CN103980599B - 一种高压直流电缆用半导电屏蔽材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

<b>本发明涉及一种高压直流电缆用半导电屏蔽材料，它的原料配方包括下列重量份数的组分：基体树脂</b><b>80~92</b><b>份；离子液体修饰石墨烯粉</b><b>4~11</b><b>份；交联剂</b><b>1.5~3</b><b>份；抗氧剂</b><b>0.5-1</b><b>份；润滑剂</b><b>0.3~5</b><b>份。本发明高压直流电缆用半导电屏蔽材料，通过在原料配方中添加</b><b>4~11</b><b>份重量份数的离子液体修饰石墨烯粉，一方面能够有效地导出半导电屏蔽层中的电流，起到均匀电场的作用；另一方面当半导电屏蔽层温度达到熔点附近时能够有效地抑制石墨烯粉的重排，防止半导电屏蔽层由于表面缺陷可能引起严重地电场集中，导致局部放电或绝缘击穿的问题，同时抑制电缆绝缘材料中的空间电荷集聚并且降低其电导率。</b>

Description

一种高压直流电缆用半导电屏蔽材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种半导电屏蔽材料，具体涉及一种用于高压直流电缆的半导电屏蔽材料及其制备方法。
背景技术
随着电力电子技术的发展，大功率可控硅制造技术的进步、价格下降、可靠性提高，换流站可用率的提高等，直流输电技术的日益成熟，直流输电在电力系统中已经得到非常广泛的应用。直流输电相比于交流输电具有输送效率高、线路损失小、投资费用少、长度不受电容电流的限制、能降低主干线与电网间的短路电流、电晕无线电干扰小等优点。
高压直流电缆是直流输电中的关键设备之一，是电力输送的载体及整个电力系统中不可或缺的重要组成部分。高压直流电缆在导体层和绝缘层、绝缘层和外屏蔽层之间必须具有半导电屏蔽层，这是因为半导电屏蔽层能够使电缆内部的电场分布更加均匀，减少应力集中对于电缆绝缘层造成的破坏，提供良好的电缆各结构界面间的光滑连接。半导电屏蔽料的质量对电缆的使用安全及使用寿命起着至关重要的作用，其所用的复合材料（聚烯烃）必须在不同温度下及长期使用过程中保持稳定的较低的水平。为了使复合材料（聚烯烃）具备半导电性质，常规的方法是在复合材料中添加导电炭黑。然而以导电炭黑（CB）为导电填料的聚合物复合材料，当温度达到熔点附近时，CB粒子会在聚合物基体中发生重新排布使得导电网络发生改变，导致复合材料体积电阻率发生变化。而且添加炭黑的复合材料电性能受加工工艺影响非常大，它并不是半导电屏蔽料的最佳导电填料。因此有必要寻找更好的适用于半导电屏蔽料的添加剂，用于制备高压直流电缆用的半导电屏蔽材料。
发明内容
本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种高压直流电缆用半导电屏蔽材料。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高压直流电缆用半导电屏蔽材料，它的原料配方包括下列重量份数的组分：
基体树脂80~92份；
离子液体修饰石墨烯粉4~11份；
交联剂1.5~3份；
抗氧剂0.5-1份；
润滑剂0.3-5份。
优化地，所述离子液体修饰石墨烯粉的结构通式为
或，
上述通式中，n=0~12，X为Cl、Br、I、BF4、PF6或TFSI。
优化地，所述的离子液体修饰石墨烯粉的直径不大于10μm。
优化地，所述的基体树脂为聚乙烯、聚丙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物中的一种。
优化地，所述的交联剂选自过氧化二异丙苯，双叔丁基过氧化二异丙基苯的一种或两种组成的混合物。
优化地，所述的抗氧剂为抗氧剂300或抗氧剂1010。
优化地，所述的润滑剂选自硬脂酸锌、硬脂酸钙、硬脂酸镁的一种或几种组成的混合物。
本发明还提供一种高压直流电缆用半导电屏蔽材料的制备方法，包括以下步骤：
（a）将所述的基体树脂、离子液体修饰石墨烯粉在温度为100~120℃、转速为50~60r/min的条件下混合20~30分钟后形成第一混合物；
