CN106380709A - 用做高寒地区风力发电机电缆的护套材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用做高寒地区风力发电机电缆的护套材料及其制备方法，该材料的原料配方按以下重量比计算：橡胶25～45，低温改性剂 3～15，补强剂5～10，纳米蒙脱土5～10，增塑剂5～15，阻燃剂 10～40，硫化剂1～5，其它助剂1～5。制备方法包括步骤：1）.按配比将原料在密炼机中进行混炼；2）.得到的半成品胶料在开炼机上加硫；3）.得到的成品胶料经三辊压延机压出成胶片。它具备低烟低卤且能满足风能电缆要求的‑40℃低温扭转性能。

Description

用做高寒地区风力发电机电缆的护套材料及其制备方法

技术领域：

本发明涉及电缆护套材料，具体是一种用做高寒地区风力发电机电缆的护套材料及其制备方法。

背景技术：

世界能源逐渐向清洁能源发展，风力发电作为清洁能源的代表之一，发展甚为迅速。风力发电机工作时，其机仓要随风向变化不断摆动，电缆也要随之扭转，对于高寒地区(例如高纬度、高海拔地区)的风力发电机，其电缆须满足-40℃低温扭转性能要求。

所谓电缆的低温扭转性能，主要是指电缆的护套在低温下仍保持柔软性的能力，故风力发电机电缆护套材料通常选用橡胶，例如氯化聚乙烯橡胶、氯丁橡胶、氯磺化聚乙烯橡胶，此类橡胶在常温下具有良好的柔软性，但随着温度降低，会逐渐硬化，直至脆裂，也就是说，常规的橡胶护套电缆不能满足-40℃低温扭转性能要求。

另外，随着人类对环保要求的提高，电缆逐步向低烟无卤或低烟低卤方面发展，上述橡胶均为含氯的化合物，燃烧后产生大量的黑色浓烟，一方面污染环境，另一方面易产生二次伤害。

申请号为201310611531.X的专利文献公开了一种低烟低卤阻燃护套橡皮，具有低烟低卤性能，但也不能满足-40℃低温扭转性能要求。

发明内容：

本发明的发明目的在于：针对现有技术的不足，提供一种既具备良好低温抗扭性能，又能兼顾低烟低卤要求的风电电缆的护套层橡胶混合材料，以及该材料的制备方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种用做高寒地区风力发电机电缆的护套材料，其原料按以下重量比计算：

作为优选方案，所述橡胶为氯化聚乙烯橡胶或氯磺化聚乙烯橡胶，氯含量30％～36％，门尼粘度为60～100。

作为优选方案，所述低温改性剂为乙烯丙烯弹性体、乙烯丙烯、第三单体共聚弹性体中的至少一种。

作为优选方案，所述纳米蒙脱土为钙基蒙脱土、钠基蒙脱土、钠-钙基蒙脱土、镁基蒙脱土中的至少一种；该纳米蒙脱土的平均晶片厚度＜25nm，蒙脱石含量＞95％。

进一步的，所述补强剂为沉淀法白炭黑、气相法白炭黑、快压出炭黑、高耐磨炉黑、半补强炭黑、通用炉黑中的至少一种。

进一步的，所述补强剂为沉淀法白炭黑、气相法白炭黑、快压出炭黑、高耐磨炉黑、半补强炭黑、通用炉黑中的至少一种。

进一步的，所述增塑剂为已二酸二辛酯、己二酸二异癸酯、壬二酸二辛酯，癸二酸二辛酯中的至少一种。

进一步的，所述阻燃剂为氢氧化镁、氢氧化铝、三氧化二锑、硼酸锌、氧化钼中的至少一种。

进一步的，所述硫化剂为过氧化二异丙苯,双叔丁基过氧二丙基苯,2，5-二甲基-2，5-二(叔丁基过氧基)己烷，过氧化苯甲酰，1，1-二叔丁基过氧基-3,3,5-三甲基环已烷中的至少一种。

上述低烟低卤风能电缆护套料制备方法，包括下列顺序步骤：

1).按配比量将原料(除硫化剂外)放入密炼机中进行混合密炼，得半成品胶料；

2).当密炼机中的混合温度为100～110℃时，将密炼机内的半成品胶料卸至开炼机上，加入硫化剂混炼，得成品胶料；

3).将成品胶料放入三辊压延机，通过三辊压延机压出成厚薄均匀的胶片。

本发明的机理及有益效果：

氯化聚乙烯和氯磺化聚乙烯是含氯橡胶，有优良的阻燃，耐油，防腐蚀性，是风能电缆首选的橡胶材料。但是，氯化聚乙烯和氯磺化聚乙烯的Tg为-15℃左右，低温性能较差，不经过改性，根本不能满足风能电缆的低温要求。氯化聚乙烯和氯磺化聚乙烯为含氯材料，具有较好的阻燃性能。虽然氯化聚乙烯或氯磺化聚乙烯本身的含氯量比聚氯乙烯小，但燃烧时仍会产生大量的浓烟，烟密度(无烟法)大于300,不能满足低烟低卤的要求。

