CN105111564A - 一种35kv以下抗水树交联聚乙烯绝缘材料及其制备方法 - Google Patents

一种35kv以下抗水树交联聚乙烯绝缘材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种35kV以下抗水树交联聚乙烯电力电缆绝缘材料及其制备方法，该绝缘材料由重量份100份聚乙烯、5～20份极性分子改性的芳香性弹性体共聚物、1.8～3.0份复合交联剂、1～10份亲水性纳米无机氧化物粉末、0.1～0.5份引发剂、0.5～1.2份抗氧剂和0.1～2.0份加工助剂组成。本发明的绝缘材料具有优异的抗水树性能和优良的韧性和亲水性，使用寿命长，并且能够有效抑制“水树”的产生。

Description

一种35KV以下抗水树交联聚乙烯绝缘材料及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料加工领域，具体涉及一种绝缘材料及其制备方法。
背景技术
交联聚乙烯(XLPE)电缆以其优异的电气性能和传输容量大、耐热性能好，易于弯曲、附件接头简单、安装敷设方便等优点，深受广大用户欢迎，自上世纪八十年代以来逐渐成为电力电缆的主流。在国内，近几年来长规的35KV以下交联聚乙烯绝缘电力电缆的故障率明显上升，个别地区和单位甚至较为严重，而电缆本体故障的主要原因是水树导致的早期损坏。尤其是安装在南方潮湿环境中的电缆，水树发生十分普遍，个别严重的树枝长度接近绝缘厚度的70％，越来越多的电缆用户和电缆制造厂已经认识到，必须采取措施，及早避免和抑制水树导致电缆损坏上升的趋势。
CN102120842A公开了一种35kV以下抗水树交联聚乙烯绝缘材料及其制备方法，该绝缘材料由重量份100份聚乙烯、1.8～3.0份复合交联剂、1～4份纳米蒙脱土、0.1～0.5份引发剂、0.5～1.2份抗氧剂和0.1～2.0份加工助剂组成。有效减少了“水树”的产生，但是其预防水树化的性能及材料的韧性还有待于进一步提高。
发明内容
本发明的目的是为了克服因水树导致的交联聚乙烯电缆过早结束使用寿命，提供一种延缓水树枝产生的新型35KV以下抗水树交联聚乙烯电力电缆绝缘材料。
本发明的另一目的是提供一种上述绝缘材料的制备方法。
本发明的目的可以通过以下措施达到：
一种35KV以下抗水树交联聚乙烯绝缘材料，该绝缘材料由以下重量份的组分制得：
其中所述复合交联剂为2，5-二甲基-2，5-二(叔丁基过氧基)己烷与2，5-二甲基-2，5-二(叔丁基过氧基)己炔混合物。
本发明提供的35KV以下抗水树交联聚乙烯绝缘材料中含有100份的聚乙烯，5～20份的极性分子改性的芳香性弹性体共聚物，如6份、7份、8份、9份、10份、12份、14份、15份、16份、17份、18份或19份等；1.8～3.0份复合交联剂，如2.0份、2.1份、2.2份、2.3份、2.4份、2.5份、2.7份或2.9份等；1～10份的亲水性纳米无机氧化物粉末，如2份、3份、4份、5份、6份、7份、8份或9份等；0.1～0.5份的引发剂，如0.2份、0.3份、0.4份或0.5份等；0.5～1.2份抗氧剂，如0.6份、0.7份、0.8份、0.9份、1.0份或1.1份等；0.1～2.0份的加工助剂，如0.2份、0.4份、0.6份、0.8份、1.0份、1.2份、1.4份、1.5份、1.6份、1.8份或1.9份等。
所述复合交联剂2，5-二甲基-2，5-二(叔丁基过氧基)己烷与2，5-二甲基-2，5-二(叔丁基过氧基)己炔的质量比为3～7∶7～3，如1:1、4:5、5:6、6:7、7:4、4:7或2:3等。
作为优选的技术方案，本发明所述35KV以下抗水树交联聚乙烯绝缘材料由以下重量份的组分制得：
所述复合交联剂2，5-二甲基-2，5-二(叔丁基过氧基)己烷与2，5-二甲基-2，5-二(叔丁基过氧基)己炔的质量比为4:6。
