ниже по сравнению с производительностью сигарных машин. Повышение частоты вращения ограничивается большими вращающимися массами, трудностью центровки, статической и динамической балансировки вращающихся масс. Некоторое повышение производительности клетьевых машин достигается путем использования меха»»«ярованной загрузки клетей отдающими катушкя"" проволокой. Перечисленные недостатки клетьевых -"шин не могут быть в полной мере перекрыты их важным преимуществом, как технологическая универсальность, позволяющая скручивать жилы практически для любых типов кабелей и проводов.

Для производства токопроводящих жил больших сечений можно использовать также комбинированную скрутку 7- 19-проволочных заготовок на сигарных машинах с последующим наложением внешнего повива на крутильных машинах клетьевого типа.

Токопроводящие жилы кабелей некоторых типов, например судовых, должны быть герметизированными. В этом случае крутильная машина совмещается с экструдером, с помощью которого и производится наложение герметизирующего состава. Во время скрутки проволок в жилу герметизирующий состав должен заполнить все промежутки между проволоками.

Многопроволочные токопроводящие жилы кабелей с пластмассовой и резиновой изоляцией могут быть уплотненными. Уплотнение многопроволочных токопроводящих жил можно осуществлять с помощью прокатки в валках с заданным профилем (рис. 1.4) или путем обжатия жилы в калибре определенного размера. Уплотнение увеличивает коэффициент заполнения жилы, уменьшает междупроволочное пространство и обеспечивает плавность профиля поверхности жилы. В результате снижаются габариты кабеля и его материалоемкость. При уплотнении токопроводящих жил коэффициент уплотнения, т. е. отношение сечения металла к общему сечению жилы, может достигать 0,96-0,97. Уплотнение может поповивным, частичным или общим. Поповивное уплотнение целесообразно применять для многопроволочных токопроводящих жил, в которых местные неравномерные деформации отдельных элементов не допускаются. В частности, это важно для кабелей с пластмассовой и резиновой изоляцией, применяемых для нестационарной прокладки.

Для кабелей статщонарной прокладки уплотнение жилы достаточно производить только по наружному повиву (общее уплотнение). Основное преимущество такого уплотнения - простота технологической оснастки, так как необходима только одна уплотняющая фильера, устанавливаемая после распределительной розетки и собирающего калибра последнего фонаря или диска крутильной машины. 14

Рис. 1.4. Общий вид уплотняющего устройства для миогопроволочных токопроводящих жил:

/-стойка; 2-фланец; 3 - болт; 4 - планшайба; 5-кассета для первой пары горизонтальных уплотняющих валков; 6-кассета для первой пары вертикальных уплотняющих валков; 7-кассета для второй пары горизонтальных уплотняющих валков; 8 - кассета для второй пары вертикальных уплотняющих валков

Частичное уплотнение является промежуточным вариантом уплотнения многопроволочных жил, при котором отдельные повивы могут быть уплотнены, а отдельные-нет.

Глава вторая ПЛАСТМАССЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В КАБЕЛЬНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

2.1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРУКТУРЕ ПОЛИМЕРОВ

Строение полимеров, характеризуемое химической и физической структурой, предопределяет весь комплекс присущих им свойств, как эксплуатационных, так и технологических. Главная особенность строения полимеров определяется наличием двух различных типов связей: во-первых, химическая связь, объединяющая атомы в молекулы полимера, длина которых несоизмеримо больше поперечных размеров, а во-вторых, силы межмолекулярного взаимодействия. Второй важной особенностью полимеров является то, что практически молекулы полимеров не имеют строго одинакового размера, т. е. у них различная молекулярная масса. Поэтому для характеристики полимера используют понятия как средней молекулярной массы, так и молекулярно-.массового распределения.

Возможность относительно легкого вращения сегментов макромолекул относительно валентных связей главной цепи

и большая длина самой макромолекулы обусловливают большую гибкость цепной молекулы. Поэтому молекулы способны принимать различные конформации, причем гибкость ограничивается не только свойствами самой цепи, но и межмолекулярным взаимодействием. Реализуемые конформации носят флуктуационный характер, т. е. в принципе форма цепной молекулы может постоянно изменяться. С энергетической точки зрения наиболее выгодная форма цепной молекулы - свернутая глобула, что и реализуется в случае, если межмолекулярное взаимодействие существенно слабее внутримолекулярного. Взаимодействие глобул создает определенные упорядоченные надмолекулярные структуры.

