通信用电缆和光缆护层用聚乙烯材料专用试验方法研究.pdf

版权声明 本 研究报告 版权属于中国通信标准化协会，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本 研究报告 文字或者观点的，应注明“来源：中国通信标准化协会”。违反上述声明者，本协会将追究其相关法律责任。 II 研 究 报 告 要 点 护层是保证通信光电缆长期使用的关键部件，光电缆的长期可靠依赖于优质的护层材料。聚乙烯（ PE）是最常用的光电缆护套层材料之一，具有 诸多 优点。然而，目前我国光电缆使用的 PE 原料质量参差不齐， 也存在某些添加再生料的问题， 光电缆生产企业和最终光电缆使用单位 对此十分关心。本研究对国内光电缆护套用 PE 材料现行标准体系进行了梳理。在研究中使用了多种方法对 PE 原材料和成品光缆护套料的多种指标和长期性能进行了试验，通过结果 比较和统计 分析 得到了一些 PE 原材料技术指标和性能之间的联系，并 给出了一些指标建议。研究通过试验给出了几种 有助于鉴别再生 PE 材料的方法。此外，报告中还比较了 LLDPE、 MDPE、 HDPE 的优缺点，并介绍了区分不同种类 PE 材料的方法 。基于以上研究， 报告提出了多项与光电缆护套用 PE 料有关的标准化建议。 （ 传 送网与接入网技术工作委员会 线缆工作组 ） 研究单位：中国信息通信研究院、烽火科技集团有限公司、 成都泰瑞通信设备检测有限公司、 成都康宁光缆有限公司、北京邮电大学、中国电信集团公司、中国移动通信集团设计院有限公司、中讯邮电咨询设计院有限公司、江苏中博通信有限公司、长飞光纤光缆股份有限公司 项目负责人： 刘泰 项目参加人： 李婷婷、陈黎明、宋志佗、刘骋、 吕捷、 沈勇、 李春生、 洪眉、唐红炬、 贺永涛、 韩超、 张彬 、陈宁虎、王志中、段建彬、张鹤 完成日期： 2016 年 7 月 15 日 III 目 录 1 研究背景 . 1 2 主要内容 . 1 3 现行标准体系 . 1 4 聚乙烯护套样品的试验研究和标准化建议 . 3 5 再生 PE 护套料的区别方法 . 13 6 LLDPE、 MDPE、 HDPE 的区分和标准化建议 . 17 附 录 A （资料性附录） ASTM D1248-12 中对主要 PE 材料性能的规定 . 20 附 录 B （资料性附录） 碳黑吸收系数试样的制作方法 . 21 参考文献 . 23 1 通信用电缆和光缆护层用聚乙烯材料专用试验方法研究 1 研究背景 护层是保证通信光电缆长期使用的关键部件，光电缆的长期可靠依赖于优质的护层材料。聚乙烯（ PE）是最常用的光电缆护套层材料之一，具有耐腐蚀、电绝缘性优良、机械 物理 性能好等优点。 在光电缆护套用 PE材料生产的过程中，需要对 PE进行混炼，掺入一定比例的碳黑、抗氧剂等，以保证 PE材料满足光电缆的使用需求。 然而，目前我国 市面上的 的 PE料质量参差不齐， 使用一些低质量 PE料 生产出的光电缆产品 的 护套性能无法满足要求 ， 或者存在长期可靠性方面的风险。此外，据称一些原材料供应商为降低成本在制造 PE料时使用了一定比例的再生塑料，这些护套料有的无法满足质量要求， 或者可能 存在潜在的质量问题，给光电缆生产企业和最终光电缆使用单位带来很大的困扰。同时，用作光缆电缆护套的 PE材料通常分为线性低密度聚乙烯（ LLDPE）、中密度聚乙烯（ MDPE）和高密度聚乙烯（ HDPE），如何选用和分辨这三种 PE材料也是光电缆生产企业和最终 用 户关注的问题。 2 主要内容 为保障通信光缆的质量和长期寿命，有效地验证护层材 料的质量，便于光电缆生产企业和 光电缆 最终 用 户 选用护套材料，本项目对通信用电缆和光缆护层用 PE材料的试验方法进行研究和讨论，并给出一些标准化建议。首先，本项目通过一些试验方法对收集到的光缆原材料样品和成品光缆护套样品的性能进行了试验，结合试验结果和国内目前采用的护套标准体系，给出一些标准化建议；然后，本项目给出一些对分辨光缆护套材料是否再生材料有帮助的试验方法；最后，本项目对如何鉴别和选用 PE护套料给出建议。 3 现行标准体系 3.1 概述 国内 标准体系对光缆用 PE护套料的要求主要体现在三类标准或规范中： 1）原材料标准 ：主要包括 GB/T 15065-2009电线电缆用黑色聚乙烯塑料和 YD/T 1485-2006光缆用中密度聚乙烯护套料，主要涉及聚乙烯原料的性能指标，通常由护套料生产企业和光缆生产企业使用，作为护套材料的出厂和来料检测依据； 2）光缆产品标准：如 YD/T 901层绞式通信用室外光缆等，主要涉及光缆成品的护套性能，作为光缆生产企业的出厂检测、行业性产品认证检测和社会监督检查检测的依据； 3）运营商标准或规范：如中国移动、中国电信、中国联通等运营商的企业标准或采购技术规范等，主要涉及光缆成品的护套性能，作为光缆招标选型、到货验收、现场抽检的检测依据。 