本发明配方以氯化聚乙烯橡胶或氯磺化聚乙烯橡胶为基料，辅以相互协同、配伍的辅料形成具备良好低温性能、同时又兼顾低烟低卤阻燃的氯化聚乙烯橡胶混合料。在该配方中，低温性能主要以低温改性剂和低温增塑剂辅之、低烟低卤主要以金属氢氧化物等阻燃剂和纳米蒙脱土辅之。

在氯化聚乙烯或氯磺化聚乙烯橡胶中，加入直链的低温改性剂和低温增塑剂，直链的分子链插入氯化聚乙烯或氯磺化聚乙烯的分子链中，增加了橡胶分子间距，提高了分子的可移动性，在低温时仍能保持较好的弹性。

在配方中加入金属氢氧化物阻燃剂，燃烧时产生大量的水汽以稀释含氯橡胶燃烧产生的氯化氢，氯化锑等烟雾。它们在燃烧时分解，Mg(0H)₂的分解温度为340℃，Al(OH)₃的分解温度为200℃，分解后发生脱水反应，大量吸收高分子材料表面的热量，降低了燃烧材料的表面温度；脱水产生的大量水蒸气可以稀释可燃气体和氧气的浓度；分解残余物MgO和Al₂O₃为致密的氧化物，它们沉积于材料表面起到隔热隔氧的作用，也达到了抑烟的效果；其中Mg(OH)₂可以促进橡胶表面炭化，而A1(0H)₃无此作用。两种材料复合使用比单独使用效果要好。Mg(OH)₂在更高的温度下脱水起阻燃作用；AI(OH)₃吸热量大，在抑制温度上升方面非常有效，两者复合，可扬长避短，起到有效的协同作用。

硼酸锌作用机理为:

1.吸热及稀释。硼酸锌在高于300℃时可失去结晶水，能够起到吸热冷却作用。硼酸锌中的锌约有38％，以氧化锌或氢氧化锌的形式进入气体，对可燃性气体进行稀释,使其燃烧速率降低。

2.形成覆盖。硼酸锌阻燃剂一般与卤素化合物并用，接触火源而受热,其反应方程式为：2ZnO 3B₂O₃ 3.5H2O+22RX→2ZnX₂+6BX₃+11R₂O+3.5H₂O。ZnX₂沸点高,是固体物质,可覆盖于可燃烧物质表面隔绝空气,抑制可燃性气体产生,同时也阻止氧化和热的作用；硼酸能促使生成大量碳，碳的增加意味着可燃逸出物减少，具有很好的抑烟作用。

钼系消烟剂的作用机理基于通过路易斯酸在起作用。路易斯酸是一类能吸收电子对的物质，它能有效地催化含氯聚合物燃烧脱出的HCl后形成多式多烯类物质，阻止含氯聚合物脱HCl后生成多环结构的内环化合物，从而减少材料燃烧时苯的释放量(因苯燃烧时要产生大量的浓烟)。同时这些金属氧化物还具有捕捉游离HCl分子的能力，能削除HCl在气相中的毒害作用。

纳米蒙脱土的作用机理：

纳米蒙脱土系蒙皂石粘土经剥片分散、提纯改型、超细分级、特殊有机复合而成，平均晶片厚度小于25nm，蒙脱石含量大于95％。具有良好的分散性能。蒙脱土属于2:1型层状硅酸盐，即每个单位晶胞由2个硅氧四面体晶片间夹带一个铝氧八面体晶片构成三明治状结构，二者之间靠共用氧原子连接，每层厚度约为1nm。由于硅氧四面体中的部分Si和铝氧八面体中的部分Al被Mg所同晶置换，因此在这些1nm厚的片层表面产生了过剩的负电荷。为了保持电中性这些过剩的负电荷通过层间吸附阳离子来补偿。蒙脱土片层间通常吸附有Na、K、Ca、Mg等水合阳离子。与含氯橡胶燃烧后产生的Cl^-发生中和反应。另一方面，纳米粒子有独特的“表面效应”、“体积效应”和“量子效应”，使这种反应进行得迅速和彻底。反应生成NaCl,KCl,CaCl2,MgCl2等盐类化合物沉淀在材料表面。大大减少了燃烧后烟气中的卤酸气体含量。加入纳米蒙脱土的橡胶具有优异的自熄性；燃烧过程中，纳米复合材料结构塌陷，形成了多层碳质/硅酸盐结构。该结构作为一种传质和传热的阻隔体，阻隔挥发物的产生和聚合物的分解。

经反复检测试验，本发明的材料应用于风能电缆护套层时，其氧指数为35以上，烟密度(无焰)小于300，HCl释放量小于10mg/g，并且以此料为护套生产的电缆可以通过-40度的低温扭转测试。