В результате действия межмолекулярных сил в полимере могут возникать области, в которых создаются более упорядоченные структуры: молекулы группируются в пачки, которые могут объединяться в ленты, складываться с образованием пластин и в итоге образовывать кристаллические структуры.

Тепловое движение оказывает двоякое действие на процесс кристаллизации: с одной стороны, оно необходимо для формирования упорядоченных структур, а с другой, оно нарушает правильность расположения молекул. При повышении тем пературы с приближением к температуре кристаллизацш динамическое равновесие смещается в сторону снижения кри сталличности и скорости кристаллизации. В то же врем снижение температуры ограничивает подвижность молекул что также ведет к уменьшению скорости кристаллизации Поэтому зависимость скорости кристаллизации от температур проходит через максимум; например, максимум скорости кристаллизации полиэтилена находится при 40-60° С. В реальном кристаллическом полимере обычно всегда присутствует и аморфная фаза, а количественное соотношение фаз характеризуются степенью кристалличности. Плотность кристаллической фазы полимера всегда выше, чем плотность аморфной, например плотность кристаллического полиэтилена составляет 1000 кг/м, а аморфного - 0,920 кг/м Следует отметить, что поскольку процесс перестройки структуры связан с изменением энергетического состояния, то для достижени равновесия требуется определенная длительность, характеризу емая временем релаксации, которое уменьшается с увеличение! температуры.

Аморфные линейные полимеры могут в зависимости о температуры находиться в трех физических состояниях. Пр низких температурах - это стеклообразное состояние, когд возможны только колебательные движения атомов в ucnw При превышении температуры стеклования становится возможным колебательное движение звеньев цепи, такое состояние

называют высокоэластическим. И наконец, при превышении температуры плавления полимер переходит в вязкотекучее состояние, когда может проявиться подвижность всей макромолекулы.

В высокоэластическом состоянии полимер обладает рядом характерных свойств, определяющих поведение полимерной изоляции при эксплуатации кабельных изделий. Главная особенность этого состояния-зависимость деформации и напряжения от времени. При приложении постоянной нагрузки деформация будет развиваться постепенно по закону

еобщ = еупр + етеч + еэлао{1-е~), (2.1)

где Еобщ-общая деформация, наблюдаемая черет время t после приложения нагрузки; ецр-упругая деформация; е„ч-деформация течения (при низких температурах ею обычно пренебрегают); Еэлоо - равновесное значение высокоэластической деформации (достигаемое при /-+оо); х-время релаксации;

т = ТоекТ; здесь Хд - постоянная, AU-энергия активации; R - универсальная газовая постоянная; Т-абсолютная температура.

Анализ формулы показывает, что общая деформация зависит от длительности приложения нагрузки, т. е. от времени релаксации, которое уменьшается с ростом температуры. Реальное поведение полимера усложняется тем, что различные элементы структуры требуют различных энергетических затрат для изменения своего состояния, что приводит к появлению целого спектра времен релаксации. Поэтому в реальных условиях полимер в высокоэластическом состоянии никогда не находится в равновесном состоянии, в нем всегда идут релаксационные процессы изменения напряжений и деформаций. Эта динамическая нестабильность еще более усиливается в результате естественных на практике изменений температуры.

Не рассматривая здесь все особенности поведения полимера в вязкотекучем состоянии, т. е. при температурах выше температуры плавления, отметим лишь, что поскольку при переработке полимера происходит неизбежное относительное перемещение структурных элементов, некоторое распрямление макромолекул и т. п., то переработка всегда сопровождается возникновением высокоэластических деформаций. Это приводит к проявлению всего комплекса релаксационных явлений, в том числе к возникновению «замороженных» внутренних напряжении, изменяющих форму изделия при последующей эксплу-тации; скорость и степень этого изменения возрастают

увеличением температуры. Чтобы лучше понять механизм проявления релаксаций

полимерах, рассмотрим механическую модель сегмента

2 3,25 ,

Рис. 2.1. Механическая модель сегмента полимерной молекулы

полимерной молекулы (рис. 2.1). Она состоит из двух упругих элементов у\ и У2-, деформация которых определяется по закону Гука, и двух элементов, в которых поршень перемещается в вязкой жидкости, причем это перемещение необратимо и подчиняется закону Стокса. Поведение модели под воздействием силы ¥ можно легко описать математически, но даже качественное рассмотрение позволяет сделать интересные выводы.

