CN105037943A - 可回收的热塑性高压直流电缆纳米复合绝缘材料的制备方法 - Google Patents

可回收的热塑性高压直流电缆纳米复合绝缘材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可回收的热塑性高压直流电缆纳米复合绝缘材料的制备方法，属于输电设备技术领域。该方法包括：将等规聚丙烯、聚烯烃弹性体、经表面处理的氧化镁纳米颗粒、抗氧剂、阻燃剂和加工助剂在180～200℃，转速40～60r/min下混炼10～15分钟制得可回收的热塑性高压直流电缆纳米复合绝缘材料。本发明提出的可回收的热塑性高压直流电缆纳米复合绝缘材料以等规聚丙烯与聚烯烃弹性体的共混物为基础，通过加入聚烯烃弹性体有效改善材料的机械性能，通过加入经表面处理的氧化镁纳米颗粒很好地抑制空间电荷积聚。通过该方法制备的绝缘材料能够耐受高的工作场强和工作温度，有效抑制材料内部空间电荷积聚，并且在达到设计寿命后能够回收利用，不对环境造成破坏。

Description

可回收的热塑性高压直流电缆纳米复合绝缘材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种可回收的热塑性高压直流电缆纳米复合绝缘材料的制备方法，属于输电设备技术领域。
背景技术
直流输电技术相对于交流输电技术具有很多优势，能够节省大量土地资源、无系统安全问题、无大范围连锁故障风险。因此直流输电技术将在远距离、大容量、以及分布式能源输电方面被广泛采用，直流输电技术也是未来减小电网的环境影响、提高电网可靠性的有效途径。目前电力能源输送主要有两种途径：架空输电线路和电缆线路，其中电缆线路有着节省线路走廊，电磁环境影响小，不易受外界环境干扰的优点。而挤出型塑料电力电缆由于价格低廉、加工方便、介电性能和机械性能好，被广泛应用于输配电工程中。
目前广泛使用的挤出型交联聚乙烯绝缘电缆工作温度一般为70℃，难以适应高工作温度和高耐受电场强度的要求。同时交联聚乙烯是一种热固性材料，在使用寿命到期后无法回收再利用并且难以降解，会造成大量的环境污染。交联聚乙烯电缆在加工过程中也会产生有毒的副产物，所必须进行的交联和脱气工艺会消耗大量能量。
因此为了进一步提高直流电缆绝缘材料的工作温度和耐受电场强度，提高电缆绝缘材料的环境友好性，需要开发出一种非交联的热塑性绝缘材料。众所周知，空间电荷积聚对直流电缆绝缘材料的长期运行性能有着巨大的影响。空间电荷的积聚会造成严重的电场畸变，使得绝缘材料内的最高电场强度远远高于实际外加的电场强度，从而造成介质的击穿和破坏。因此直流电缆绝缘材料的开发必须考虑到空间电荷的积聚问题，抑制空间电荷积聚的产生以提高其长期运行性能。聚丙烯作为一种热塑性材料，非常容易在使用后回收再利用，并且具有很好的电气性能，是一种良好的绝缘材料基体。但是聚丙烯的机械性能稍有欠缺，低温下容易发生脆断，同时在直流电压作用下容易产生空间电荷积聚。本发明希望基于聚丙烯作为绝缘材料基体，通过改善其机械性能和空间电荷积聚特性，开发出一种可回收的热塑性高压直流电缆绝缘材料。
发明内容
本发明的目的是为克服现有的交联聚乙烯直流电缆的不足，提出一种可回收的热塑性高压直流电缆纳米复合绝缘材料的制备方法，采用聚烯烃弹性体改善聚丙烯的机械性能和热性能，采用经表面处理的氧化镁纳米颗粒抑制空间电荷积聚，制备出一种具有良好的热性能、机械性能和电气性能的热塑性纳米复合绝缘材料，以适合大容量高压直流电缆的应用要求。
本发明提出的可回收的热塑性高压直流电缆纳米复合绝缘材料的制备方法，该方法包括如下步骤：
(1)将2.5份氧化镁纳米颗粒和5份γ-氨丙基三乙氧基硅烷加入到100份甲苯溶液中，然后油浴加热至120℃，搅拌反应12小时并冷凝回流，得到一种悬浊液；
(2)将上述悬浊液放入离心机中以6000转/分钟的转速离心6分钟，得到沉淀物，将该沉淀物在真空干燥箱中80℃下干燥24小时，得到经表面处理的氧化镁纳米颗粒；
(3)将等规聚丙烯、聚烯烃弹性体、步骤(2)中得到的经表面处理的氧化镁纳米颗粒、抗氧剂、阻燃剂和加工助剂相互混合得到一种混合物，各组分的质量分数分别为：
(4)将上述混合物在密炼机中熔融共混，加工温度为180～200℃，转速为40～60r/min，混炼10～15分钟，得到可回收的热塑性高压直流电缆纳米复合绝缘材料。
其中所述的等规聚丙烯的密度为0.90～0.94g/cm3，熔体流动速率为1.7～3.1g/10min，等规度大于97％。
所述的氧化镁纳米颗粒的粒径为30～50nm。
所述的聚烯烃弹性体为乙烯-辛烯共聚物，其中辛烯含量为20～30％，密度为0.85～0.88g/cm3。
所述的抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂2246或者抗氧剂264。
所述的阻燃剂为氢氧化镁、低水硼酸锌、氢氧化铝或三氧化二锑。
所述的加工助剂为润滑剂硬脂酸甘油酯。
本发明提出的可回收的热塑性高压直流电缆纳米复合绝缘材料的制备方法，其优点是：
利用本发明制备的可回收的热塑性高压直流电缆纳米复合绝缘材料，在制备过程中添加了聚烯烃弹性体，因此提高了聚丙烯的机械性能和热性能，常温下具有很好的柔性，高温下具有很好的机械完整性。添加了经表面处理的氧化镁纳米颗粒，提高了材料的空间电荷抑制能力，从而提高了耐受电场强度。本发明方法中使用的等规聚丙烯和聚烯烃弹性体的共混物，没有经过交联处理，因此在使用后可以继续回收再利用，有利于保护环境。利用本发明方法制备的可回收的热塑性高压直流电缆纳米复合绝缘材料可以在高达100℃下正常工作，同时具有很好的电气性能，可以显著提高直流电缆的工作温度和输送容量。
本发明方法制备的可回收的热塑性高压直流电缆纳米复合绝缘材料，主要应用在电能输送和分配中，但是并不局限于此。在传输信号的电缆中也可以采用这种电缆，同样能够在电缆达到设计寿命时回收再利用以减少对环境的影响。
