CN102812521B - 用于直流动力电缆的绝缘材料组合物及使用其的直流动力电缆 - Google Patents

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Abstract

提供用于DC动力电缆的绝缘材料组合物，其基于每100重量份交联的低密度聚乙烯类树脂包含0.5至5重量份的表面改性的纳米尺寸的立方体氧化镁。具有由本发明的绝缘材料组合物制成的绝缘体的DC动力电缆具有增加的体积电阻率和优良的空间电荷抑制效果。

Description

用于直流动力电缆的绝缘材料组合物及使用其的直流动力电缆
技术领域
本发明涉及用于直流(DC)动力电缆的绝缘材料组合物。由本发明的绝缘材料组合物形成的绝缘体可用于适于作为海底电缆的高压DC输电线等的DC动力电缆。
背景技术
<相关申请的交叉参考>
本申请要求于2010年4月2日在韩国提交的韩国专利申请10-2010-0030232的优先权，在此将其全部内容通过参考引入。
如图1a和1b所示，目前国家使用的动力电缆包括：导体1，内部半导体层2，绝缘体3，外部半导体层4，铅护套5和聚乙烯(PE)护套6。
聚乙烯和交联聚乙烯已被广泛用作动力电缆的绝缘体3。然而，在将具有由聚乙烯或交联聚乙烯制成的绝缘体的动力电缆用作高压输电线的情况下，产生许多问题。最严重的问题是当将高压DC施加至电缆时，由于电荷从电极向绝缘体的运动和交联副产物的影响，容易产生空间电荷。另外，如果此空间电荷通过施加至动力电缆上的高压DC而在聚乙烯绝缘体上积累，那么在导体附近动力电缆的电场强度增加，导致电线的击穿电压降低。
为解决此问题，已提出使用氧化镁形成绝缘体的方案。氧化镁基本上具有面心立方(FCC)晶体结构，但其根据合成方法可以具有各种形状、纯度、结晶度和性质。如图2a至2e所示，氧化镁具有立方体、平台、棒状、多孔和球形形状，并且各形状都可以基于特定性质而使用。具体地，如日本专利2541034和3430875所建议的，使用球形氧化镁来抑制动力电缆的空间电荷。如上所述，已经进行了研究，以抑制具有由聚乙烯或交联聚乙烯制成的绝缘体的动力电缆中的空间电荷。
发明内容
技术问题
因此，本发明的一个目的是提供用于DC动力电缆的绝缘材料组合物，其具有优良的空间电荷抑制效果。
技术方案
为实现此目的，本发明的用于DC动力电缆的绝缘材料组合物基于每100重量份交联的低密度聚乙烯基础树脂包含0.5至5重量份的表面改性的纳米尺寸的立方体氧化镁。
本发明的有益效果
具有使用本发明的绝缘材料组合物形成的绝缘体的DC动力电缆具有增加的体积电阻率和优良的空间电荷抑制效果。
附图说明
附图示出了本发明的优选实施方案，并与发明的详细说明一起提供对本发明精神的进一步理解，相应地，不应将本发明限定性地解释为图中示出的内容。
图1a为DC动力电缆的横截面图。
图1b为示出DC动力电缆的结构的图。
图2a为立方体氧化镁的扫描电子显微镜(SEM)图。
图2b为平台氧化镁的SEM图。
图2c为棒状氧化镁的SEM图。
图2d为多孔氧化镁的TEM(TEM)图。
图2e为球形氧化镁的SEM图。
图3a为本发明的绝缘体的聚焦离子束(FIB)-SEM图。
图3b为图3a的放大图，示出包括于绝缘体中的立方体氧化镁颗粒的粒径。
图3c为本发明的绝缘体的TEM图。
具体实施方式
以下，将详细描述本发明。
本发明的绝缘材料组合物基于每100重量份交联的低密度聚乙烯基础树脂包含0.5至5重量份的表面改性的纳米尺寸的立方体氧化镁。
另外，根据另一目的，本发明还可以包含0.1至3重量份的过氧化二异丙苯交联剂，和0.1至2重量份的选自抗氧化剂和离子清除剂的至少一种添加剂。
优选地，将氧化镁用乙烯基硅烷、硬脂酸、油酸、氨基聚硅氧烷等进行表面改性。通常，氧化镁是亲水性的(即，具有高表面能)，而聚乙烯基础树脂是疏水性的(即，具有低表面能)，因此氧化镁在聚乙烯基础树脂中的分散低且电学性能被恶化。为解决此问题，优选将氧化镁进行表面改性。
没有氧化镁的表面改性，则会在氧化镁和聚乙烯基础树脂间产生间隙，其导致降低机械性能和诸如击穿强度的电学性能。
另一方面，用乙烯基硅烷对氧化镁进行表面改性可获得在聚乙烯基础树脂中的良好分散并改善电学性能。乙烯基硅烷的可水解基团通过缩合反应键合至氧化镁表面，从而将氧化镁表面改性。接着，表面改性的氧化镁的硅烷基团与聚乙烯基础树脂反应，确保良好的分散。
优选地，氧化镁的纯度为99.9％至100％，平均粒径为500nm以下，氧化镁可以具有单晶和多晶结构。
另外，优选以0.5至5重量份的量包括表面改性的纳米尺寸的立方体氧化镁。在表面改性的纳米尺寸的立方体氧化镁的含量低于0.5重量份的情况下，其具有空间电荷抑制效果，但显示相对低的DC击穿强度。在表面改性的纳米尺寸的立方体氧化镁的含量超过5重量份的情况下，会降低机械性能和连续可挤压性。