聚乙烯选自低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯和乙烯-醋酸乙烯共聚物中的至少一种；所述低密度聚乙烯的熔体流动速率为2.1～2.9g/10min，密度0.920～0.925g/cm3，清洁度≤10个/kg。
所述极性分子改性的芳香性弹性体共聚物是指氨基改性的、丙烯酸改性的或马来酸酐改性的苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯芳香性弹性体共聚物，接枝率在0.1-10％之间，其密度为0.86-0.93g/cm3，苯乙烯含量为20-35wt％，熔体流动指数在0.02至20g/10min之间。采用极性分子改性的芳香性弹性体共聚物由于在芳香性弹性体共聚物上接枝了极性基团具有一定的亲水性，而且芳香性弹性体共聚物能提高聚乙烯树脂的韧性。
所述亲水性纳米无机氧化物粉末为用偶联剂处理过的无机氧化物粉末，所述亲水性纳米无机氧化物粉末与所述偶联剂的质量比为100∶0.5-3，如100∶0.6、100∶0.8、100∶1.0、100∶1.2、100∶1.4、100∶1.5、100∶1.7、100∶1.9、100∶2.0、100∶2.3、100∶2.5、100∶2.7或100∶2.9等。
优选地，所述偶联剂选自钛酸酯偶联剂、硅烷偶联剂、硬脂酸类偶联剂、铝酸酯类偶联剂、稀土偶联剂、铝钛复合偶联剂、锆铝酸酯偶联剂中的至少一种。
优选地，所述无机粉末选自氧化锌、氧化镁、氧化铝、二氧化硅中的至少一种。
通过向聚烯烃中加入亲水性纳米无机氧化物粉末一方面可以改变聚烯烃材料内部的晶体结构，使得水树的生长速度减慢；另一方面，由于纳米无机氧化物的亲水性，使得水不易积聚在一起。从而可以使该材料具有较强的抗水树性能，较好的介电性能和适用性，而且可以防止电缆在使用过程中添加剂的析出等问题。
本发明的引发剂选自过氧化二苯甲酰、偶氮二异丁腈或过硫酸甲中的至少一种。抗氧剂为四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(抗氧剂1010)、三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯(抗氧剂168)或1，2-双(3，5-二叔丁基-4-羟基-苯基丙酸)肼(抗氧剂1024)中任意一种或至少两种的组合。加工助剂选自聚乙烯蜡、石蜡、聚偏氟乙烯、硬脂酸盐或邻苯二甲酸二仲辛酯中的至少一种。
本发明的绝缘材料的制备方法为：先将聚乙烯、复合交联剂和纳米蒙脱土进行密炼，再加入抗氧剂、引发剂和加工助剂继续密炼，最后进行挤出造粒。
本发明的35KV以下抗水树交联聚乙烯电力电缆绝缘材料的具体制备方法，包括如下步骤：
(1)将聚乙烯、极性分子改性的芳香性弹性体共聚物、复合交联剂和亲水性纳米无机氧化物粉末依次加入密炼机中进行密炼，密炼机转速为20～30rpm，温度120～130℃，时间2～4min；然后将密炼机转子调速到30～50rpm，加入抗氧剂、引发剂和加工助剂，继续密炼1～2min；
(2)将密炼物料加入单螺杆挤出造粒机进行造粒，所述单螺杆挤出机的长径比≤25，转速30～50rpm，温度110～130℃。从单螺杆挤出造粒机挤出的材料可直接通入成型模具中进行成型，在单螺杆挤出机和材料成型模具之间设有席型网，即材料成型之前的材料杂质过滤采用席型网。
其中各组分的用量及定义如上所述。
