电动汽车充电系统用电缆用于电动汽车与电源的充电连接， 是电动汽车传导系统的关键设备之一，该类产品性能的优劣对电动汽车的安全可靠运行将产生直接的影响。一直以来，电动汽车的安全性就是行业内关注的焦点，其安全性受到高度关注。电动汽车充电电缆在保证优良的绝缘性能基础上，还应当具有较高的耐老化性和耐热性，同时还需具备良好的低烟阻燃的性能，以降低在事故中可能发生的伤害和损失。
一般来说，电动汽车充电电缆有两种使用模式：一是放置于汽车上，随着汽车在不同环境下使用；另一个则是被安置在公路、商场、停车场等公共场所。无论是哪种，充电电缆都可能受到日光、风化、油污、潮湿等不利条件的影响，且使用过程中很可能经常受到弯曲、拖拉，这都不可避免地造成电缆的刮擦、磨损、压碾等损伤。这些都必然对电缆的柔性、曲挠性和机械性有更高的要求。
热塑性弹性体(TPE)的迅速发展很好的解决了橡胶加工工艺复杂和通用塑料性能较差的问题。热塑性弹性体兼具塑料和橡胶两者的优点。既不需要硫化交联，又可用通用塑料的加工成型(如挤出、吹塑、注射等)方式来加工性能在室温下具有传统橡胶的弹性，在室温条件下显示橡胶的弹性， 高温条件下又能塑化成型且废旧热塑弹性体可再次回收利用。热塑性弹性体的兴起与快速发展，提供了一种解决材料价格、加工和性能方面矛盾的新途径，是复合材料发展领域的代表。近几年针对充电桩线缆用的热塑性弹性体材料中，占主导地位的材料主要包括聚苯醚/SEBS 体系热塑性弹性体(PPO-SEBS-TPE)和聚氯乙烯体系热塑性弹性体(PVC-TPE)。国内相关企业主要集中研究开发PPO-SEBS-TPE 材料，该材料的主要优点是阻燃性好、无卤环保。
但根据业内客户反馈信息，PPO-SEBS-TPE 体系材料存在难以克服撕裂强度低、耐油性差、表面不耐刮等缺陷，对于充电桩电缆，这些缺陷是致命，采用这类材料制备的充电桩电缆使用一年多就开始出现开裂现象，存在很大的安全隐患，可以说体系决定了PPO-SEBS-TPE 材料很难满足充电桩电缆的要求。有文献报到采用高能电子束表面辐照可增强其撕裂和耐刮强度，但该生产工艺更复杂、成本较高。PVC-TPE 材料虽然含卤素，但其综合性能远远优于PPO-SEBS-TPE 材料，能够满足充电桩电缆的要求， 国外多年广泛应用证明该材料具有很高的可靠性，同时其成本方面也具有较大的优势。PVC 耐磨、断裂伸长率大、抗油、电绝缘性优异、阻燃，是世界上最早的工程塑料品种之一，其产量仅次于聚乙烯(PE)并且原材料价格低廉，然而PVC 韧性差、低温易脆， 耐热及耐老化性能差，必须通过改性才能满足充电桩电缆的要求。
目前市场应用于充电桩电缆的PVC-TPE 材料只有进口产品， 几乎占领了整个充电桩电缆用弹性体材料市场，且价格昂贵。为了填补充电桩电缆用PVC-TPE 材料的国内空白，打破国外公司的垄断，开发高性能充电桩电缆用聚氯乙烯类热塑性弹性体材料具有重要的意义。
1 实验
1.1 试验与仪器
聚氯乙烯(DP-1700，DP-2100，DP-2500)、邻苯二甲酸癸酯、钙锌复合稳定剂、三氧化二锑、改性碳酸钙、ACR 加工助剂，由东 莞市瑞瑜化 工有限公司 提供。乙烯 - 醋 酸乙烯 酯(EVM-500HV/EVM-700X)，由德国朗盛公司生产。
高速混合机(SHR-10A 型)，张家港市震雄塑料机械厂。
双阶挤出造粒机生产线(SZS25(40D)-SFDH 65(10D))，东莞三优机械有限公司。
邵氏硬度计(GS-709N)，日本TECLOCK。ASTM D2240 测试，试样厚度6 mm，压紧15 s 后读数，测3 个点后取平均值。