本发明的抗氧化剂可以使用选自胺类、二烷基酯类、硫酯类和苯酚类抗氧化剂中的至少一种。
本发明的离子清除剂可以使用芳香类硅烷，且可获得空间电荷抑制效果。
使用本发明的用于动力电缆的绝缘材料组合物形成的绝缘体可用于制造DC动力电缆。
实施例
以下，将通过实施例详细描述本发明。然而，此处提出的描述仅仅为说明性目的的优选实施例，不意欲限制本发明的范围，因此，应理解，提供实施例是为了向本领域技术人员更明确地说明。
根据下表1的组成制备实施例和对比例的绝缘材料组合物，从而发现用于DC动力电缆的绝缘材料组合物性能随氧化镁的形状和粒径的变化。表1中的含量的单位为重量份。
表1
[表1的成分]
-基础树脂：交联的低密度聚乙烯树脂(LG Chem.，LE2030；密度：0.85～0.95kg/m3，熔融指数(MI)：1～2)
-氧化镁：用乙烯基硅烷进行表面改性的粉末状氧化镁。为了提高分散性，进行辊混合碾磨使得D99(最大粒径)不超过D50(平均粒径)的三倍。
-交联剂：过氧化二异丙苯
-抗氧化剂：四-(亚甲基-(3，5-二-(叔)-丁基-4-氢化肉桂酸酯))甲烷
性质测量和评价
使用实施例1至3和对比例1至3的绝缘材料组合物制备母料化合物，并使用螺杆直径为25mm(L/D＝60)的双螺杆挤出机挤出。所得本发明的绝缘体的FIB-SEM图示于图3a，图3b为图3a的放大图，显示包含于绝缘体中的立方体氧化镁。另外，本发明的绝缘体的TEM图示于图3c中。
将实施例1至3和对比例1至3的绝缘体热压以制备0.1mm厚的片段用于测量体积电阻率和DC击穿强度，并制备1mm厚的片型片段用于测量脉冲强度，测量这些片段的体积电阻率、DC击穿强度(ASTM D149)和脉冲强度，测量结果示于下表2中。测量条件简要描述如下。
1)体积电阻率
当施加80kV/mm的DC电场时，测量体积电阻率(×1014Ω·cm)。
2)DC击穿强度
在90℃测量击穿强度(kV)。
3)脉冲强度
将1mm厚的片型片段连接至电极，从50kV以5kV增加电压直至片段损坏，并测量脉冲强度。
表2
  项目  实施例1  实施例2  实施例3   对比例1  对比例2  对比例3
  体积电阻率(×1014Ω·cm)  10  8  8   4  5  6
  DC击穿强度(kV/mm)  125  115  110   55  80  95
  脉冲强度(kV/mm)  110  105  100   120  60  80
如表2所示，实施例1至3的片段显示比对比例1(无氧化镁)、对比例2(具有平台氧化镁)和对比例3(具有球形氧化镁)相对高的体积电阻率和DC击穿强度。即，本发明的使用立方体氧化镁的实施例1至3的片段具有优良的电绝缘性质。
另外，当与对比例1(无氧化镁)相比时，实施例1至3的片段的脉冲强度几乎不降低。即，尽管本发明的片段使用了表面改性的氧化镁(其为无机添加剂)以显示优良的电绝缘性质，但它们显示与无任何无机添加剂(如氧化镁)的对比例1的脉冲强度相似水平的脉冲强度。
在实施例1至3的片段中，具有最小平均粒径的实施例1的片段在体积电阻率、DC击穿强度和脉冲强度方面尤其具有优良的效果。
从以上结果可以看出，由用于DC动力电缆的绝缘材料组合物制成的绝缘体和由其制成的动力电缆在体积电阻率、DC击穿强度和脉冲强度方面具有优良的效果，原因如下：首先，使用立方体氧化镁以抑制空间电荷。第二，氧化镁被表面改性，使得表面改性的氧化镁的表面能与聚乙烯基础树脂的表面能类似，诱导表面改性的氧化镁和聚乙烯基础树脂间的化学键合以确保最佳分散。第三，绝缘材料组合物的成分以适当的含量混合。
以上，详细描述了本发明的优选实施方案。应理解，本说明书和所附的权利要求书中使用的术语不应被解释为限于一般的和字典中的意思，而应基于对应于本发明的技术角度的意思和概念来理解，所基于的原则是允许发明人为了最好的解释来适当地定义这些术语。

Claims (4)

1.用于直流动力电缆的绝缘材料组合物，所述组合物基于每100重量份交联的低密度聚乙烯基础树脂包含：
0.5至5重量份的表面改性的纳米尺寸的立方体氧化镁；
0.1至3重量份的过氧化二异丙苯交联剂；和
0.1至2重量份的选自抗氧化剂和离子清除剂的至少一种添加剂。
2.如权利要求1所述的用于直流动力电缆的绝缘材料组合物，
其中所述表面改性的纳米尺寸的立方体氧化镁的纯度为99.9％以上，且氧化镁的平均粒径为500nm以下。
3.如权利要求1所述的用于直流动力电缆的绝缘材料组合物，其中所述氧化镁为单晶或多晶。
4.直流动力电缆，其包含绝缘体，所述绝缘体使用权利要求1中定义的用于直流动力电缆的绝缘材料组合物制成。
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