3.2 原材料标准 2 GB/T 15065-2009为国家推荐性标准，主要由塑料生产企业、电力行业企业起草，内容包括 LLDPE、MDPE和 HDPE等。 YD/T 1485-2006为邮电通信行业推荐性标准，主要由光缆生产企业起草，主要内容为 MDPE。二者的内容有重叠，主要原因是 GB/T 15065-2009的前一版 GB 15065-1994中不包含对 MDPE的规定， YD/T 1485-2006的制定补充了这一空白，而在 GB/T 15065新版修订的时候加入 了 对 MDPE的要求。 表 1中列出了 GB/T 15065-2009中规定的护套料物理 力学 性能及电气性能要求，与该标准的 1994版本相比， 2009版 中 加入了对 MDPE的规定 以及 空气烘箱老化后 力学 性能的要求，删除了碳黑吸收系数要求，保留了显微镜法作为碳黑分散度的试验方法，修改了一些其 它 指标和方法。表 1中也列出了 YD/T 1485-2006中对 MDPE的性能要求，通过对比可见：两标准大部分指标要求一致，部分指标 YD/T 1485-2006要求高于 GB/T 15065-2009， 而 耐环境应力开裂指标 YD/T 1485-2006中要求 相对 较低。 相应项目 对应的美国 ASTM D1248-12线缆用聚乙烯挤出材料标准规范 要求 见 附录 A。 表 1 现行 标准中 护套 材料 的物理 力学 性能及电气性能要求 项 目 性能要求 GB/T 15065-2009 YD/T 1485-2006 LLDPE MDPE HDPE MDPE 熔体流动质量速率（ g/10min） 2.0 1.5 密度（ g/cm3） 0.940 0.940 0.955 0.955 0.978 0.940 0.960 拉伸强度（ MPa） 14.0 17.0 20.0 19 断裂拉伸应变 600% 600% 650% 600% 低温冲击脆化温度 -76，通过 -76，通过 耐环境应力开裂（ h） 500 96 200氧化诱导期（ min） 30 30 碳黑含量 (2.60 0.25)% (2.60 0.25)% 碳黑分散度 3 级 6 分 碳黑吸收系数 400 维卡软化点（） 110 110 老化后拉伸强度（ MPa） 13.0 16.0 20.0 老化后断裂拉伸应变 500% 500% 650% 低温断裂伸长率 175% 介电强度（ kV/mm） 25 25 体积电阻率（ m） 1 1014 1 1014 介电常数 r 2.80 2.80 2.80 2.80 介质损耗因素 tan 0.005 0.005 与 GB/T 15065-2009 同年发布的 YD/T 901-2009 中规定：“护套中黑色聚乙烯套的材料应采用线性低密度、中密度或高密度聚乙烯护套料。它们应分别符合 GB 15065 或 YD/T 1485 中规定”。而由于目前两标准的规定并非完全一致，给标准的使用带来了一定困扰。 建议在修订 YD/T 901 等光缆标准时明确护套料参照的标准，并在 中国通信标准化 协会组织讨论 YD/T 1485 是否保留 ， 如果保留 明确 下一步的 修订方向。 3 3.3 光缆产品标准 目前使用的光缆产品标准中也包含对成品光缆护套性能的要求。以使用最广的 YD/T 901-2009层绞式通信用室外光缆为例，其中对成品光缆聚乙烯护套性能的要求及相应指标在 GB/T 15065-2009中的要求见表 2。在比较指标的时候需要注意，在进行 力学 性能试验时， GB/T 15065-2009使用的哑铃片试样与 YD/T 901-2009取自成品护套的哑铃片试样尺寸不同，前者更大。而且， GB/T 15065-2009中要求的空气烘箱老化温度对于 MDPE和 HDPE为 110，而 YD/T 901中为 100，老化 时间相同（ 240h）。通过比较可见， YD/T 901关注 材料 反映 在最终成品光缆护套上的性能指标， 还 包括与护套生产过程有关的热收缩率，由于 加工过程 可能会对聚合物性能造成影响，指标要求相对地低于原材料的要求。 加工过程对 材料的影响有待研究。 