熔体流动速率测定仪(JJ-797)，东莞金钜仪器有限公司。熔体流动速率按照ASTM D1238 测试，在205 ℃，5 kg 条件下测试。极限氧指数测定仪(XZT-100A 型)承德建德检测仪器有限公司。极限氧指数测试按ASTM D2863 标准进行，极限氧指数是指在氧气、氮气的混合气体中，试样维持平衡燃烧所需的最低氧浓度体积分数，以氧气在混合气体中所占的百分数来表示。
微机控制电子万能试验机(CMT4204 型)，美特斯工业系统(中国)有限公司。拉伸性能按ASTM 412 测试，尺寸为150 mm×20 mm×2.0 mm，拉伸速率 200 mm/min。裤型撕裂强度按 ASTM D624测试，试样尺寸为150 mm×20 mm×2 mm，拉伸速率200 mm/min。
低温脆性仪(MZ-4068)江苏明珠试验仪器有限公司。测量温度范围-60~室温。低温冲击性能按照ASTM D746 测试，试样尺寸为30 mm×5 mm×2 mm，冲击速度：2 m/s。
1.1 实验过程
1.1.1 聚氯乙烯干混料的制备过程
图 1 聚氯乙烯干混料制备工艺路线
在(100 ℃)电加热保温条件下，向高速混合机腔体内依次加入聚氯乙烯、邻苯二甲酸癸酯、钙锌复合稳定剂、三氧化二锑、改性碳酸钙、ACR 加工助剂至混合物料呈蓬松不粘连状态后，放出物料至低温(20 ℃)低速混合机内冷却至低于30 ℃后，留存待用。
1.1.1 双阶机熔融挤出制备改性PVC 粒子将聚氯乙烯(100 份)干混料与10 份EVM 橡胶混合后，转移至双螺杆加料斗内。在设定温度和转速条件下，干混料经过加热、熔融塑化后从双螺杆中挤出，立即进入单螺杆机内进行熔体挤压。具有塑性的高温熔体经单螺杆传送至模头孔道被压制成熔融条挤出，经空气冷却瞬间成型，并受到切粒刀片切割成粒，进入冷却风斗中充分冷却后，收集待用。
表 1 双螺杆和单螺杆挤出机工艺参数
1.1.1 注塑工艺
将双阶机制备的PVC 改性粒子加入到注塑机加料斗内，粒子经过传送、加热、熔融、高压喷射入冷模具流道后成型即得测试样板。采用特定尺寸刀具裁切成型后的测试样板，得到一定数量的哑铃样条、裤型撕裂样条和低温冲击样条，收集待用。
2 结果与讨论
2.1 聚氯乙烯分子量对材料机械性能的影响
图2 拉伸强度和断裂生长率与PVC 聚合度之间的关系
从图2 拉伸强度和断裂伸长率与PVC 聚合度之间的关系中可以看出，随着PVC 聚合增加，拉伸强度和断裂伸长率逐渐增大。聚氯乙烯聚合度从1600 增加到2500 后，复合弹性体材料拉伸强度从9.85 MPa 逐渐增加到14.84 MPa，断裂生产率从205 %逐渐增加到293.44 %。这主要是因为随着聚氯乙烯分子量逐渐增大，聚氯乙烯分子链之间分子作用力和立体构造规整度获得提高，聚合物分子链缠结更紧密，在外力作用下更难被破坏，表现出逐渐升高的强度和模量。为达到较高拉伸强度的目标，所选PVC 树脂聚合度应大于2000。
1.1 PVC 聚合度对对材料熔融指数的影响
图3 熔融指数随PVC 聚合度变化趋势
从图3 熔融指数随PVC 聚合度变化趋势中可以看出，随着PVC 聚合度的升高，熔融指数下降，加工流动性变差。这主要是因为随着PVC 聚合度的升高，聚合物分子链间的分子间作用力更大、分子链缠结更加紧密，在一定温度下受热引起聚合物链热运动剧烈程度有所降低，即宏观上表现出更低的熔融指数，加工流动性能变差。另一方面，虽然聚合度升高不利于分子链受热运动而引起加工流动性能下降，但是这在另一方面说明聚合度较高的PVC 在较高温度下，热老化稳定性能将获得改善。考虑聚合度对加工流动性和热老化性能的影响，选取聚合度为2200 左右的PVC 树脂粉为最佳。
1.1 增塑剂添加量对材料硬度的影响
