CN106507676A - 具有胺官能化互聚物的可交联聚合性组合物、其制造方法以及由其制成的制品 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及可交联聚合性组合物,其包含基于乙烯的聚合物、有机过氧化物以及胺官能化互聚物。此类可交联聚合性组合物和其交联形式可以在电线和电缆应用中用作聚合层,如电力电缆中的绝缘材料。

Description

具有胺官能化互聚物的可交联聚合性组合物、其制造方法以 及由其制成的制品
相关申请的参考
本申请要求2014年5月13日提交的美国临时申请第61/992,338号的权益。
技术领域
本发明的各种实施例涉及包含胺官能化互聚物的可交联聚合性组合物、其制造方法以及由其制成的制品。
背景技术
中、高和超高电压(“MV”、“HV”和“EHV”)电缆典型地含有交联的聚合材料作为绝缘层,如交联聚乙烯。此类交联的聚合材料可由具有过氧化物引发剂的可交联聚合性组合物制备。在此类材料中用作自由基交联引发剂的过氧化物可在存储期间,尤其在酸存在下经受非生产性分解,因此降低含有过氧化物的可交联组合物的固化势能。尽管已经在可交联聚合性组合物的领域中实现发展,但仍需要改进。
发明内容
一个实施例是可交联聚合性组合物,其包含:
(a)基于乙烯的聚合物;
(b)有机过氧化物;以及
(c)胺官能化互聚物,在其中并有至少一种类型的含胺单体。
另一个实施例是可交联聚合性组合物,其包含:
(a)基于乙烯的胺官能化互聚物;以及
(b)有机过氧化物。
具体实施方式
本发明的各种实施例涉及包含基于乙烯的聚合物、有机过氧化物以及胺官能化互聚物的可交联聚合性组合物。在一些实施例中,基于乙烯的聚合物和胺官能化互聚物可以单一组分(即,基于乙烯的胺官能化互聚物)形式存在。额外实施例涉及由此类可交联聚合性组合物制备的交联聚合性组合物。其它实施例涉及经涂布导体和用于使用可交联聚合性组合物产生经涂布导体的方法。
可交联聚合性组合物
如上文所指出,本文所描述的可交联聚合性组合物的一种组分是基于乙烯的聚合物。如本文所使用,“基于乙烯的”聚合物是由作为主要(即超过50重量百分比(“重量%”))单体组分的乙烯单体制备的聚合物,但也可以采用其它共单体。“聚合物”意味着通过使相同或不同类型的单体反应(即,聚合)而制备的大分子化合物,并且包括均聚物和互聚物。“互聚物”意味着通过使至少两种不同单体类型聚合而制备的聚合物。此通用术语包括共聚物(通常用于指由两种不同单体类型制备的聚合物)和由超过两种不同单体类型制备的聚合物(例如,三元共聚物(三种不同单体类型)和四元共聚物(四种不同单体类型))。
在各种实施例中,基于乙烯的聚合物可以是乙烯均聚物。如本文所使用,“均聚物”表示由衍生自单个单体类型的重复单元组成的聚合物,但不排除残余量的用于制备所述均聚物的其它组分,如链转移剂。
在一个实施例中,基于乙烯的聚合物可以是按全部互聚物重量计α-烯烃含量为至少1wt%、至少5wt%、至少10wt%、至少15wt%、至少20wt%或至少25wt%的乙烯/α-烯烃(“alpha-olefin/α-olefin”)互聚物。按全部互聚物重量计,这些互聚物的α-烯烃含量可以小于50wt%、小于45wt%、小于40wt%或小于35wt%。当采用α-烯烃时,α-烯烃可以是C3-20(即,具有3到20个碳原子)直链、支化或环状α-烯烃。C3-20α-烯烃的实例包括丙烯、1-丁烯、4-甲基-1-戊烯、1-己烯、1-辛烯、1-癸烯、1-十二烯、1-十四烯、1-十六烯以及1-十八烯。α-烯烃还可以具有环状结构,如环己烷或环戊烷,产生如3-环己基-1-丙烯(烯丙基环己烷)和乙烯基环己烷的α-烯烃。说明性乙烯/α-烯烃互聚物包括乙烯/丙烯、乙烯/1-丁烯、、乙烯/1-己烯、乙烯/1-辛烯、乙烯/丙烯/1-辛烯、乙烯/丙烯/1-丁烯以及乙烯/1-丁烯/1-辛烯。
