伸平衡系数(k)具有较大的调整空间，一般k在1.03～1.35之间都能取得比较满意的效果。挤压式配模，机头压力更大，摩擦热大，生产稳定前应注意观察模口挤出材料和护套外观的变化，螺杆转速一般控制在60
r/min以下;设计挤压式模套时，承径区可适当短些。 5 TPU护套挤出前的准备
(1)清理螺杆和机头。由PVC、PE等材料更换为TPU时，由于机身内留存的焦料与TPU不相容，因此，挤出前必须卸下螺杆并对螺杆、机筒和机头进行彻底清理。 (2)烘干处理。TPU属于强极性材料，具有较强的亲水性，材料含水率较高。TPU多为真空包装，即便如此在使用前仍然需要烘干处理，否则可能在电缆护套上出现微孔，严重影响电缆护套的质量，甚至造成废品。TPU的烘干温度一般在80～90℃，烘干时间为4～8 h，烘干时间太长可能造成 TPU变色;烘料机应带有抽风装置，保证潮气能及时排出;TPU在热态下更容易吸潮，烘干后的材料要尽快使用，保证TPU在挤出时的含水率在200 ppm(1 ppm=1×10－6)以下。
(3)色母料的选择。TPU着色性非常好，企业可采购本色TPU，挤出护套时按照色谱添加适当的色母料，一般添加色母料的比例为2% ～5%，色母料应以TPU为基料制成，使用前必须干燥除潮。 6 TPU挤出时常出现的问题及对策
TPU的粘度与温度依赖性较大。温度过低，粘度高、流动性差，护套表面不光滑;温度过高，粘度降低、流动性强，容易产生溢料、孔隙、凸凹等不良现象。TPU挤出时，应注意模口材料和护套表面的变化，及时做出判断并制定解决方案。 由于 TPU在熔融状态下粘度大，螺杆剪切力大、摩擦热多，因此，生产大厚度护套而螺杆转速较快时，应注意观察护套外观，防止摩擦热过大造成挤出的护套材料呈现流涎状或分解。 (1)护套表面不光滑
①塑化不充分。设定温度偏低。提高机身2、3区及机颈区的温度;适当增加螺杆转速，提高螺杆剪切力。
②有杂料。料斗内其它材料没有清理干净。多跑一些TPU料或更换料斗内TPU并
彻底清理料斗后重新上料。
③配模不合适。增大模套内径，适当提高材料拉伸比。 ④ 滤网孔大。增大滤网目数，选用120目的滤网。 (2)护套有气孔或气泡
①烘干不充分。应充分进行干燥。
②机体温度过高TPU分解。降低各区段温度温度的同时提高螺杆转速增加混练效果。
③缆芯潮湿。包覆吸湿性包带的缆芯，在包覆前应对包带进行充分干燥，下线后及时转序;或在生产TPU护套前，应对缆芯进行干燥处理。
④停车时间过长。长时间停车应将机身内余料排空(停车时间不宜超过1 h)，并降低设定的温度或关停设备。 (3)护套出现焦烧或出料呈流涎状
①摩擦热大。选择合适模具，减小挤出机压力，降低螺杆转速。 ②设定温度偏高。降低机身温度。
(4)护套表面呈现鱼眼状。设定温度低。提高各区段温度温度;更换细的过滤网的同时，提高螺杆转速，以增加混炼效果;降低生产速度增加TPU在机身的停留时间。 (5)螺杆负荷过大
①料温偏低。适当提高下料口温度10～20℃，但下料口温度也不能过高，否则，可能引起TPU板结，无法正常供料。
② 固体输送段温度低。提高机身1、2区温度。
③设备出胶量不足。降低生产速度，使设备在额定功率下工作。 7 结束语
目前，很多国家严格电缆使用PVC和其它有卤高分子材料。我国已经颁布了多个国家和行业性标准，如GB/T 20285—2006 材料产烟毒性危险分级，GB/T
20286—2006 公共场所阻燃制品及组件燃烧性能要求和标识，GB/T 19666—2005 阻燃和耐火电线电缆通则，GA 306—2007 阻燃及耐火电缆:塑料绝缘阻燃及耐火电缆分级和要求，YD/T 1113—2001 光缆护套用低烟无卤阻燃材料的特性等。这些标准对电缆和材料的无卤低烟阻燃性能做出明确的规定。但是，常用的无卤低烟阻燃聚烯烃护套材料的耐磨性差、低温容易开裂、高温容易析出，使用环境受到了一定的，因此，特殊用途电线电缆的护套材料，宜选用TPU。 TPU护套电缆以优越的高低温、耐环境开裂、耐磨、耐油等机械物理性能，在野外勘探、石油等领域应用广泛。TPU护套音视频电缆，以其良好的弹性、环保性能及良好的手感，深受用户赞誉。TPU以其良好的挤出性能和无卤、低烟、阻燃的环保性能，得到了电缆工艺工程师的青睐，在电缆行业有广阔的应用前景。 参考文献:
【相关文献】
［1］李绍雄，刘益军.聚氨酯树脂及其应用［M］.北京:化学工业出版社，2002.
［2］王春江.阻燃、聚醚型聚氨酯热塑性弹性体在野外特种用途通信电缆中的应用［J］.电线电缆，2007(5):1-5.