附图说明
图1是-40kV/mm下材料的空间电荷分布图，其中(a)为纯聚丙烯的空间电荷分布图，(b)为本发明方法制备的可回收的热塑性高压直流电缆纳米复合绝缘材料的空间电荷分布图。
具体实施方式
本发明提出的可回收的热塑性高压直流电缆纳米复合绝缘材料的制备方法，该方法如下：
(1)将2.5份氧化镁纳米颗粒和5份γ-氨丙基三乙氧基硅烷加入到100份甲苯溶液中，然后油浴加热至120℃，搅拌反应12小时并冷凝回流，得到一种悬浊液；
(2)将上述悬浊液放入离心机中以6000转/分钟的转速离心6分钟，得到沉淀物，将该沉淀物在真空干燥箱中80℃下干燥24小时，得到经表面处理的氧化镁纳米颗粒；
(3)将等规聚丙烯、聚烯烃弹性体、步骤(2)中得到的经表面处理的氧化镁纳米颗粒、抗氧剂、阻燃剂和加工助剂相互混合得到一种混合物，各组分的质量分数分别为：
(4)将上述混合物在密炼机中熔融共混，加工温度为180～200℃，转速为40～60r/min，混炼10～15分钟，得到可回收的热塑性高压直流电缆纳米复合绝缘材料。
其中所述的等规聚丙烯的密度为0.90～0.94g/cm3，熔体流动速率为1.7～3.1g/10min，等规度大于97％。所述的氧化镁纳米颗粒的粒径为30～50nm。所述的聚烯烃弹性体为乙烯-辛烯共聚物，其中辛烯含量为20～30％，密度为0.85～0.88g/cm3。所述的抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂2246或者抗氧剂264。所述的阻燃剂为氢氧化镁、低水硼酸锌、氢氧化铝或三氧化二锑。所述的加工助剂为润滑剂硬脂酸甘油酯。
本发明将通过下面的具体实施例对技术方案进行更加详细的说明，但是本发明并不局限于以下提出的实施案例。
以下介绍本发明方法的实施例
实施例一：
(1)将5克氧化镁纳米颗粒和10克份γ-氨丙基三乙氧基硅烷加入到200克甲苯溶液中，然后油浴加热至120℃，搅拌反应12小时并冷凝回流，得到一种悬浊液；
(2)将上述该悬浊液放入离心机中以6000转/分钟的转速离心6分钟，得到沉淀物后将该沉淀物在真空干燥箱中80℃下干燥24小时，得到经表面处理的氧化镁纳米颗粒；
(3)将40克的等规聚丙烯，10克的聚烯烃弹性体POE，1.5克直径为40纳米的经表面处理的氧化镁纳米颗粒，0.25克抗氧剂1010，1克阻燃剂氢氧化镁和0.25克加工助剂硬脂酸甘油酯相互混合，得到一种混合物；
(4)将上述混合物在密炼机中熔融共混，加工温度为200℃，转速为60r/min，混炼10分钟，得到一种可回收的热塑性高压直流电缆纳米复合绝缘材料。其空间电荷性能见图1(b)。
本发明上述实施实例所得到的可回收的热塑性高压直流电缆纳米复合绝缘材料，该材料可以在100℃下正常工作，说明其热性能和机械性能得到了很大的改善。同时从图1(b)可以看出，该材料具有很好的空间电荷抑制能力。从综合性能来看，该材料满足可回收高压直流电缆绝缘的各项要求，制备过程中不需要交联，是一种可回收的热塑性材料。
实施例二：
(1)将5克氧化镁纳米颗粒和10克份γ-氨丙基三乙氧基硅烷加入到200克甲苯溶液中，然后油浴加热至120℃，搅拌反应12小时并冷凝回流，得到一种悬浊液；
(2)将上述该悬浊液放入离心机中以6000转/分钟的转速离心6分钟，得到沉淀物后将该沉淀物在真空干燥箱中80℃下干燥24小时，得到经表面处理的氧化镁纳米颗粒；
(3)将30克的等规聚丙烯，20克的聚烯烃弹性体POE，0.5克直径为30纳米的经表面处理的氧化镁纳米颗粒，0.25克抗氧剂2246，2克阻燃剂低水硼酸锌和0.5克加工助剂硬脂酸甘油酯相互混合，得到一种混合物；
(4)将上述混合物在密炼机中熔融共混，加工温度为190℃，转速为40r/min，混炼15分钟，得到一种可回收的热塑性高压直流电缆纳米复合绝缘材料。
实施例三：
(1)将5克氧化镁纳米颗粒和10克份γ-氨丙基三乙氧基硅烷加入到200克甲苯溶液中，然后油浴加热至120℃，搅拌反应12小时并冷凝回流，得到一种悬浊液；
(2)将上述该悬浊液放入离心机中以6000转/分钟的转速离心6分钟，得到沉淀物后将该沉淀物在真空干燥箱中80℃下干燥24小时，得到经表面处理的氧化镁纳米颗粒；
(3)将30克的等规聚丙烯，10克的聚烯烃弹性体POE，1克直径为50纳米的经表面处理的氧化镁纳米颗粒，0.5克抗氧剂110，2.5克阻燃剂氢氧化铝和0.5克加工助剂硬脂酸甘油酯相互混合，得到一种混合物；
(4)将上述混合物在密炼机中熔融共混，加工温度为200℃，转速为50r/min，混炼12分钟，得到一种可回收的热塑性高压直流电缆纳米复合绝缘材料。
实施例四：
(1)将5克氧化镁纳米颗粒和10克份γ-氨丙基三乙氧基硅烷加入到200克甲苯溶液中，然后油浴加热至120℃，搅拌反应12小时并冷凝回流，得到一种悬浊液；
(2)将上述该悬浊液放入离心机中以6000转/分钟的转速离心6分钟，得到沉淀物后将该沉淀物在真空干燥箱中80℃下干燥24小时，得到经表面处理的氧化镁纳米颗粒；
(3)将40克的等规聚丙烯，20克的聚烯烃弹性体POE，1克直径为45纳米的经表面处理的氧化镁纳米颗粒，0.25克抗氧剂110，1.5克阻燃剂三氧化二锑和0.25克加工助剂硬脂酸甘油酯相互混合，得到一种混合物；
(4)将上述混合物在密炼机中熔融共混，加工温度为200℃，转速为60r/min，混炼10分钟，得到一种可回收的热塑性高压直流电缆纳米复合绝缘材料。
以上实施例中的样品采用模压法制样，首先将样品预热7分钟，然后在200℃，20MPa的压强下热压10分钟，从而压制出厚度为300um的薄膜，进行空间电荷测量。
实施例一得到的可回收的热塑性高压直流电缆纳米复合绝缘材料。其中，图1(a)为纯聚丙烯的空间电荷分布图，图1(b)为可回收的热塑性高压直流电缆纳米复合绝缘材料的空间电荷分布图。图1中，横坐标为电缆料压制的薄膜的厚度，纵坐标为薄膜中该位置的空间电荷密度。