表 2 现行标准 聚乙烯护套的 性能 要求及相应指标 项 目 性能要求 YD/T 901-2009 GB/T 15065-2009 LLDPE MDPE HDPE LLDPE MDPE HDPE 抗拉强度（ MPa） 10.0 12.0 16.0 14.0 17.0 20.0 断裂伸长率 350% 600% 600% 650% 老化后机械 性能 老化条件 （ 100 2） ， 240h （ 100 2） ， 240h （ 110 2） ， 240h 老化后抗拉强度（ MPa） 13.0 16.0 20.0 抗拉强度变化率 20% 20% 25% 老化后 断裂伸长率 300% 500% 500% 650% 断裂伸长率 变化率 20% 热收缩率 5% 耐环境应力开裂 50 ,96h 50 ,500h 3.4 运营商标准或规范 中国移动、中国电信、中国联通等通信运营商是我国通信光缆的主要使用者，运营商的企业标准或规范代表了最终用户对产品性能的要求，也是实际在市场上 使 用面最广的要求和规范。运营商在产品招标选型、到货验收、抽检等过程中进行的检测均采用这些标准或规范进行质量控制。 运营商的标准或规范通常包含对成品光缆护套性能的要求，技术指标通常参照光缆产品标准中的护套性能要求，具体要求一般更为严格。部分运营商在光缆产品标准的基础上引入了原材料标准中的部分技术指标，以加强质量控制。 4 聚乙烯护套样品的试验研究和标准化建议 4.1 样品描述 收集到的样品分为两类： 1） PE护套原材料 4 从市场上选取的不同原材料供应商供应的原材料，信息如下： 三种标称为 PE新料的护套料，编号为： V1（国产）， V2（进口）， V3（国产）； 四种标称为加入了再生料的 PE护套料，编号为： R1， R2， R3， R4，分别收集了两个批次； 各取两个批次，分别 编号 为 Rx-1， Rx-2。 2）成品光缆护套 从市场上收集到的 24个光缆样品，覆盖多个生产企业和光缆种类，取最外层护套进行试验。 4.2 试验方法 采用了一系列方法对样品的 老化前 性能进行试验，具体方法及参照的标准 见 表 3。 表 3 老化前 性能试验项目及试验方法 试验项目 样 品 试验方法 200氧化诱导期（ OIT） 原材料、成品光缆护套 GB/T 2951.42-2008 耐环境应力开裂（ ESCR） 原材料 GB/T 2951.41-2008 熔体质量流动速率 原材料 GB/T 3682-2000 条件 D 碳黑含量 原材料、成品光缆护套 GB/T 2951.41-2008 TGA 法 无机填料含量 原材料、成品光缆护套 GB/T 2951.41-2008 TGA 法 碳黑吸收系数 原材料、成品光缆护套 ASTM D3349 抗张强度 原材料、成品光缆护套 GB/T 2951.11-2008 断裂伸长率 原材料、成品光缆护套 GB/T 2951.11-2008 为考察长期抗老化性能，抽取了部分样品进行了老化试验，试验条件如下： 样品置于空气烘箱中，烘箱温度为 100 ，老化时间分别为 5 天、 10 天、 20 天； 样品置于水浴中，水浴温度为 85 ，老化时间分别为 10 天、 20 天； 样品置于 UV老化箱中老化，老化条件按 ASTM D1248、 ASTM G154执行 。试验条件为 每个循环 24h，UVA-340紫外灯 （ 340nm处 辐射量为 0.70 0.05W/m2/nm）照射 20h(黑板温度 70 )， 后无辐射 4h（黑板温度 55 ），样品为哑铃试样片 。 4.3 老化前试验结果 原材料试验结果 见 表 4，成品光缆护套试验结果 见 表 5。 表 4 原材料 样品 试验结果 汇总 原材料样品编号 OIT （ min） ESCR （ h） 熔体流动速率（ g/min） 碳黑含量 无机填料含量 碳黑吸收系数 抗张强度（ MPa） 断裂伸长率 V1 87 500 0.36 2.16% 1.21% 374 27.3 790% V2 37 500 0.75 2.55% 0.22% 433 33.4 810% V3 40 500 0.85 2.43% 0.12% 461 35.6 580% R1-1 107 500 0.50 2.04% 2.88% 400 21.2 630% R1-2 53 1.13 2.12% 2.32% 423 19.6 580% R2-1 47 500 1.02 2.91% 1.62% 406 19.8 710% R2-2 105 0.69 2.67% 1.61% 462 23.2 570% R3-1 69 500 1.11 2.99% 2.09% 486 19.0 730% R3-2 58 0.96 3.04% 2.01% 542 22.4 600% 5 R4-1 31 500 2.84 4.50% 3.94% 476 9.85 270% R4-2 41 2.47 4.21% 4.40% 392 15.2 480% 从 表 4 的 数据可以看到，光缆原材料样品的性能均表现出较大的差异性，其中一些样品表现出较差的性能。