特殊橡膠電纜護套可以使用各種彈性體，但是，如果考慮關鍵要求，例如耐熱、耐臭氧、耐液體膨脹以及阻燃性能，則彈性體的選擇更少。
在許多領域，阻燃性能還要求使用不含鹵素的材料，以確保煙霧濃度更低、煙霧腐蝕性更小。在此類情況下，可以使用極性乙烯基共聚物，例如VA含量足夠高的乙烯醋酸乙烯共聚物。特殊電纜領域目前使用VA含量為40%至90%的EVM等級產品，因為阻燃要求十分常見。
對于使用帶有EVM共聚物的共聚混合物，適合的候選產品包括EPDM(Keltan)和HNBR氫化丁腈橡膠(Therban)。
結果和討論
石油和天然氣工業電纜護套雖然可以在熱帶和北極氣候條件的陸上和海上的各種不同地方采用不同類型和石油、工作和服務液體開展石油勘探，但是仍然存在一些廣泛認可的重要標準，例如NEK 606(表1)，該標準限制了參照液體的許可膨脹以及使用的鉆探泥漿的膨脹。惡劣的氣候條件和惡劣的服務環境，導致制造適合的電纜材料極具挑戰。
SHF2產生了進一步要求：船舷使用低煙霧零鹵素(LSZH)和阻燃特性熱固化化合物。大多數情況下，如果在冷彎試驗中可以通過-40°C的低溫要求，則能夠確保必要的低溫撓性。其它特性(例如機械強度)將依賴于電纜制造商的要求。有時，必須在寒冷溫度開展這些拉伸試驗，必須達到斷裂伸長率的最低要求。
開展了表2所述的首批兩種系列試驗A和B，以確定VA含量對IRM 903以及礦物油基泥漿Carbosea的膨脹影響。B系列基于A系列優化了VA含量，采用更簡便的抗老化包、使用更高表面面積氫氧化鋁(ATH)以及增加塑化劑含量(DOS癸二酸二辛酯和TOTM 苯六甲酸酯二辛酯)。使用小微粒尺寸填料被認為對有效達到高機械特性十分重要。
水性CaBr2鹽水中的體積膨脹對于所有化合物均不大。
膨脹數據參見圖1，表明IRM 903將預測礦物油基泥漿的體積膨脹結果。顯然，VA含量為70%及以上的EVM等級產品的耐膨脹性能最強。但是，在-40°C開展的冷彎試驗不可接受，因為使用的聚合物的Tg數值太高。因此，在這些試驗中，平衡耐油性能和低溫撓性表明需要選擇VA含量為65%的EVM。酯類塑化劑的數量允許采用10和20百份份數之間的含量對特性作一些調整。這些配方可以維持高機械特性，因為使用了表面面積足夠高的ATH等級產品，對于加固具有作用。
此類化合物可以用于一般石油鉆探基地(例如北海)以及除了北極條件(溫度會降到-40°C以下)的大多數氣候條件。另外，由于使用多種類型的鉆探泥漿，電纜的適合性也要求試驗特定應用領域。對于已經通過礦物油基泥漿的所有試驗和通過冷彎試驗的化合物，觀察到高含量芳香物質(基于柴油)的鉆探泥漿造成的體積膨脹結果大于30%。由于環境考慮因素，預期基于柴油的泥漿可能被淘汰。
任何情況下，當新應用領域必須滿足額外要求(其它液體、更低溫度)時，化合單種聚合物可能不再是一種可行的解決方案，因此，表3所述的下列系列試驗研究了混合EVM和HNBR以提高低溫撓性結果的效應。與EVM相比，HNBR的耐膨脹性能更高。另外，提供具有第三單體的所謂特殊低溫HNBR，它的聚合物Tg數值更低。
C系列試驗組合了Therban LT 2007(一種20% ACN的第三單體HNBR)和50:50混合比率的三種不同的EVM等級產品。
使用IRM 903中的體積膨脹作為耐泥漿的指標時(圖2)，發現20% ACN含量第三單體HNBR需要與60% VA含量的EVM等級產品混合，以便充分耐膨脹。與更早系列相比，所有化合物在-50°C通過冷彎試驗，當混合HNBR時，VA含量為50%和60%的化合物在-55°C通過冷彎試驗。注意，使用含有柴油型油相的等級產品開展泥漿試驗。結果，所有化合物膨脹太多，拉伸強度數值下降太大。再次說明，基于柴油或任何更高芳香族含量液體的泥漿類型正在受到越來越多的限制，因為它們的生物降解速率極低。事實上，為了最大程度降低環境影響，如果意外溢出或處置濕式鑿巖，許多區域只允許使用純脂肪族鉆探泥漿。在此類情況下，表3中的配方8和配方9是一個良好的起點。
這些發現允許優化EVM/HNBR的混合比率，以便平衡成本。將EVM/HNBR的比率從80/20變更到50/50的結果參見表3的D系列。采用60/40的EVM/HNBR比率時，基于IRM 903中的體積膨脹結果的耐液性能充分，但是在-50°C仍然通過冷彎試驗。