在各种实施例中,基于乙烯的聚合物可以单独使用或与一种或多种其它类型的基于乙烯的聚合物(例如两种或更多种在单体组成和含量、制备的催化方法等方面彼此不同的基于乙烯的聚合物的掺合物)组合使用。如果采用基于乙烯的聚合物的掺合物,那么所述聚合物可以通过任何反应器中或反应器后方法来掺合。
在各种实施例中,基于乙烯的聚合物可以选自由以下组成的群组:低密度聚乙烯(“LDPE”)、线性低密度聚乙烯(“LLDPE”)、极低密度聚乙烯(“VLDPE”)和其中两种或更多种的组合。
在一个实施例中,基于乙烯的聚合物可以是LDPE。LDPE一般是高度支化的乙烯均聚物,并且可以经由高压方法来制备(即,HP-LDPE)。适用于本文中的LDPE的密度可以在0.91到0.94g/cm3范围内。在各种实施例中,基于乙烯的聚合物是密度为至少0.915g/cm3但小于0.94g/cm3或小于0.93g/cm3的高压LDPE。本文提供的聚合物密度根据ASTM国际(“ASTM”)方法D792来测定。适用于本文中的LDPE的熔融指数(I2)可以小于20g/10min,或在0.1到10g/10min、0.5到5g/10min、1到3g/10min范围内,或I2为2g/10min。本文提供的熔融指数根据ASTM方法D1238来测定。除非另外指出,否则熔融指数在190℃和2.16Kg下测定(即,I2)。一般来说,LDPE具有较宽分子量分布(“MWD”),产生相对较高的多分散指数(“PDI”;重量平均分子量与数目平均分子量的比率)。
在一个实施例中,基于乙烯的聚合物可以是LLDPE。LLDPE一般是具有共聚单体(例如,α-烯烃单体)不均匀分布的基于乙烯的聚合物,并且其特征在于短链分支。举例来说,LLDPE可以是乙烯和α-烯烃单体的共聚物,如上文所描述的那些。适用于本文中的LLDPE的密度可以在0.916到0.925g/cm3范围内。适用于本文中的LLDPE的熔融指数(I2)可以在1到20g/10min或3到8g/10min范围内。
在一个实施例中,基于乙烯的聚合物可以是VLDPE。VLDPE在所属领域中也可以称为超低密度聚乙烯或ULDPE。VLDPE一般是具有共聚单体(例如,α-烯烃单体)不均匀分布的基于乙烯的聚合物,并且其特征在于短链分支。举例来说,VLDPE可以是乙烯和α-烯烃单体(如上文所描述的那些α-烯烃单体中的一种或多种)的共聚物。适用于本文中的VLDPE的密度可以在0.87到0.915g/cm3范围内。适用于本文中的VLDPE的熔融指数(I2)可以在0.1到20g/10min或0.3到5g/10min范围内。
在实施例中,基于乙烯的聚合物可以包含上文所描述的基于乙烯的聚合物中任何两种或更多种的组合。
用于制备基于乙烯的聚合物的生产方法是广泛、变化并且所属领域中已知的。用于产生具有上文所描述特性的基于乙烯的聚合物的任何习知或下文所发现的生产方法都可以用于制备本文所描述的基于乙烯的聚合物。一般来说,聚合可以在本领域中已知用于齐格勒-纳塔(Ziegler-Natta)或卡明斯基-辛(Kaminsky-Sinn)型聚合反应的条件下实现,即,在0℃到250℃、或30℃或200℃的温度下并且在大气压到10,000大气压(1,013兆帕斯卡(“MPa”))的压力下实现。在大多数聚合反应中,所用催化剂与可聚合化合物的摩尔比是10-12:1到10-1:1,或10-9:1到10-5:1。