再生料 R4 表现出较差的机械物理性能和较高的熔体质量流动速率，碳黑含量也严重偏离指标。较高的熔体质量流动速率会导致材料在挤出加工过程中，护套层尺寸的稳定性会较差。 新料的机械物理性能普遍较好，无机物含量较低。掺有再生料的材料拉伸强度和断裂伸长率虽然多数能满足标准要求，但相对新料来说强度较低，无机物含量则普遍较高，同时 部分 再生 料 的 批次之间也有差异性。新料和掺有再生料的材料均有碳黑含量偏离标准要求的情况。 表 5 成品光缆护套样品试验结果汇总 原材料 样品编号 OIT （ min） 碳黑含量 无机填料含量 碳黑吸收系数 抗张强度（ MPa） 断裂伸长率 1 34 2.45% 2.67% 471 14.7 530% 2 26 2.24% 1.25% 397 18.9 655% 3 17 2.32% 1.08% 495 21.5 690% 4 93 2.38% 0.00% 447 24.4 640% 5 51 2.49% 2.99% 444 17.3 650% 6 31 2.30% 1.29% 448 17.4 655% 7 55 1.79% 1.12% 376 20.3 710% 8 36 2.72% 1.39% 462 20.2 730% 9 0 0.50% 2.25% 197 14.8 725% 10 12 1.30% 4.75% 354 18.3 650% 11 53 1.38% 3.64% 302 14.8 550% 12 90 2.38% 0.00% 471 26.4 725% 13 39 2.91% 2.19% 495 15.7 550% 14 51 2.26% 0.00% 408 28.0 810% 15 31 2.39% 0.34% 457 31.6 825% 16 25 2.26% 1.16% 417 18.2 625% 17 3 2.40% 2.25% 459 19.2 660% 18 38 2.81% 1.25% 483 21.8 720% 19 48 2.87% 3.45% 530 21.2 615% 20 49 2.88% 1.68% 514 23.6 725% 21 0 0.89% 3.00% 222 16.2 720% 22 94 2.58% 0.00% 430 25.7 685% 23 39 2.77% 1.49% 531 21.0 675% 24 100 2.30% 0.62% 372 25.9 740% 由表 5中光缆成品护套样品的试验结果可见，光缆成品护套的性能差异较大，其中一些样品表现出较差的性能。 24个样品中，有 5个样品碳黑含量小于 2.00%， 5个的样品的氧化诱导期低于 20min。无机填料含量的差异较大， 37.5%的样品无机填料含量高于 2.00%， 21%的样品无机填料含量低于 0.50%。另外，所有护套样品的老化前机械物理性能均满足 YD/T 901中对护套材料机械物理性能的要求。 4.4 老化试验结果 6 4.4.1 老化后机械物理 性能 原材料样品的 100 空气烘箱老化后断裂伸长率变化情况见图 1， 85 浸水老化后断裂伸长率变化情况见图 2。由图可见，空气烘箱老化和浸水老化大多表现出相似的结果和变化趋势。新料在老化后断裂伸长率仍变化不大，加入再生料 的 R1、 R2、 R3在老化后性能也比较稳定或略有下降。而 R4的性能在老化后明显下降，不适合作为光缆护套材料使用。 图 1 原材料样品 100 空气 烘箱 老化后断裂伸长率 变化情况 图 2 原材料 85水老化后断裂伸长率变化情况 图 3 原材料样品紫外老化后的断裂伸长率变化情况 01002003004005006007008009000 11 21 0 11 21 0 10 20 0 11 21 0 11 21 0 11 21 0 11 21V1 V2 V3 R1-1 R2-1 R3-1 R4-1断裂伸长率(%) 老化时间 (d) 01002003004005006007008009000 11 21 0 11 21 0 10 20 0 11 21 0 11 21 0 11 21 0 11 21V1 V2 V3 R1-1 R2-1 R3-1 R4-1断裂伸长率(%) 老化时间 (d) 0%20%40%60%80%100%120%0 50 100 150 200断裂伸长率UVA 老化时间 (d) V1V2R1-1R2-1R3-1R4-1