聚乙烯和各种添加剂在密炼室内，在密炼机两个反向转动的转子之间，在转子与密炼室之间，受到强制的剪切、搅拌、挤压和捏合，均匀受热混炼塑化。由于密炼机转子转速不高，摩擦、剪切温升较小，树脂受力、升温均匀，没有局部发热现象发生，保证物料混炼均匀，又不发生降解和预交联。实践证明密炼机是制造35KV抗水树交联聚乙烯电力电缆绝缘料最好预混设备。由于经密炼后的树脂已完全达到电缆材料制备的技术要求。用单螺杆挤出机造粒只是完成所需的外形，以供电缆生产者使用。由于它不需要热融树脂，又不需要树脂与添加剂的共混，这样对单螺杆挤出机的技术要求就低一些：如螺杆的长径比≤25，螺距大、压缩比小，这样挤出机的成本和生产能耗大大减小，不良工艺影响极小，安装过滤网和更换过滤网方便快捷，分留板通孔率高(分流板孔眼的总面积大于分流板总面积的50％)，产量大，如生产停机时，单螺杆挤出机内物料残留极少，利于清洗。
本发明所用的抗氧剂和加工助剂都是本领域技术人员公知的技术，可配合使用。其前提条件是这些助剂对本发明目的的实现以及本发明的优良效果的取得不产生不利影响。
本发明具有如下优点：
1、本发明首用物理状态、存储稳定性好和安全性好，半衰期稍高的2，5二甲基2，5-二(叔丁过氧基)己炔(AD)、2，5二甲基2，5-二(叔丁过氧基)己炔(YD)为复合过氧化物交联剂，取代传统的有刺鼻异味的二枯基过氧化物(DCP)交联剂。实践表明采用AD和YD交联剂配合使用时，它们的协同效应效果，不仅在综合性能上大大优于DCP，而且还减少了“水树”的产生。
2、本发明的采用极性分子改性的芳香性弹性体共聚物和亲水性纳米无机氧化物粉末使该材料具有较强的抗水树性能，较好的介电性能、适用性和韧性，而且可以防止电缆在使用过程中添加剂的析出等问题。
3、利用国产密炼机单螺杆挤出机造粒机组经行熔融挤出造粒。由于密炼机转速不高(20-40rpm)，摩擦、剪切升温较小，树脂受力、升温均匀，没有局部发热现象发生，即保证物料混炼均匀，又不会发生降解和预交联。单螺杆挤出机设计简单、坚固可靠、塑化平稳、剪切摩擦升温小，以满意的性能以保证电缆料最小的预交联和商品外观。
4、采用预混合工艺。低密度聚乙烯料粒、复合型交联剂、纳米蒙脱土在密炼机中进行密炼，由于复合交联剂均为液体，密炼机转子均匀搅拌混合，借助分子间作用力，交联剂在聚乙烯与蒙脱土之间的粘着作用。液态交联剂均匀的被研磨粘附在聚乙烯颗粒表面。材料很快在运动中因粒子间相互碰撞及物料与锅壁以及搅拌转子的运动摩擦和密炼机外部加热而迅速升温到108-115℃软化点，将抗氧剂等加工助剂按比例加入密炼机中进行短时间低速搅拌，将所有的树脂、助剂实现理想的共混。
5、以席型网为安全保护的组合过滤网滤除杂质。本发明选择的由预过滤粗网，精过滤细网、保护席型网三部分组成的安全过滤体系，即能除去原料内、运输和生产过程中产生的所有影响电性能的杂质，又能保障生产时因过滤网逐渐被堵塞后熔体压力升高而造成破网的潜在危险。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。有必要再此指出的是本实施例只用于对本发明进一步说明，不能理解为本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
1、将100份低密度聚乙烯(熔体流动速率2.1～2.9g/10min，密度0.920～0.925g/cm3，清洁度≤10个/kg)，5份氨基改性的苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯芳香性弹性体共聚物，1.2份2，5二甲基2，5-二(叔丁过氧基)己烷和0.6份2，5二甲基2，5-二(叔丁过氧基)己炔，1份质量比为100∶0.5的钛酸酯偶联剂改性的氧化锌加入密炼机转子转速为20rpm，温度120-130℃的密炼机内混合2min，然后将密炼机转子转速调为30rpm加入0.5份四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯抗氧剂，0.1份过氧苯甲酰，0.1份聚偏氟乙烯在混2min。