也在-50°C開展了混合物的應力與應變試驗(圖3)。顯著的結果表明了EVM相(低于Tg)的影響，但是混合物中的HNBR仍然提供要求的斷裂伸長率數值。通常認為斷裂伸長率數值40%為最低要求。30百份份數的塑化劑劑量在-50°C產生85%的斷裂伸長率數值，拉伸強度微微降低，LOI(極限氧指數)數值為32%。
由于使用酯基泥漿油相，可能產生另一種挑戰。與石蠟油對比，微生物更容易以生物方式降解這些液體。含有芳香族物質的機油部分最難降解。在北極氣候條件下，生物降解溢出的鉆探泥漿更為緩慢，因此，更容易降解的液體將最大程度降低環境影響。在生物敏感區域，例如熱帶淺水區域，也期望使用酯基泥漿。
找到能夠耐受這些酯基泥漿液體的彈性體更為困難，因為帶有酯的極性彈性體(例如EVM或HNBR)的相容性較高。
對于表4中的E系列和F系列，選擇了ACN含量為34%和36%的HNBR共聚物等級產品。結果表明，34% ACN含量的HNBR混合65% VA含量的EVM時，即使混合比率為50% HNBR，雖然機械特性的數值變化符合NEK 606標準，但是在酯基泥漿液體(Biobase 410)中產生的體積膨脹數值也微微較高。注意，使用了純油相而不是泥漿乳液開展試驗，以便形成更惡劣的條件。
雖然這種酯基液體的確切成分未知，但是，假設它是一種粘度更低的液體(20°C 8.73 cSt)，因此，從Flory-Rehner方程可以看出會導致摩爾體積更低，進而趨向于增加膨脹(圖4)。IRM 903中的試驗導致的膨脹極小，因而可以假設耐受礦物油基液體的性能。由于腈含量對于降低液體膨脹具有決定性，因此，在更低百分比的EVM混合了36%腈含量的HNBR化合物(F系列)。在這些混合物中，酯基液體體積膨脹導致結果低于標準上限。
所有化合物在-40°C通過冷彎試驗，大多數化合物在-50°C通過冷彎試驗。由于耐受液體性能卓越以及低溫特性極佳，這些化合物可以廣泛用于涉及酯液體的鉆探。這些化合物耐受膨脹的性能較高，因此可能也會耐受仍然基于柴油型有機相的泥漿液體。
低溫用途通用電纜護套
另一種合適的彈性體混合系統包含EVM和EPDM。EVM組分在非極性服務液體中耐膨脹，但是，合適的EPDM等級產品具有極佳的低溫撓性。由于EPDM是一種非極性碳氫化合物彈性體，因此阻燃度更低、耐膨脹性能更低，因而混合EVM和EPDM是設計平衡特性的電纜化合物的一種具有吸引力的途徑。
為了最大化低溫撓性的優勢，選擇了一種無定形EPDM等級產品。另外，為了便于聚合物混合極低粘度的EVM，必須使用一種更低門尼粘度的EPDM，例如Keltan 2450(乙烯基48%、ENB 4.1%、ML 1+4、125°C 28 MU)。使用此類共聚混合物產生的一種挑戰是對過氧化物的固化響應不同。與EPDM等級產品相比，使用相同數量的過氧化物時， EVM聚合物的交聯程度更小。集成乙烯基含量導致EPDM的固化響應更高，是使用無定形EPDM等級產品的另一種原因。
表5描述了G和H系列中使用的中等填料含量的相對簡單化合物菜單。采用冷卻性能最高的雙輥研磨機進行混合。
G系列的三種化合物中沒有使用塑化劑，因此達到極高拉伸強度數值，但是斷裂伸長率數值太低。在IRM 902參照液體中開展體積膨脹試驗，因為這是一種常用試驗液體，代表了基于礦物油的潤滑油。膨脹之后，達到40%拉伸強度和斷裂伸長率的最大變化，因為SHF2型船舷電纜必須滿足這一要求。
圖5對比了50% VA含量EVM化合物與EPDM化合物，觀察到EVM化合物的耐機油膨脹性能更佳。但是，正如預期一樣，EPDM化合物的所有低溫試驗更佳，例如冷彎、變脆點以及低溫斷裂伸長率更佳。EVM化合物的阻燃指標LOI更佳，超過程度高達12個百分點，因此，為了提高斷裂伸長率數值，H系列中試驗了范圍從15至20百份份數的塑化劑劑量以及改變EVM/EPDM比率的效應。
結果，H系列化合物的拉伸強度數值降低，但是斷裂伸長率數值更高。雖然一些化合物顯示膨脹高達40%，但是，在油溶脹之后的機械特性(圖6)剛好位于極限之內。含有EPDM的所有化合物在-50°C試驗的斷裂伸長率數值(圖7和圖8)高于40%。化合物在-55°C的冷彎合格，沒有出現損壞(圖9)。這些低溫試驗被認為與實驗室開展的成品電纜扭轉試驗相當，海上風力發電機電纜要求開展這種試驗。
