低煙無鹵線纜料由于具有低煙、無鹵、低毒等特性，在軌道交通、機場、大型商場、劇院、學校和房地產等人口密集的場合，使用的比例越來越高。

對于該類材料的抗開裂性能，行業內大多數公司和機構采取熱沖擊實驗的方法進行評估，該方法也被寫入國標GB/ T 32129-2015，從行業目前長期反饋來看，該測試方法確實能在很大程度上篩選出高溫抗開裂性能優秀的配方。

然而以上測試方法大多數是定性的評估方法，對開裂的詳細機理并未有詳細的分析和闡述。為了更好地評估低煙無鹵護套材料的抗開裂性能，本文自行設計了抗開裂性能的評估實驗，對評估抗開裂性能的測試方法進行了拓展和豐富，同時結合測試結果，探討了低煙無鹵電纜線纜料的開裂機理。

1.試驗方法

1.1 熱沖擊和冷熱循環抗開裂實驗

熱沖擊實驗:按照 GB/ T 32129—2015 附錄 A 規定的尺寸裁好樣條后，按照其卷繞方法，以規定的質量負重卷繞，兩端螺栓固定后，將樣品放置于130 ℃的烘箱中 1 h ，取出待冷卻至室溫，觀察樣條上是否有肉眼可見裂紋。

冷熱循環抗開裂實驗:按照 GB/ T 32129—2015  附錄 A 規定的尺寸裁好樣條后，按照其卷繞方法， 以規定的質量負重卷繞，兩端螺栓固定后，將樣品放 置于冷熱循環箱中，冷熱循環箱分三室，分別是低溫室、高溫室、樣品室。低溫室先預冷－30 ℃ ; 高溫室 先預熱到 140 ℃ 。升溫階段為室溫至 130 ℃ , 其中常溫至 100 ℃ 需在 1 min 內完成，樣品室升溫到 130 ℃  總時長不超過 10 min ，在 130 ℃ 下保持 1 h 。后降溫 至－25 ℃ , 降溫階段 130 ℃ 至 0 ℃ 在 1 min 內完成， 降溫到－25 ℃ 也不超過 10 min ，在－25 ℃ 下保持 1 h。 此為一次冷熱循環沖擊。后取出待冷卻至室溫，觀察 樣條上是否有肉眼可見裂紋。

判定結果如圖 1 所示，樣條無肉眼可見裂紋時判 定為“合格”，而實驗失效樣品的等級分 2 類，分別為 “裂紋” 和 “斷開”，其 中 “斷開” 比 “裂紋” 的失效情況更加嚴重。

a－合格 

b－裂紋

c－斷開

圖 1  冷熱循環測試判定示例

1.2 力學性能測試

拉伸性能測試前，樣條應在恒溫恒濕(23 ℃ , 濕度 55% )中放置 4 h ，常溫時拉伸速率選取 250 mm / min ，高溫時拉伸速率選取 50 mm / min 。每個樣 測試 5 次，取平均值作為測試結果。

測試不同高溫 (50 ，70 ，90 ℃ ) 下的拉伸強度 或斷裂伸長率，分別除以常溫 (23 ℃ ) 下的拉伸強 度或斷裂伸長率，計算出來的百分比為該溫度下的強 度或斷裂伸長率保留率。

2. 結果與討論

2. 1  冷熱循環抗開裂實驗用于評估護套材料抗開裂 性能的測試結果分析

在早期使用低煙無鹵護套料時，行業內有發生過多起的開裂事故。為了評估材料的開裂性能，IEC 811－3－1 和國標 GB/ T 2951—2008 制訂了成品的熱 卷繞測試標準，而材料的熱沖擊測試測試方法和細則 在 GB/ T 32129—2015 中得到了正式的規定。熱沖擊 測試是模擬材料在試加應力的狀態下，升溫過程中抵 抗內應力，防止護套開裂的能力的一個有效的實驗。經過長期的一個數據積累和客戶使用反饋，我們認為熱沖擊的測試方法能夠比較好的評價低煙無鹵護套材料的抗開裂性能，尤其能對應夏天高溫暴曬下的開裂情況。選取負重砝碼總質量分別為 7. 5 ，5. 0 ，2. 5，1. 0 kg ，對應的內應力分別為 4. 08 ，2. 72 ，1. 36，0. 54 MPa，內應力約為破壞強度的 33% ，22% ， 11% 和 4. 4% 。

而電纜在使用過程中的環境情況比高溫更為復雜，還會伴隨有溫度、濕度的交替變化。我司自行設計出一個冷熱循環的實驗方法，目的在于檢驗低煙無鹵護套材料在冷熱交替中的抗開裂性能。該方法不僅 檢驗材料在受熱情況下，有應力存在時的抗開裂的能 力，也同時檢驗材料在對抗快速結晶和收縮過程中產 生的內應力時的抗開裂的能力。本實驗對比了標準熱 沖擊測試方法和新設計的冷熱循環的測試方法的實驗 結果差異，實驗數據見表 1 。

表 1  冷熱循環和熱沖擊的實驗結果對應關系

從表 1 結果可以看出，冷熱循環實驗通過難度會 明顯比單純的熱沖擊要大，哪怕是實現了熱沖擊性能 7. 5 kg 合格的樣品，都無法滿足冷熱循環的 5 kg 負重實驗合格。對于冷熱循環實驗來說，也是施加的內 應力越大，實驗越難通過。