增塑剂是将一种物质或材料加入到另一种材料中以增加材料的柔韧性、可加工性或者延展性。增塑剂可能会降低熔体粘度，降低材料次级转变温度或者降低产品的弹性模量。增塑剂的用量、种类对硬度有重大影响，增塑剂的种类也决定着增塑剂的增塑效率。
图4 增塑剂加入量对硬度的影响趋势
从图4 增塑剂加入量对硬度的影响趋势中可以看出，随着增塑剂添加份数逐渐增加，复合弹性体材料的邵氏硬度逐渐下降。增塑剂添加份数从85 份增加到95份时，邵氏硬度值从76A 下降到68A。这种是因为增塑剂在高速混合过程中，机械能大量转变为热量并引起温度升高，增塑剂分子迅速扩散进入聚合物中，减弱了聚合物分子之间的作用力。因此增塑剂分子充当隔离屏，降低聚合物分子之间的作用力并阻止形成硬的网络结构，降低了PVC 的玻璃化转变温度，并使聚合物分子链移动更迅速，从而提高弹性、韧性和延展性。凝胶理论认为被增塑的聚合物既不是固体也不是液体，而是一种中间状态的物质，由弱的次级键作用形成三维尺寸网络结构，松散地连接在一起。这些在增塑剂和聚合物之间产生作用的键合力，若施加外应力，很容易被克服，使增塑聚合物具有弹性、伸展性或压缩性。
1.1 材料的低温脆断性能研究
聚合的断裂，特别是PVC 的断裂，高度依赖于试样的几何形状、温度以及载荷的模式和速率。聚合物的粘弹性使得载荷速率成为其不同于金属材料的一个关键变量。聚合物在低载荷速率作用下表现得更柔韧，而在高载荷速率作用下表现为脆性行为。材料在破坏区域或其附近要经历一系列复杂的过程，包括分子链的变形、原纤的拔出、分子水平的断裂、内部产生新界面、牵引和流动及局部生热。研究PVC 复合弹性体低温脆断行为，对于观察其在低温条件下的断裂行为及评价其低温冲击作用下的有效性和可靠性具有重要意义。
表2 聚合度对PVC-EVM 复合弹性体低温韧性的影响
备注：样条长×宽×厚(mm)为40×6×2；冲头冲击速度：2 m/s。测试标准：ASTM D746，线缆低温脆性指标为＜-42 ℃。温度设定在-57 ℃±0.5 ℃。试验时间为 180 s。
从表2 聚合度对PVC 复合弹性体低温韧性的影响中可以看出，所有EVM 改性PVC 配方体系均能满足(＜-42 ℃)的脆化要求。对比聚合度为1700 的聚氯乙烯和2200 可知，聚合度更高的聚氯乙烯低温脆断性能较低聚合度要好，脆性温度低至-57 ℃。
聚合度对材料低温性能的影响主要是依赖于分子间缠绕和分子间作用力，当聚合度更高时，聚合物链分子间作用力更大、缠绕更紧密，受到冲击时，吸收相同能力后依然能保持不断裂。另一个方面，增韧改性后的复合弹性体材料冲击断裂机理和前者所不同。增韧后的PVC 复合弹性体材料主要有两种断裂机理：银纹化机理和剪切屈服机理。添加了类橡胶粒子如EVM 橡胶粒子(通常远小于1 微米)能引发并且更大程度地提高剪切屈服，离子周围较高的应力降低了聚合物局部的屈服应力，使其发生剪切流动。同时，大量粒子在更多的区域引发能量吸收作用，使得橡胶改性材料的宏观屈服应力低于未改性材料。
1 结论
本研究项目围绕充电桩线缆用高性能弹性体，提出了一种利用采用乙烯-醋酸乙烯酯弹性体材料(EVM)制备耐低温冲击的PVC-EVM 复合弹性体材料。本项目以高速-低速混合机、双螺杆- 单螺杆双阶造粒机组和注塑机为主要加工设备，考察不同聚合度的聚氯乙烯对PVC-EVM 体系的机械性能、邵氏硬度、熔融指数及低温抗冲击性能的影响行为。以100 份聚合度为2200 的PVC、添加10 份EVM 增韧改性剂并配合适量的稳定剂、增塑剂、加工助剂、填料等组分，制备了耐-58 ℃低温冲击的复合弹性体材料， 该材料可应用于耐低温型充电桩线缆护套料。
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