ПВХ-соединения для транспортных кабелей: свойства и стандарты

Транспортные кабели в подвижном составе, моторных отсеках автомобилей и наземном оборудовании аэродромов должны оставаться гибкими и не иметь трещин при температуре до -40°С или -50°С. Стандартный ПВХ становится хрупким при температуре ниже -15°C, поскольку его температура стеклования (Tg) находится выше этого диапазона. В транспортных соединениях Tg снижается за счет:

• Высокая загрузка низкотемпературных пластификаторов — тримеллитатов (ТОТМ) и адипатов сохраняет гибкость при температуре до -55°C в оптимизированных рецептурах.
• Пониженное содержание наполнителя — содержание карбоната кальция поддерживается ниже 20 частей на час, чтобы избежать хрупкости.
• Выбор значения K — ПВХ-смолы со значениями K 58–65 лучше обрабатываются при более низких уровнях пластификатора, сохраняя при этом характеристики гибкости в холодном состоянии.

Стандартным испытанием является испытание на холодный изгиб или холодное растрескивание согласно IЭC 60811-504 (ранее IEC 60811-1-4), при котором кабель наматывается на оправку при номинальной холодной температуре. Транспортные сорта должны выдерживать отсутствие поверхностных трещин при температуре не менее -40°C; рельсы премиум-класса при температуре -50°C.

В закрытых транспортных средах (вагонах поездов, станциях метро, кабинах самолетов, салонах кораблей) распространение пожара и образование токсичного дыма имеют решающее значение для безопасности жизни. У ПВХ есть неотъемлемое преимущество: хлор в его основной цепи во время сгорания выделяет газообразный HCl, который действует как антипирен в паровой фазе. Предельный кислородный индекс (LOI) непластифицированного ПВХ составляет примерно 45, что намного превышает содержание кислорода в воздухе (21%), что означает, что он не поддерживает пламя без внешнего возгорания.

Однако пластификаторы снижают этот показатель LOI, а транспортные марки восстанавливают его за счет:

• Синергист триоксида сурьмы (Sb2O3) — обычно 3–8 частей на час — реагирует с HCl с образованием SbCl3, высокоэффективного парогасящего средства для подавления пламени.
• Гидроксид алюминия (АТГ) или гидроксид магния (МДГ) — эндотермические наполнители, охлаждающие зону горения и выделяющие водяной пар.
• Пластификаторы на основе эфиров фосфорной кислоты — обеспечивают как пластификацию, так и дополнительную огнестойкость в сложных условиях эксплуатации.

Ключевые стандарты: EN 45545-2 (европейские железные дороги), NФ F 16-101 (французские железные дороги), FАR 25.853 (авиационные), Кодекс FTP IMO (морские). Высокоэффективный транспортный состав соответствует уровням опасности R22/R23 согласно EN 45545-2, плотности дыма (Ds max) ниже 300 и выходу CO ниже 0,1 г/г.

Автомобильные и железнодорожные кабели регулярно подвергаются воздействию моторных масел, гидравлических жидкостей, дизельного топлива и трансмиссионных жидкостей. Когда изоляция или оболочка кабеля поглощают эти жидкости, пластификатор извлекается (процесс, называемый миграцией пластификатора), в результате чего соединение затвердевает, трескается и теряет свою защитную функцию. Транспортные соединения решают эту проблему посредством:

• Высокомолекулярные пластификаторы (ТОТМ, полимерные пластификаторы с молекулярной массой более 1000 г/моль) — физически слишком большие, чтобы их можно было экстрагировать углеводородными жидкостями.
• Смешивание NBR (нитрилового каучука) — добавление 5–15% NBR к ПВХ значительно повышает устойчивость к набуханию алифатических и ароматических углеводородов.
• Системы сшитого ПВХ — электронно-лучевая или химическая сшивка создает сетчатую структуру, которая серьезно ограничивает подвижность пластификатора.

Стандартным измерением является испытание погружением в соответствии с ISO 6945 или САЭ Дж1128/J1532 (автомобильная промышленность) с использованием эталонных масел IRM 902 и IRM 903 при температуре 100°C в течение 70 часов. Автомобильные ПВХ-компаунды премиум-класса после такой обработки сохраняют прочность на разрыв более 85% и относительное удлинение более 70%.

ПВХ разлагается при повышенных температурах в результате дегидрохлорирования — цепной реакции, в результате которой выделяется газообразный HCl и образуются сопряженные полиеновые последовательности, которые обесцвечивают материал и ухудшают механические свойства. В транспортных средствах, где кабели прокладываются рядом с двигателями, тормозными системами или мощной электроникой, обычным явлением является устойчивая температура 90–125°C. Термическая стабильность достигается за счет:

• Бессвинцовые системы стабилизаторов Ca/Zn — стеарат кальция и стеарат цинка действуют синергетически, улавливая HCl и предотвращая деградацию цепи; требуется для соответствия RoHS и REACH с 2003–2006 гг.
• Состабилизатор эпоксидированного соевого масла (ESBO) — обеспечивает вторичное удаление HCl и совместимость с пластификаторами.
• Затрудненные феноловые антиоксиданты — защищают соединение при длительном термическом старении.

Испытания на тепловое старение транспортных компаундов: IEC 60811-401 (старение в воздушной печи при номинальной температуре в течение минимум 168 часов; 3000 часов для марок премиум-класса), с обычными требованиями к сохранению прочности на разрыв выше 70 % и сохранению удлинения выше 65 %.

Кабели в жгутах автомобильных двигателей, железнодорожных ходовых частях и судовых машинных отделениях подвергаются постоянным механическим нагрузкам — вибрации, истиранию о металлические края, истиранию от мусора и циклическому изгибу. Прочность ПВХ-смеси в этих целях зависит от:

• Выбор модификатора ударной вязкости — хлорированный полиэтилен (CPE) или метакрилат-бутадиен-стирол (MBS) с плотностью 5–15 частей на час значительно повышает ударопрочность без ущерба для твердости поверхности.
• Прочность на разрыв выше 12 МПа (испытание IEC 60811-501) для марок оболочек; выше 10 МПа для марок изоляции
• Удлинение при разрыве более 200% — позволяет компаунду деформироваться, а не растрескиваться под действием локализованного механического напряжения.
• Испытание на стойкость к истиранию по стандарту ИСО 6722 (автомобильная промышленность) — соединения должны выдерживать царапающее усилие 7 Н при минимум 1000 ударов по поверхности кабеля.