特征化共聚混合物
由于這些試驗中使用的聚合物相互均不容易混合，因此，混合物將需要包含一定混合形態的復合物。與深入了解混合形態的熱塑性混合物不同，預期彈性體混合物的主要尺寸位于10μ范圍，未處于亞微米范圍。另外，在差示掃描量熱法(DSC)試驗中，預期各種聚合物的玻璃態溫度也應可以辨識。
對于EPDM/EVM混合物(表5中的化合物27和28)，各種聚合物的Tg數值差異巨大(表6)。
但是，如圖10所示，只找到一個在-66°C的Tg數值，可以分配到從塑化劑向下轉移的EPDM。熔化恒溫的跡線歸因于50% VA的EVM。DSC無法解決50% VA EVM的Tg，因為在填料含量高的化合物中，現有的平斜率變得更平。DMA測量是通過識別最大tan d數值確定玻璃態溫度的另一種方法。采用這種測量方法時，50% VA EVM相在-33°C支配Tg，參見圖11，但是，EPDM在-60°C出現Tg。與DSC中幾乎靜態的Tg相比，DMA總是在更高溫度出現玻璃態轉換。由于這些化合物中兩種聚合物的玻璃態溫度向下轉移，可以假設兩種聚合物已經被DOS塑化。
在HNBR和EVM化合物混合物中，采用DSC和DMA測量技術時，只能觀察到一種玻璃態溫度，無法確定各種聚合物。在此情況下，塑化劑造成EVM部分的膨脹可能會超過HNBR部分，因此很難確定各個Tg數值。
在填充彈性體化合物中，填料的散布對于確保充分加固相當重要。與極易散布的商業炭黑不同，礦物填料(例如ATH或MDH)要求極高的剪切力混合，以散布填料塊料同時破碎較大的填料微粒。為了評估混合質量和聚合物形態，對低溫切割樣品執行了原子力顯微鏡(AFM)測量。
調查樣品中使用的填料是一種ATH等級產品，表面面積為BET 11 m2/g，報告的d50%數值為0.9μ。
在圖13所示的AFM圖像中，填料微粒在相襯圖中呈白色的不規則(硬質)區域。尺寸粗略地反映了原始微粒的尺寸。但是，大部分微粒遠遠低于一微米級。較大的微粒呈現粗糙結構，似乎能夠進一步降低微粒尺寸。相信高剪切力混合會導致ATH的尺寸進一步降低，因此實現進一步加固。化合彈性體中的ATH填料時，觀察到通過密集冷卻保持化合物低溫實現高剪切力混合時，能夠趨向于提高機械特性，即模量和拉伸強度數值。觀察到在密集冷卻的開放式研磨機上混合能夠特別提高特性。如有可能，在填料散布之后，也應添加降低化合物粘度的塑化劑。
曾經嘗試區分不同的聚合物相，但是比較困難，因為這些研究中的彈性體對于AFM來說是軟性材料。在EVM和EPDM為50/50和70/30比率的化合物27和28中，綠色區域被分配到EVM，在EVM/HNBR比率為50/50的化合物19和20中，綠色相被分配到HNBR，因此無法區別明顯相界，因為區域尺寸可能為微米級。另外，塑化劑含量可能影響這種“模糊”性能。
結論
已經制備和特征化兩種阻燃混合橡膠化合物EVM/EPDM和EVM/HNBR。
發現60% VA EVM和低溫HNBR的混合物能夠滿足北極地區石油鉆探和石油生產要求的低溫撓性要求，另外，這些混合物能夠滿足NEK 606的材料要求，從而在存在原油和鉆探泥漿時允許使用這些混合物。
發現包含HNBR(36% ACN)和65% VA EVM的另一種彈性體組合能夠滿足更低溫撓性要求以及能夠耐受具有腐蝕性但是容易生物降解的酯基泥漿，因此，已經確定了更為環境友好的石油鉆探慣例的材料解決方案。需要仔細調整的重要參數是EVM組分的VA含量以及HNBR組分的單體成分。
開發了無定形低Tg EPDM和50% VA EVM混合物，以用于耐油性能中等的極低溫度電纜化合物。這些電纜可用于風力發電機、太陽能板或北極船舷。在所有情況下，使用細微粒尺寸ATH等級產品對于達到充分的機械強度十分重要。
調查了混合物的形態，揭示了ATH的超細微粒尺寸散布，顯示在混合循環期間通過維持低化合物溫度達到高剪切力混合期間，填料微粒的尺寸正在進一步降低。試驗性分配了不同彈性體范圍并假設為微米尺寸。對于EPDM和50% VA EVM混合物，DMA和DSC測量只能確定各種聚合物部分，但是，對于HNBR-EVM混合物，觀察到了單相，因為接近聚合物玻璃態溫度以及存在塑化劑效應。
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