2、将上述密炼混合均匀的物料倒入料斗，经料斗输送轨提升到单螺杆挤出机的进料槽内，由双腕将物料强制压入单螺杆挤出造粒，单螺杆挤出机的长径比≤25，转速30rpm，温度110-130℃，制备的混合物在温度120-130℃的单螺杆挤出机中造粒，获得35KV以下抗水树交联聚乙烯电力电缆绝缘料。按ASTMD6097-97a检验其10天水树长度为68.2μm。
实施例2
1、将100份线性低密度聚乙烯，1.0份2，5二甲基2，5-二(叔丁过氧基)己烷和0.9份2，5二甲基2，5-二(叔丁过氧基)己炔，20份马来酸酐改性的苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯芳香性弹性体共聚物，10份质量比为3:100的硅烷偶联剂改性的氧化镁，加入密炼机转子转速为25rpm，温度120-130℃的密炼机内混合3min，然后将密炼机转子转速调为40rpm加入1.2份四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯抗氧剂，0.5份偶氮二异丁腈，2.0份聚乙烯蜡在混2min。
2、将上述密炼混合均匀的物料倒入料斗，经料斗输送轨提升到单螺杆挤出机的进料槽内，由双腕将物料强制压入单螺杆挤出造粒，单螺杆挤出机的长径比≤25，转速30rpm，温度110-130℃，制备的混合物在温度120-130℃的单螺杆挤出机中造粒，获得35KV以下抗水树交联聚乙烯电力电缆绝缘料。按ASTMD6097-97a检验其10天水树长度为79.9μm。
实施例3
1、将100份线性低密度聚乙烯，1.0份2，5二甲基2，5-二(叔丁过氧基)己烷和1.0份2，5二甲基2，5-二(叔丁过氧基)己炔，10份丙烯酸改性的苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯芳香性弹性体共聚物，5份质量比为2:100的硅烷偶联剂改性的氧化铝，加入密炼机转子转速为25rpm，温度120-130℃的密炼机内混合3min，然后将密炼机转子转速调为40rpm加入1.0份四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯抗氧剂，0.5份偶氮二异丁腈，0.5份聚乙烯蜡在混2min。
2、将上述密炼混合均匀的物料倒入料斗，经料斗输送轨提升到单螺杆挤出机的进料槽内，由双腕将物料强制压入单螺杆挤出造粒，单螺杆挤出机的长径比≤25，转速30rpm，温度110-130℃，制备的混合物在温度120-130℃的单螺杆挤出机中造粒，获得35KV以下抗水树交联聚乙烯电力电缆绝缘料。
采用普通交联聚乙烯电缆用XLPE材料与本发明实施例3所得的抗水树交联聚乙烯电力电缆绝缘材料分别进行性能测试，结果如下表：
表1.35KV抗水树交联聚乙烯电力电缆绝缘料性能检测结果
对比例1
制备方法及原料组成与实施例3相同，不同点在于，原料中不加丙烯酸改性的苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯芳香性弹性体共聚物。
对比例2
制备方法及原料组成与实施例3相同，不同点在于，原料中不加硅烷偶联剂改性的氧化铝。
按照与实施例3相同的测试方法对对比例1和2进行性能测试，测试结果显示两对比例制备得到的绝缘材料的抗张强度分别为17.2MPa和18.0MPa；断裂伸长率分别为500％和489％；水树长度10天、20天和30天分别为70/68、110/115和180/175。说明，极性分子改性的芳香性弹性体共聚物和亲水性纳米无机氧化物粉末对绝缘材料的性能提升具有协同作用。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种35KV以下抗水树交联聚乙烯绝缘材料，其特征在于该绝缘材料由以下重量份的组分制得：
其中所述复合交联剂为2，5-二甲基-2，5-二(叔丁基过氧基)己烷与2，5-二甲基-2，5-二(叔丁基过氧基)己炔混合物。
