額定電壓450/750V及以下聚氯乙烯絕緣電纜電梯電纜和撓性連接用電纜護套老化后抗張強度與斷裂伸長率檢測技術研究

聚氯乙烯（PVC）護套作為額定電壓450/750V及以下電梯電纜和撓性連接用電纜的關鍵組成部分，其力學性能的耐久性直接關系到電纜的使用壽命和安全性。在長期使用過程中，護套材料會受到熱、氧氣、光照等多種環境因素的作用而發生老化，導致其抗張強度和斷裂伸長率下降，進而引發開裂、脆化等失效現象。因此，對護套材料進行人工加速老化后的力學性能檢測，是評估其質量與可靠性的核心環節。

1. 檢測項目：方法與原理

檢測項目主要聚焦于護套材料在經過規定條件的熱空氣老化試驗后，其抗張強度和斷裂伸長率的變化。

• 1.1 熱空氣老化試驗

  • 原理：模擬材料在長期使用環境中受熱和氧作用的老化過程。將試樣置于規定溫度（如電纜標準中常采用的80℃±2℃、100℃±2℃或135℃±2℃）和空氣流速的恒溫老化箱內，持續一段規定的時間（通常為7天 x 24小時 = 168小時）。在此過程中，聚合物分子鏈可能發生斷鏈、交聯或氧化反應，從而導致其力學性能發生不可逆的劣化。

  • 方法：從成品電纜上小心剝離護套，或使用與電纜護套相同配方的混煉膠壓片制成的標準試片，懸掛于老化箱中，確保試樣間有足夠間距以保證空氣流通。老化結束后，取出試樣在標準實驗室環境下（通常為23℃±2℃，50%±10%相對濕度）放置至少16小時，以進行狀態調節。

• 1.2 抗張強度與斷裂伸長率測試

  • 原理：

    • 抗張強度：指試樣在拉伸試驗中，直至斷裂時所承受的大拉伸應力，單位為N/mm²或MPa。它反映了材料抵抗拉伸破壞的能力。

    • 斷裂伸長率：指試樣在拉斷時，標線間的伸長量與原始標距的百分比。它反映了材料的柔韌性和韌性。

  • 方法：

    1. 制樣：將狀態調節后的老化試樣及未經老化的對比試樣，用啞鈴狀裁刀沖裁成標準形狀（如IEC 60811系列標準中規定的啞鈴片）。

    2. 測量：使用厚度計精確測量試樣標距內的小厚度。在試樣平行部分劃出兩條初始標線，間距通常為20mm或25mm。

    3. 測試：將試樣對稱地夾持在電子拉力試驗機的上下夾具中。啟動試驗機，以恒定的夾頭分離速度（對于PVC，通常為250mm/min ± 50mm/min）拉伸試樣，直至斷裂。

    4. 計算：

       • 抗張強度 TS = Fm / (w * t)
         (其中，Fm為大拉力，N；w為試樣狹窄部分平行寬度，mm；t為試樣小厚度，mm)

       • 斷裂伸長率 E = 100% * (L - L0) / L0
         (其中，L為試樣斷裂時標線間的距離，mm；L0為原始標距，mm)

    5. 結果處理：通常取至少5個有效試樣測試結果的中位數作為終結果。計算老化后抗張強度與斷裂伸長率相對于老化前值的變化率（老化變化率%），并與標準要求進行比對。

2. 檢測范圍與應用需求

此項檢測廣泛應用于對電纜柔韌性、耐反復彎曲和耐環境老化有嚴格要求的領域。

• 電梯電纜：電梯隨行電纜在運行中需要頻繁彎曲、扭曲，并可能暴露于電梯井道中可能存在的較高溫度環境。檢測護套老化后的力學性能，可評估其在長期動態使用下是否仍能保持良好的機械保護性能和柔韌性，防止因護套脆化開裂導致內部絕緣損壞。

• 撓性連接用電纜：廣泛應用于工業機器人、自動化設備、機床拖鏈、便攜式電動工具等需要頻繁移動、彎曲的場合。此類電纜護套必須承受極高的彎曲循環次數，老化后若抗張強度保留率不足或斷裂伸長率大幅下降，極易在動態應力下產生裂紋，終導致電纜整體失效。