（b）将所述的抗氧剂和润滑剂混合后加入所述的第一混合物中，在120~140℃、转速为45~60r/min的条件下混合8~10分钟，随后加入所述的交联剂，在120~130℃、转速为45~60r/min的条件下混合6~10分钟后挤出并剪碎成小颗粒；
（c）将所述的小颗粒置于热压机上，在175~185℃、压力为10~30MPa的条件下热压10~15分钟，冷却后出模成型。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明高压直流电缆用半导电屏蔽材料，通过在原料配方中添加4~11份重量份数的离子液体修饰石墨烯粉，一方面能够有效地导出半导电屏蔽层中的电流，起到均匀电场的作用；另一方面当半导电屏蔽层温度达到熔点附近时能够有效地抑制石墨烯粉的重排，防止半导电屏蔽层由于表面缺陷可能引起严重地电场集中，导致局部放电或绝缘击穿的问题，同时抑制电缆绝缘材料中的空间电荷集聚并且降低其电导率。
具体实施方式
本发明高压直流电缆用半导电屏蔽材料，它的原料配方包括下列重量份数的组分：基体树脂80~92份；离子液体修饰石墨烯粉4~11份；交联剂1.5~3份；抗氧剂0.5-1份；润滑剂0.3-5份。通过在原料配方中添加4~11份重量份数的离子液体修饰石墨烯粉，一方面能够有效地导出半导电屏蔽层中的电流，起到均匀电场的作用；另一方面当半导电屏蔽层温度达到熔点附近时能够有效地抑制石墨烯粉的重排，防止半导电屏蔽层由于表面缺陷可能引起严重地电场集中，导致局部放电或绝缘击穿的问题，同时抑制电缆绝缘材料中的空间电荷集聚并且降低其电导率。
本发明中，所述离子液体修饰石墨烯粉的结构通式优选为
，式中n=0~12，X为Cl、Br、I、BF4、PF6或TFSI。利用咪唑环之间带正电的排斥作用，使石墨烯粉能够均匀分散于基体树脂中。或者结构通式优选为
，式中X为Cl、Br、I、BF4、PF6或TFSI。一方面利用季铵盐带正电的排斥作用，使石墨烯粉能够均匀分散于基体树脂中；另一方面季铵盐为四面体结构，这样的结构也能有效抑制石墨烯粉的重新排布，从而提高半导电屏蔽材料的性能。所述的离子液体修饰石墨烯粉的直径不大于10μm，直径太大影响半导电屏蔽材料的韧性。所述的基体树脂优选为聚乙烯、聚丙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物中的一种。所述的交联剂优选为过氧化二异丙苯、双叔丁基过氧化二异丙基苯或其组成的混合物。所述的抗氧剂优选为抗氧剂300或抗氧剂1010。所述的润滑剂选自硬脂酸锌、硬脂酸钙、硬脂酸镁的一种或几种组成的混合物。
为了制备上述的高压直流电缆用半导电屏蔽材料，包括以下步骤：（a）将所述的基体树脂、离子液体修饰石墨烯粉在温度为100~120℃、转速为50~60r/min的条件下混合20~30分钟后形成第一混合物；（b）将所述的抗氧剂和润滑剂混合后加入所述的第一混合物中，在120~140℃、转速为45~60r/min的条件下混合8~10分钟，随后加入所述的交联剂，在120~130℃、转速为45~60r/min的条件下混合6~10分钟后挤出并剪碎成小颗粒，先加入抗氧剂和润滑剂进行混合，有利于与基体树脂、石墨烯粉的充分混合，接着加入交联剂，使得基体树脂充分交联，具有良好的物理性能；（c）将所述的小颗粒置于热压机上，在175~185℃、压力为10~30MPa的条件下热压10~15分钟，冷却后出模成型。
下面结合实施例对本发明作进一步描述：
实施例1
本例提供一种高压直流电缆用半导电屏蔽材料，它的原料配方包括下列重量份数的组分：
聚乙烯80份；
4份，其中n=12，X为TFSI；
过氧化二异丙苯1.5份；
抗氧剂3000.5份；
硬脂酸锌0.3份。
制备方法包括以下步骤：
（a）将配方量的聚乙烯、离子液体修饰石墨烯粉在温度为100℃、转速为50r/min的条件下混合20分钟后形成第一混合物；
（b）将配方量的抗氧剂300和硬脂酸锌混合后加入所述的第一混合物中，在120℃、转速为45r/min的条件下混合8分钟，随后加入所述的过氧化二异丙苯，在120℃、转速为45r/min的条件下混合6~10分钟后挤出并剪碎成小颗粒；