2.根据权利要求1所述的35KV以下抗水树交联聚乙烯绝缘材料，其特征在于所述35KV以下抗水树交联聚乙烯绝缘材料由以下重量份的组分制得：
所述复合交联剂2，5-二甲基-2，5-二(叔丁基过氧基)己烷与2，5-二甲基-2，5-二(叔丁基过氧基)己炔的质量比为4:6。
3.根据权利要求1或2所述的35KV以下抗水树交联聚乙烯绝缘材料，其特征在于所述复合交联剂2，5-二甲基-2，5-二(叔丁基过氧基)己烷与2，5-二甲基-2，5-二(叔丁基过氧基)己炔的质量比为3～7∶7～3；
优选地，所述聚乙烯选自低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯或乙烯-醋酸乙烯共聚物中的至少一种；所述低密度聚乙烯的熔体流动速率为2.1～2.9g/10min，密度0.920～0.925g/cm3，清洁度≤10个/kg。
4.根据权利要求1-3之一所述的35KV以下抗水树交联聚乙烯绝缘材料，其特征在于所述极性分子改性的芳香性弹性体共聚物是指氨基改性的、丙烯酸改性的或马来酸酐改性的苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯芳香性弹性体共聚物，接枝率在0.1-10％之间，其密度为0.86-0.93g/cm3，苯乙烯含量为20-35wt％，熔体流动指数在0.02至20g/10min之间。
5.根据权利要求1-4之一所述的35KV以下抗水树交联聚乙烯绝缘材料，其特征在于所述亲水性纳米无机氧化物粉末为用偶联剂处理过的无机氧化物粉末，所述亲水性纳米无机氧化物粉末与所述偶联剂的质量比为100∶0.5-3；
优选地，所述偶联剂选自钛酸酯偶联剂、硅烷偶联剂、硬脂酸类偶联剂、铝酸酯类偶联剂、稀土偶联剂、铝钛复合偶联剂、锆铝酸酯偶联剂中的至少一种；
优选地，所述无机粉末选自氧化锌、氧化镁、氧化铝、二氧化硅中的至少一种。
6.根据权利要求1-5之一所述的35KV以下抗水树交联聚乙烯绝缘材料，其特征在于所述引发剂选自过氧化二苯甲酰、偶氮二异丁腈或过硫酸甲中的至少一种。
7.根据权利要求1-6之一所述的35KV以下抗水树交联聚乙烯绝缘材料，其特征在于所述抗氧剂为四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯、三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯或1，2-双(3，5-二叔丁基-4-羟基-苯基丙酸)肼中任意一种或至少两种的组合。
8.根据权利要求1-7之一所述的35KV以下抗水树交联聚乙烯绝缘材料，其特征在于所述加工助剂选自聚乙烯蜡、石蜡、聚偏氟乙烯、硬脂酸盐或邻苯二甲酸二仲辛酯中的至少一种。
9.根据权利要求1-8之一所述的35KV以下抗水树交联聚乙烯绝缘材料，其特征在于该绝缘材料的制备方法为：先将聚乙烯、复合交联剂和纳米蒙脱土进行密炼，再加入抗氧剂、引发剂和加工助剂继续密炼，最后进行挤出造粒。
10.权利要求1～9中任一所述的35KV以下抗水树交联聚乙烯绝缘材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将聚乙烯、极性分子改性的芳香性弹性体共聚物、复合交联剂和亲水性纳米无机氧化物粉末依次加入密炼机中进行密炼，密炼机转速为20～30rpm，温度120～130℃，时间2～4min；然后将密炼机转子调速到30～50rpm，加入抗氧剂、引发剂和加工助剂，继续密炼1～2min；
(2)将密炼物料加入单螺杆挤出造粒机进行造粒，所述单螺杆挤出机的长径比≤25，转速30～50rpm，温度110～130℃。
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