适用于本文中的基于乙烯的聚合物的一个实例为高压低密度聚乙烯(“HP-LDPE”),其可以具有0.92g/cc的密度和2的熔融指数。此类HP-LDPE例如由美国密歇根州米德兰陶氏化学公司(The Dow Chemical Company,Midland,MI,USA)生产并且可以用于电力电缆绝缘的可商购化合物中。
如上文所指出,本文所描述的可交联聚合性组合物包含有机过氧化物。如本文所使用,“有机过氧化物”表示具有以下结构的过氧化物:R1-O-O-R2或R1-O-O-R-O-O-R2,其中R1和R2中的每一种是烃基部分,并且R是亚烃基部分。如本文所使用,“烃基”表示通过从任选地具有一个或多个杂原子的烃(例如乙基、苯基)去除一个氢原子形成的单价基团。如本文所使用,“亚烃基”表示通过从任选地具有一个或多个杂原子的烃中去除两个氢原子而形成的二价基团。有机过氧化物可以是具有相同或不同烷基、芳基、烷芳基或芳烷基部分的任何二烷基、二芳基、二烷芳基或二芳烷基过氧化物。在一个实施例中,R1和R2中的每个独立地是C1到C20或C1到C12烷基、芳基、烷芳基或芳烷基部分。在一个实施例中,R可以是C1到C20或C1到C12亚烷基、亚芳基、亚烷芳基或亚芳烷基部分。在各种实施例中,R、R1以及R2可以具有相同或不同的碳原子数目和结构,或R、R1以及R2中的任何两者可以具有相同的碳原子数目而第三个具有不同的碳原子数目和结构。
适用于本文中的有机过氧化物包括单官能过氧化物和二官能过氧化物。如本文所使用,“单官能过氧化物”表示具有单对共价键结氧原子(例如,具有结构R-O-O-R)的过氧化物。如本文所使用,“二官能过氧化物”表示具有两对共价键结氧原子(例如,具有结构R-O-O-R-O-O-R)的过氧化物。在一个实施例中,有机过氧化物是单官能过氧化物。
示例性有机过氧化物包括过氧化二异丙苯(“DCP”);过氧化苯甲酸叔丁酯;过氧化二-叔戊基(“DTAP”);双(α-叔丁基-过氧基异丙基)苯(“BIPB”);异丙基异丙苯基叔丁基过氧化物;叔丁基异丙苯基过氧化物;过氧化二-叔丁基;2,5-双(叔丁基过氧基)-2,5-二甲基己烷;2,5-双(叔丁基过氧基)-2,5-二甲基己-3-炔;1,1-双(叔丁基过氧基)-3,3,5-三甲基环己烷;异丙基异丙苯基异丙苯基过氧化物;4,4-二(叔丁基过氧基)戊酸丁酯;过氧化二(异丙基异丙苯基);以及其中的两种或更多种的混合物。在各种实施例中,仅采用单一类型的有机过氧化物。在一个实施例中,有机过氧化物是过氧化二异丙苯。
如上文所指出,可交联聚合性组合物进一步包含胺官能化互聚物。此类胺官能化互聚物包含至少一种类型的含胺单体。在各种实施例中,胺官能化互聚物可以是一种或多种烯烃类型单体(例如α-烯烃单体)和至少一种类型的含胺单体的互聚物。在又其它实施例中,胺官能化互聚物和基于乙烯的聚合物可以是包含至少一种类型的含胺单体的单一互聚物(即,基于乙烯的胺官能化互聚物)。
适用于制备胺官能化互聚物的含胺单体可以是含有胺基并且具有至少一个不饱和点的任何单体。此类单体的实例包括(但不限于)烯基胺(例如乙烯胺、烯丙胺等)和氨基丙烯酸酯。含胺单体上的胺基可以是伯胺、仲胺、叔胺或其混合物。在各种实施例中,含胺单体的胺基可以是仲胺或叔胺。当含胺单体的胺基为仲胺或叔胺时,胺基上的取代基可以是具有1到20个碳原子,1到10个碳原子或1到6个碳原子的烃基(例如烷基)并且可以是支链、环状或直链的和饱和或不饱和的。仲胺或叔胺基团上的适合的取代基的实例包括(但不限于)甲基、乙基和叔丁基。