（c）将小颗粒置于热压机上，在175℃、压力为10MPa的条件下热压10分钟，冷却后出模成型。
实施例2
本例提供一种高压直流电缆用半导电屏蔽材料，它的原料配方包括下列重量份数的组分：
聚丙烯92份；
11份，其中X为PF6；
双叔丁基过氧化二异丙基苯3份；
抗氧剂10101份；
硬脂酸钙5份。
制备方法包括以下步骤：
（a）将上述重量份数的聚丙烯、离子液体修饰石墨烯粉在温度为120℃、转速为60r/min的条件下混合30分钟后形成第一混合物；
（b）将上述重量份数的抗氧剂1010和硬脂酸钙混合后加入所述的第一混合物中，在140℃、转速为60r/min的条件下混合10分钟，随后加入上述重量份数的双叔丁基过氧化二异丙基苯，在130℃、转速为60r/min的条件下混合10分钟后挤出并剪碎成小颗粒；
（c）将所述的小颗粒置于热压机上，在185℃、压力为30MPa的条件下热压15分钟，冷却后出模成型。
实施例3
本例提供一种高压直流电缆用半导电屏蔽材料，它的原料配方包括下列重量份数的组分：
乙烯-醋酸乙烯共聚物90份；
6份，其中n=0，X为BF4；
过氧化二异丙苯2份；
抗氧剂3000.8份；
硬脂酸镁2份。
制备方法包括以下步骤：
（a）将上述重量的乙烯-醋酸乙烯共聚物、离子液体修饰石墨烯粉在温度为110℃、转速为55r/min的条件下混合25分钟后形成第一混合物；
（b）将上述重量的抗氧剂300和硬脂酸镁混合后加入所述的第一混合物中，在125℃、转速为55r/min的条件下混合9分钟，随后加入上述重量的过氧化二异丙苯，在125℃、转速为55r/min的条件下混合8分钟后挤出并剪碎成小颗粒；
（c）将所述的小颗粒置于热压机上，在180、压力为20MPa的条件下热压12分钟，冷却后出模成型。
实施例4
本例提供一种高压直流电缆用半导电屏蔽材料，它的原料配方包括下列重量份数的组分：
聚丙烯90份；
10份，其中X为Cl；
双叔丁基过氧化二异丙基苯3份；
抗氧剂10101份；
硬脂酸钙5份。
制备方法包括以下步骤：
（a）将上述重量份数的聚丙烯、离子液体修饰石墨烯粉在温度为120℃、转速为60r/min的条件下混合30分钟后形成第一混合物；
（b）将上述重量份数的抗氧剂1010和硬脂酸钙混合后加入所述的第一混合物中，在140℃、转速为60r/min的条件下混合10分钟，随后加入上述重量份数的双叔丁基过氧化二异丙基苯，在130℃、转速为60r/min的条件下混合10分钟后挤出并剪碎成小颗粒；
（c）将所述的小颗粒置于热压机上，在185℃、压力为30MPa的条件下热压15分钟，冷却后出模成型。
实施例5
本例提供一种高压直流电缆用半导电屏蔽材料，它的原料配方包括下列重量份数的组分：
乙烯-醋酸乙烯共聚物85份；
8份，其中X为Br；
双叔丁基过氧化二异丙基苯2份；
抗氧剂10100.6份；
硬脂酸钙3份。
制备方法包括以下步骤：
（a）将上述重量份数的乙烯-醋酸乙烯共聚物、离子液体修饰石墨烯粉在温度为115℃、转速为55r/min的条件下混合26分钟后形成第一混合物；
（b）将上述重量份数的抗氧剂1010和硬脂酸钙混合后加入所述的第一混合物中，在135℃、转速为48r/min的条件下混合9分钟，随后加入上述重量份数的双叔丁基过氧化二异丙基苯，在128℃、转速为48r/min的条件下混合8分钟后挤出并剪碎成小颗粒；
（c）将所述的小颗粒置于热压机上，在180℃、压力为15MPa的条件下热压13分钟，冷却后出模成型。
实施例6
本例提供一种高压直流电缆用半导电屏蔽材料，它的原料配方包括下列重量份数的组分：
聚乙烯90份；
10份，其中X为I；
双叔丁基过氧化二异丙基苯3份；
抗氧剂10101份；
硬脂酸钙5份。
制备方法包括以下步骤：
（a）将上述重量份数的聚乙烯、离子液体修饰石墨烯粉在温度为120℃、转速为60r/min的条件下混合30分钟后形成第一混合物；
（b）将上述重量份数的抗氧剂1010和硬脂酸钙混合后加入所述的第一混合物中，在140℃、转速为60r/min的条件下混合10分钟，随后加入上述重量份数的双叔丁基过氧化二异丙基苯，在130℃、转速为60r/min的条件下混合10分钟后挤出并剪碎成小颗粒；