Claims (7)

1.一种可回收的热塑性高压直流电缆纳米复合绝缘材料的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)将2.5份氧化镁纳米颗粒和5份γ-氨丙基三乙氧基硅烷加入到100份甲苯溶液中，然后油浴加热至120℃，搅拌反应12小时并冷凝回流，得到一种悬浊液；
(2)将上述悬浊液放入离心机中以6000转/分钟的转速离心6分钟，得到沉淀物，将该沉淀物在真空干燥箱中80℃下干燥24小时，得到经表面处理的氧化镁纳米颗粒；
(3)将等规聚丙烯、聚烯烃弹性体、步骤(2)中得到的经表面处理的氧化镁纳米颗粒、抗氧剂、阻燃剂和加工助剂相互混合得到一种混合物，各组分的质量分数分别为：
(4)将上述混合物在密炼机中熔融共混，加工温度为180～200℃，转速为40～60r/min，混炼10～15分钟，得到可回收的热塑性高压直流电缆纳米复合绝缘材料。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，其中所述的等规聚丙烯的密度为0.90～0.94g/cm3，等规聚丙烯的熔体流动速率为1.7～3.1g/10min，等规度大于97％。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，其中所述的经表面处理的氧化镁纳米颗粒的粒径为30～50nm。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，其中所述的聚烯烃弹性体为乙烯-辛烯共聚物，其中辛烯含量为20～30％，密度为0.85～0.88g/cm3。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，其中所述的抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂2246或者抗氧剂264。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，其中所述的阻燃剂为氢氧化镁、低水硼酸锌、氢氧化铝或三氧化二锑。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，其中所述的加工助剂为润滑剂硬脂酸甘油酯。
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