具体实施方式：

本发明用做高寒地区风力发电机电缆的护套材料，现以列表形式举出6个实施例配方，具体如表1所示。

表1本发明实施例1至6的具体组分原料重量配比数据

上述各实施例中的橡胶为氯化聚乙烯橡胶或氯磺化聚乙烯橡胶，氯含量30％～36％，门尼粘度为60～100。

此外，上述各实施例中的纳米蒙脱土为钙基蒙脱土、钠基蒙脱土、钠-钙基蒙脱土、镁基蒙脱土中的至少一种，也就是说，前述各种蒙脱土可以是单一选择的，也可以是混合在一起的。但是，无论哪种选择方式，要求蒙脱土的平均晶片厚度＜25nm，且蒙脱土中的蒙脱石含量＞95％。

上述各实施例中的补强剂为沉淀法白炭黑、气相法白炭黑、快压出炭黑、高耐磨炉黑、半补强炭黑、通用炉黑中的至少一种。增塑剂为氯化石蜡油、邻苯甲酸二异辛酯、邻苯二甲酸二异癸酯、邻苯二甲酸二异壬酯、对苯二甲酸二异辛酯、偏苯三酸三辛酯中的至少一种。所述阻燃剂为氢氧化镁、氢氧化铝、三氧化二锑、硼酯锌、硅系复合阻燃剂中的至少一种。可见，上述组分原料可以是单选其具体组分原料的一种，也可以是其具体组分原料的多种混合。

上述电缆护套料的制备方法包括下列顺序步骤：

1).按配方要求在辅机中输入配方，上辅机系统自取称取原料，这些原料进入密炼机中，启动密炼机，投下的所有大料和小料在密炼机中进行混合密炼，得半成品胶料；

2).当密炼机中的混合密炼温度为100～110℃时(例如100℃、105℃或110℃)，将密炼机内的半成品胶料卸至开炼机上，加入硫化剂混炼，取得均匀的混炼效果，得成品胶料；

3).将成品胶料放入三辊压延机，通过三辊压延机压出成厚薄均匀的胶片。

在制造电缆时，将胶片送入电缆的护套层挤出机上，胶片经挤出机包覆于电缆的芯体上，并经过蒸汽硫化管在一定的温度和压力下发生硫化，经冷却后得到电缆成品。

将生产的成品电缆按TICW/01—2009《额定电压1.8/3kV及以下风力发电用耐扭曲软电缆》标准测试，结果如下：

由表2可知：本发明制得的产品具有优良的低温抗扭转性能，且烟密度(无焰法)小于300，以电导率，PH值表征的卤素含量属于低卤。故材料达到低烟低卤且能满足风能电缆要求的低温扭转性能。

Claims (9)

1.一种用做高寒地区风力发电机电缆的护套材料，其特征在于，该材料的原料配比按以下重量比计算：

2.根据权利要求1所述的用做高寒地区风力发电机电缆的护套材料，其特征在于：所述橡胶为氯化聚乙烯橡胶或氯磺化聚乙烯橡胶，氯含量30％～36％，门尼粘度为60～100。

3.根据权利要求1所述用做高寒地区风力发电机电缆的护套材料，其特征在于：所述低温改性剂为乙烯丙烯弹性体、乙烯丙烯、第三单体共聚弹性体中的至少一种。

4.根据权利要求1所述用做高寒地区风力发电机电缆的护套材料，其特征在于：所述纳米蒙脱土为钙基蒙脱土、钠基蒙脱土、钠-钙基蒙脱土、镁基蒙脱土中的至少一种；所述蒙脱土的平均晶片厚度＜25nm，蒙脱石含量＞95％。

5.根据权利要求1所述用做高寒地区风力发电机电缆的护套材料，其特征在于：所述补强剂为沉淀法白炭黑、气相法白炭黑、快压出炭黑、高耐磨炉黑、半补强炭黑、通用炉黑中的至少一种。

6.根据权利要求1所述用做高寒地区风力发电机电缆的护套材料，其特征在于：所述增塑剂为已二酸二辛酯、己二酸二异癸酯、壬二酸二辛酯，癸二酸二辛酯中的至少一种。

7.根据权利要求1所述用做高寒地区风力发电机电缆的护套材料，其特征在于：所述阻燃剂为氢氧化镁、氢氧化铝、三氧化二锑、硼酸锌、氧化钼中的至少一种。

8.根据权利要求1所述用做高寒地区风力发电机电缆的护套材料，其特征在于：所述硫化剂为过氧化二异丙苯,双叔丁基过氧二丙基苯,2，5-二甲基-2，5-二(叔丁基过氧基)己烷，过氧化苯甲酰，1，1-二叔丁基过氧基-3,3,5-三甲基环已烷中的至少一种。

9.权利要求1-8任意一项所述用做高寒地区风力发电机电缆的护套材料的制备方法，包括下列顺序步骤：

1).按配比量将原料除硫化剂外，放入密炼机中进行混合密炼，得半成品胶料；

2).当密炼机中的混合温度为100～110℃时，将密炼机内的半成品胶料卸至开炼机上，加入硫化剂混炼，得成品胶料；

3).将成品胶料放入三辊压延机，通过三辊压延机压出成厚薄均匀的胶片。