在各种实施例中,含胺单体可以是氨基丙烯酸酯。适合的氨基丙烯酸酯的实例包括(但不限于)甲基丙烯酸2-(二乙氨基)乙酯、甲基丙烯酸2-(二甲氨基)乙酯、甲基丙烯酸2-(叔丁氨基)乙酯以及其组合。在各种实施例中,含胺单体选自由以下组成的群组:甲基丙烯酸2-(二乙氨基)乙酯、甲基丙烯酸2-(二甲氨基)乙酯、甲基丙烯酸2-(叔丁氨基)乙酯以及其中的两种或更多种的混合物。
适用于制备胺官能化互聚物的α-烯烃单体可以是已知或用于制备基于α-烯烃的聚合物的所属领域中下文可见的任何α-烯烃。由于其涉及胺官能化互聚物,所以术语“α-烯烃”将包括乙烯。此类单体的实例包括(但不限于)乙烯或任何C3-20直链、支链或环状α-烯烃。C3-20α-烯烃的实例包括丙烯、1-丁烯、4-甲基-1-戊烯、1-己烯、1-辛烯、1-癸烯、1-十二烯、1-十四烯、1-十六烯以及1-十八烯。α-烯烃还可以具有环状结构,如环己烷或环戊烷,产生如3-环己基-1-丙烯(烯丙基环己烷)和乙烯基环己烷的α-烯烃。在各种实施例中,用于制备胺官能化互聚物的α-烯烃单体为乙烯。
在一个或多个实施例中,含胺互聚物为乙烯/氨基丙烯酸酯共聚物。在其它实施例中,乙烯/氨基丙烯酸酯可以包含与氨基丙烯酸酯单体,如上文所描述的那些(例如甲基丙烯酸2-(二乙氨基)乙酯、甲基丙烯酸2-(二甲氨基)乙酯、甲基丙烯酸2-(叔丁氨基)乙酯以及其中的两种或更多种的混合物)共聚或接枝的低密度聚乙烯的共聚物。
制备胺官能化互聚物可以通过所属领域中任何已知或下文可见的方法实现,包括共聚合和接枝技术。适合的制备技术的实例提供于以下实例部分中。
在各种实施例中,预期可以同时制备上文所描述的基于乙烯的聚合物和含胺互聚物。举例来说,在制备基于乙烯的聚合物的反应器中,可以将含胺单体馈入反应器中以与用于制备基于乙烯的聚合物的单体的一部分共聚合或接枝有所形成的基于乙烯的聚合物的一部分。因此,在各种实施例中,上文所描述的基于乙烯的聚合物和含胺互聚物可以是单一组分(即,基于乙烯的含胺互聚物)。在这些实施例中,可交联聚合性组合物可以是包含基于乙烯的胺官能化互聚物和有机过氧化物的基于双组分的系统。
用于制备胺官能化互聚物的含胺单体的量不受特定限制并且可以根据需要改变。然而,在各种实施例中,用于制备胺官能化互聚物的含胺单体的量可以在按用于制备胺官能化互聚物的所有含胺单体和烯烃类型单体的组合重量计0.1到20wt%,0.5到10wt%,1到5wt%或1到2wt%范围内变化。在基于乙烯的聚合物也是胺官能化互聚物的实施例中,所采用的含胺单体的量可以在按基于乙烯的胺官能化互聚物的总重量计25ppm到2wt%或25ppm到100ppm范围内变化。
在各种实施例中,按全部可交联聚合性组合物重量计,可交联聚合性组合物可以包含在50到99wt%、80到99wt%、90到99wt%或95到99wt%范围内的量的基于乙烯的聚合物。另外,可交联聚合性组合物可以包含按全部可交联聚合性组合物重量计0.1到5wt%、0.1到3wt%、0.4到2wt%、0.4到1.7wt%、0.5到1.4wt%或0.7到小于1.0wt%范围内的量的有机过氧化物。
在各种实施例中,胺官能化互聚物可以足以产生按可交联聚合性组合物的总重量计25百万分之一(“parts per million,ppm”)直到约100ppm范围内的胺官能化当量的量存在于可交联聚合性组合物中。举例来说,为了清楚起见,用于0.5wt%下的聚合性组合物中的具有2wt%氨基丙烯酸酯官能化的胺官能化互聚物将产生(2wt%×0.5wt%)100ppm当量胺官能化。