在本實驗方法中，材料先從常溫上升到高溫，在此過程中，材料先要在高溫下力學性能的過程中，對抗通過負重卷繞帶來的內應力，確保升溫過程不開裂，此過程與熱卷繞測試差不多。同時又需要在快速降溫過程中，抵抗冷卻收縮和結晶帶來的二次內應力，而由于兩端被螺栓固定，無法自由收縮，導致樣條出現裂縫，故該測試方法更為苛刻，而實驗結果也確實如此。

行業內出現過在晝夜溫差較大的環境發生護套開裂的事故，也出現過開裂事故發生在夏天的多雨時期 ( 也就是可能是暴曬后被雨淋后快速降溫)，原因推斷類似。故也可建議以該方法去檢驗低煙無鹵護套材料抗開裂性能的好壞。

2. 2  不同溫度下低煙無鹵材料的力學性能關系

為了更加深入地去探尋開裂機理，測試了護套材料在不同溫度下的力學性能，與熱沖擊性能和高低溫循環性能做一個對應，詳細數據見圖 2 和 3 。

a－拉伸強度

b－斷裂伸長率

圖 2  拉伸性能隨著溫度的變化關系

圖 3  不同材料在不同溫度下的斷裂伸長率保留率

可以發現，低煙無鹵材料的力學性能隨著溫度的升高，呈現非常快速的降低趨勢，當溫度達到 70 ℃ 時，拉伸強度僅為 3 MPa 左右，相比常溫下的拉伸強度，保留率不超過 30% ，但是不同產品的拉伸強度及其保留率的差異并不大 ; 同時可以看到，斷裂伸長率的下降幅度都超過 50% ，產品4 在 70 ℃ 下的斷 裂伸長率保留率只有 32. 5% ，產品 1 斷裂伸長率保留率最高，但 70 ℃ 下也只有 47. 2% ; 隨著溫度的進 一步升高，拉伸強度和斷裂伸長率會進一步降低。

這是因為隨著溫度的升高，尤其當接近EVA的熔點時，材料的結晶度會降低，拉伸強度和斷裂伸長 率會降低，在 50 ～70 ℃ 的區間變化時，斷裂伸長率下降尤其顯著。同時高溫下斷裂伸長率的絕對值和保留率，與熱沖擊的測試結果，有比較一致的對應關系。比如產品 4 ，常溫下的力學性能與其他 3 產品沒有太多區別，但是在升高溫度時，斷裂伸長率的下降 幅度更快，斷裂伸長率及其保留率都最低，同時熱沖擊性能 2. 5 kg 不合格，是抗開裂性能表現最差的。

實測在溫度較高、光照較強的地方，黑色電纜的外表溫度可達到或者接近 70 ℃ 。該狀態下的材料力學性能尤其重要，高溫下斷裂伸長率高的材料，抗開裂性能會更為優異。相比于常溫下材料的斷裂伸長率，高溫下(例如 70 ℃ )的斷裂伸長率以及高溫下的斷裂伸長率的降低幅度更能真實地反映電纜護套成品抵抗夏天戶外高溫暴曬的抗開裂性能。

2. 3  護套開裂問題的機理分析

電纜在實際使用過程中的工況和使用環境比較復雜，有高溫和高低溫循環的影響，還有濕度的影響(低煙無鹵在吸濕后力學性能會下降)，有熱氧老化和光老化的影響。這些會疊加起來，使得護套材料使用過程中的內應力情況和力學性能變化更加多變。本文主要考察的是高溫曝曬下和冷熱循環條件下的抗開裂性能的評估方法改進，并依次探討抗開裂機理。

分析如下 : 

1) 電纜在戶外尤其是被陽光照射到的情況下，黑色的護套層的溫度升高，此時分子鏈的活動能力變強，線纜彎曲產生的內應力會加快松弛 ; 但是，根據高溫下力學性能測試結果也可以看到，護套層的力學性能也會變差。當某個時間節點下，力學性能劣化至無法抵抗內應力時，護套出現開裂，反之則保持完整。

2) 當在晝夜溫差較大或者 護套材料溫度劇烈變化 ( 夏天暴曬后下雨，快速降 低護套溫度) 的情況下，材料會因為快速冷卻結晶和收縮產生二次額外內應力，該內應力的產生會對材料的抗開裂性能增加二次考驗。故我司用高低溫循環沖擊來延展現在的熱沖擊測試，通過測試高溫下的材料力學性能來量化材料的抗開裂性能，豐富了護套材料抗開裂性能的考察和評估方法。

當然實際情況還需結合材料的光老化性能和材料的抗吸濕性能，如能把光老化、抗吸濕、高低溫循環、應力集中和內應力試加等因素綜合一起考慮，設計出一個實驗方法，可能也會得到一個更加全面的評價方法。

3. 小結

1) 對不同產品的低煙無鹵材料的抗開裂性能進行評估。測試材料在高溫下的力學性能，發現隨著溫度的升高，拉伸強度和斷裂伸長率都出現明顯的下降，當從室溫升高到 70 ℃ 時，拉伸強度保留率只有 25% 左右，伸長率保留率也只有 30% ～50% 之 間 ; 不同產品力學性能下降程度不同，高溫下斷裂伸長率及其保留率越低的配方，熱沖擊性能也越差，從力學性能層面量化了材料的高溫抗開裂性能，也反映了高 溫開裂機理。

2) 自行設計出有內應力存在的條件下，冷熱循環沖擊的實驗方法，通過實驗發現冷熱循環測試的實驗較高低溫更難通過，相比單純熱沖擊是更為嚴苛的實驗方法。通過此方法可以加嚴對材料抗開裂性能的評估。