Во-первых, при низких температурах, когда вязкость велика, в первый момент после приложения силы F элементы 5j и деформироваться не будут и общая деформация определяется только упругостью элемента у. С течением времени под воздействием силы F поршни в элементах By и будут перемещаться со скоростью, зависящей от вязкости, т. е. от температуры. Элементы и соединены параллельно и деформируются совместно, при этом элемент будет постепенно нагружаться силой F{t), стремящейся к F. Если же в какой-то момент времени /j прекратить действие силы F, то размер элемента у мгновенно вернется к исходному размеру, элементы В и В окажутся необратимо вытянутыми, при этом элемент у- окажет на элемент Sj сжимающее действие с силой f Напряжение, создаваемое этой силой, и называют «замороженным» внутренним напряжением. Под его воздействием будет происходить постепенное сжатие элемента 5j и уменьшение внутренних напряжений, т. е. релаксация напряжения. Если температура достаточно низкая, то высокая вязкость элемента fij приводит к тому, что сокращение размеров происходит очень медленно. Наоборот, подъем температуры приводит к резкому сокраще-Ш1ю времени релаксации и ускорению наступления равновесного состояния. Рассмотренное на модели сокращение размеровШ имитирует усадку полимерной изоляции в реальных условиях." С помощью описанной модели может быть рассмотрен! широкий круг явлений, протекающих в полимерах при воз-. действии механических нагрузок. .

Проведенный краткий обзор современных представление о структуре полимеров даже в малой степени не может" претендовать на анализ основных достижений относительнс молодой области науки - физикохимии полимеров. Более под робно с ними можно ознакомиться по специальным изданиям [5, 6]. В настоящем параграфе мы стремились показатб чрезвычайно важное значение структуры полимеров, которая с одной стороны, в значительной степени предопределяет

условия и режимы переработки, а с другой, формируется и изменяется В зависимости от условий переработки полимера. От условий переработки зависят степень неравновесности структуры, наличие и значение внутренних напряжений, наличие пустот в изоляции и др. Со структурой полимерной изоляции связаны такие явления, как растрескивание, усадка, деформация и др.

Следует также отметить, что при переработке возможно протекание химических реакций, изменяющих строение самих макромолекул. Это, прежде всего, различные процессы деструкции, связанные с воздействием на молекулу тепла, механических усилий, кислорода и т. п. и приводящие либо к отрыву боковых ответвлений, либо к разрывам в основной цепи. Образующиеся макрорадикалы могут вступать в различные реакции, в результате чего возникают новые продукты. При образовании поперечных химических связей между макромолекулами говорят о сшивании полимера. Таким образом, при переработке могут происходить не только физические, но и химические превращения полимера.

2.2. КОМПОЗИЦИИ НА ОСНОВЕ ПОЛИЭТИЛЕНА

Благодаря комплексу ценных качеств полиэтилен сразу же после своего появления в конце 30-х - начале 40-х годов нашел применение в кабельной технике, и с тех пор выпуск кабелей с его применением постоянно возрастает. Структура и свойства полиэтилена определяются способом его получения, причем к настоящему времени промышленное использование нашли несколько способов, отличающихся применяемыми катализаторами, аппаратурным оформлением и режимами полимеризации, прежде всего давлением и температурой, Полиэтилен высокого давления, получаемый в автоклавах или в реакторах трубчатого типа, синтезируют при давлении порядка 130-250 МПа и температуре 180-300° С. Полиэтилен низкого давления получают при давлении порядка 1 МПа и температуре 70-80° С. Применение нашел также способ полимеризации при среднем давлении. В последние годы все шире используется способ полимеризации в газовой фазе, с помощью которого можно получать полимеры с широким спектром свойств, в том числе так называемый линейный полиэтилен низкой плотности (ЛПЭНП).

Особенность свойств ЛПЭНП обусловлена строением его молекулярной цепи (рис. 2.2). По сравнению с полиэтиленом низкой плотности (ПЭИП) он обладает примерно в 1,5 раза оолее высокой прочностью и модулем упругости при растяжении; стойкость к истиранию у него также в 1,5 раза вь1ше, а tg8 существенно ниже. Немаловажным достоинством