（c）将所述的小颗粒置于热压机上，在185℃、压力为30MPa的条件下热压15分钟，冷却后出模成型。
实施例7
本例提供一种高压直流电缆用半导电屏蔽材料，它的原料配方包括下列重量份数的组分：
聚乙烯80份；
4份，其中n=5，X为I；
过氧化二异丙苯1.5份；
抗氧剂3000.5份；
硬脂酸锌0.3份。
制备方法包括以下步骤：
（a）将配方量的聚乙烯、离子液体修饰石墨烯粉在温度为100℃、转速为50r/min的条件下混合20分钟后形成第一混合物；
（b）将配方量的抗氧剂300和硬脂酸锌混合后加入所述的第一混合物中，在120℃、转速为45r/min的条件下混合8分钟，随后加入所述的过氧化二异丙苯，在120℃、转速为45r/min的条件下混合6~10分钟后挤出并剪碎成小颗粒；
（c）将小颗粒置于热压机上，在175℃、压力为10MPa的条件下热压10分钟，冷却后出模成型。
实施例8
本例提供一种高压直流电缆用半导电屏蔽材料，它的原料配方包括下列重量份数的组分：
乙烯-醋酸乙烯共聚物80份；
4份，其中n=1，X为Br；
过氧化二异丙苯1.5份；
抗氧剂3000.5份；
硬脂酸锌0.3份。
制备方法包括以下步骤：
（a）将配方量的乙烯-醋酸乙烯共聚物、离子液体修饰石墨烯粉在温度为100℃、转速为50r/min的条件下混合20分钟后形成第一混合物；
（b）将配方量的抗氧剂300和硬脂酸锌混合后加入所述的第一混合物中，在120℃、转速为45r/min的条件下混合8分钟，随后加入所述的过氧化二异丙苯，在120℃、转速为45r/min的条件下混合6~10分钟后挤出并剪碎成小颗粒；
（c）将小颗粒置于热压机上，在175℃、压力为10MPa的条件下热压10分钟，冷却后出模成型。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高压直流电缆用半导电屏蔽材料，其特征在于，它的原料配方包括下列重量份数的组分：
基体树脂80~92份；
离子液体修饰石墨烯粉4~11份；
交联剂1.5~3份；
抗氧剂0.5-1份；
润滑剂0.3-5份。
所述离子液体修饰石墨烯粉的结构通式为
或，
上述通式中，n=0~12，X为Cl、Br、I、BF4、PF6或TFSI。
2.根据权利要求1所述的高压直流电缆用半导电屏蔽材料，其特征在于：所述的离子液体修饰石墨烯粉的直径不大于10μm。
3.根据权利要求1所述的高压直流电缆用半导电屏蔽材料，其特征在于：所述的基体树脂为聚乙烯、聚丙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物中的一种。
4.根据权利要求1所述的高压直流电缆用半导电屏蔽材料，其特征在于：所述的交联剂选自过氧化二异丙苯，双叔丁基过氧化二异丙基苯的一种或两种组成的混合物。
5.根据权利要求1所述的高压直流电缆用半导电屏蔽材料，其特征在于：所述的抗氧剂为抗氧剂300或抗氧剂1010。
6.根据权利要求1所述的高压直流电缆用半导电屏蔽材料，其特征在于：所述的润滑剂选自硬脂酸锌、硬脂酸钙、硬脂酸镁的一种或几种组成的混合物。
7.一种权利要求1至6中任一所述高压直流电缆用半导电屏蔽材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（a）将所述的基体树脂、离子液体修饰石墨烯粉在温度为100~120℃、转速为50~60r/min的条件下混合20~30分钟后形成第一混合物；
（b）将所述的抗氧剂和润滑剂混合后加入所述的第一混合物中，在120~140℃、转速为45~60r/min的条件下混合8~10分钟，随后加入所述的交联剂，在120~130℃、转速为45~60r/min的条件下混合6~10分钟后挤出并剪碎成小颗粒；
（c）将所述的小颗粒置于热压机上，在175~185℃、压力为10~30MPa的条件下热压10~15分钟，冷却后出模成型。
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