• 其他柔性設備電纜：如舞臺燈光電纜、礦用移動電纜等，其護套的耐老化與耐機械疲勞性能同樣至關重要。

3. 檢測標準與規范

國內外標準對此類電纜護套的老化后性能均有明確規定。

• 標準：

  • IEC 60227（聚氯乙烯絕緣電纜） 和 IEC 60245（橡皮絕緣電纜） 系列標準中的相關部分，規定了電纜的一般測試要求。

  • IEC 60811-501：電纜和光纜絕緣和護套材料通用試驗方法 - 第501部分：機械性能試驗 - 拉伸強度和斷裂伸長率試驗。

  • IEC 60811-502：電纜和光纜絕緣和護套材料通用試驗方法 - 第502部分：機械性能試驗 - 聚乙烯和聚丙烯化合物專用試驗 - 拉伸強度和斷裂伸長率 after ageing。

  • 針對具體電纜類型，如電梯電纜，需參考 IEC 60245-4 等產品標準中對護套混合料的具體要求（如IE4型護套料）。

• 國內標準：

  • GB/T 5023（額定電壓450/750V及以下聚氯乙烯絕緣電纜） 和 GB/T 5013（額定電壓450/750V及以下橡皮絕緣電纜） 系列標準，等同采用IEC標準。

  • GB/T 2951.11：電纜和光纜絕緣和護套材料通用試驗方法 第11部分：通用試驗方法—厚度和外形尺寸測量—機械性能試驗。

  • GB/T 2951.12：電纜和光纜絕緣和護套材料通用試驗方法 第12部分：通用試驗方法—熱老化試驗方法。

  • 對于電梯電纜，GB/T 5013.5 對電梯電纜用乙丙橡皮絕緣和氯丁橡膠或其他等效合成彈性體護套的性能要求做出了規定，其中包含了護套老化后的性能指標。

• 典型性能要求示例（以PVC護套為例，參考相關標準）：

  • 老化條件：通常為100℃ ± 2℃, 168小時。

  • 抗張強度變化率：|TS變化率| ≤ 25%。

  • 斷裂伸長率變化率：|E變化率| ≤ 25%，且老化后斷裂伸長率小值通常不低于150%。

  • （注：具體限值需根據電纜標準中規定的護套混合料類型嚴格執行。）

4. 檢測儀器與設備

完成整套檢測流程需要以下核心儀器：

• 熱空氣老化箱：

  • 功能：提供持續、穩定、均勻的高溫環境。箱體應配備強制空氣循環系統以確保溫度均勻性（通常要求溫度偏差≤±2℃），精確的溫控系統（精度±1℃），以及必要的超溫保護裝置。老化箱內壁及支架應由耐腐蝕、不易催化材料制成。

• 電子拉力試驗機：

  • 功能：用于進行拉伸試驗。應具備足夠的負荷容量（通常0.5kN至5kN范圍即可滿足），高精度的力值傳感器（精度不低于1級）和位移測量系統。夾具應能有效夾持啞鈴試樣而不產生滑移或過早斷裂。驅動系統應能提供恒定、無沖擊的移動速度，速度可調范圍需涵蓋標準規定速度（如25mm/min至500mm/min）。

• 制樣設備：

  • 啞鈴狀裁刀：用于沖裁標準形狀的試樣，其尺寸精度必須符合相關標準（如IEC 60811-501）的規定。

  • 測厚儀：用于精確測量試樣的小厚度，通常為指針式或數顯式千分尺，分辨率至少0.01mm，精度滿足標準要求。

  • 標線器：用于在試樣上劃出清晰、準確的平行標線。

通過上述系統的檢測方法、嚴格的標準依據和精密的儀器操作，可以科學、準確地評估額定電壓450/750V及以下聚氯乙烯絕緣電梯電纜和撓性連接用電纜護套材料的耐熱老化性能，為電纜產品的質量控制、材料研發與選型提供關鍵的數據支持，確保其在預期使用壽命內的安全可靠運行。