另外,胺官能化互聚物可以按可交联聚合性组合物的总重量计0.1到5wt%、0.2到2wt%或0.4到0.6wt%范围内的量存在于可交联聚合性组合物中。当然,胺官能化互聚物的所需浓度将取决于互聚物中的胺官能化程度而变化。具有低胺含量(例如0.1wt%互聚物)的胺官能化互聚物可以更高浓度使用以在总可交联聚合物组合物中实现所需胺官能化当量。另一方面,具有高胺含量的胺官能化互聚物可以更低浓度使用。
在其它实施例中,当胺官能化互聚物和基于乙烯的聚合物一起制备时,所得基于乙烯的胺官能化互聚物可以按全部可交联聚合性组合物重量计1到99wt%、50到99wt%、80到99wt%、90到99wt%或95到99wt%范围内的量存在。
在又其它实施例中,按每克可交联聚合性组合物的摩尔胺含量计,胺官能化互聚物(不管是以单独组分存在还是以基于乙烯的胺官能化互聚物形式形式)可以足以产生每克可交联聚合性组合物0.1到200微摩尔胺、每克可交联聚合性组合物0.1到100微摩尔胺、每克可交联聚合性组合物0.1到6微摩尔胺、每克可交联聚合性组合物0.2到2.5微摩尔胺或每克可交联聚合性组合物0.5到0.7微摩尔胺的摩尔胺含量的量存在。
除上文所描述的组分以外,可交联聚合性组合物也可以含有一种或多种添加剂,包括(但不限于)抗氧化剂、交联助剂、加工助剂、填充剂、偶合剂、紫外线吸收剂或稳定剂、抗静电剂、成核剂、助滑剂、塑化剂、润滑剂、粘度控制剂、增粘剂、防结块剂、表面活性剂、增量油、除酸剂、阻燃剂以及金属去活化剂。除填充剂之外的添加剂典型地按总组合物重量计0.01wt%或更少到10wt%或更多的范围内的量加以使用。填充剂一般以更大量添加,但所述量按总组合物重量计可以在低到0.01wt%或更少到65wt%或更多的范围内。填充剂的说明性实例包括典型算术平均颗粒大小大于15纳米的粘土、沉淀二氧化硅和硅酸盐、烟雾状二氧化硅、碳酸钙、磨细的矿物、三水氧化铝、氢氧化镁以及炭黑。
在各种实施例中,可交联聚合性组合物可以包含一种或多种抗氧化剂。示例性抗氧化剂包括受阻酚(例如,四[亚甲基(3,5-二-叔丁基-4-羟基氢化肉桂酸酯)]甲烷)、较少受阻酚和半受阻酚;磷酸酯、亚磷酸酯和亚膦酸二酯(例如,磷酸三(2,4-二-叔丁基苯基)酯;硫代化合物(例如,硫代二丙酸二硬脂酯、硫代二丙酸二月桂酯);各种硅氧烷;以及各种胺(例如,聚合的2,2,4-三甲基-1,2-二氢喹啉)。在各种实施例中,抗氧化剂选自由以下组成的群组:硫代二丙酸二硬脂酯、硫代二丙酸二月桂酯、3,5-二-叔丁基-4-羟基氢化肉桂酸十八基酯、苯丙酸3,5-双(1,1-二甲基乙基)-4-羟基-硫代二-2,1-乙烷二基酯、3-(3,5-二-叔丁基-4-羟苯基)丙酸硬酯酰酯、3-(3,5-二-叔丁基-4-羟苯基)-丙酸十八基酯、2,4-双(十二基硫基甲基)-6-甲基苯酚、4,4'-硫双(6-叔丁基-间甲酚)、4,6-双(辛基硫基甲基)-邻-甲酚、1,3,5-三(4-叔丁基-3-羟基-2,6-二甲基苯甲基)-1,3,5-三嗪-2,4,6-(1H,3H,5H)-三酮、季戊四醇四(3-(3,5-二-叔丁基-4-羟苯基)丙酸酯)、2',3-双[[3-[3,5-二-叔丁基-4-羟苯基]丙酰基]]丙酰肼以及其中的两种或更多种的混合物。按可交联聚合性组合物的总重量计,当存在时,抗氧化剂可以在0.01到5wt%、0.01到1wt%、0.1到5wt%、0.1到1wt%或0.1到0.5wt%范围内的量加以使用。
在各种实施例中,可交联聚合性组合物可以包括一种或多种交联助剂。此类交联助剂的实例包括聚烯丙基交联助剂,如异氰脲酸三烯丙酯(“TAIC”)、氰脲酸三烯丙酯(“TAC”)、苯偏三酸三烯丙酯(“TATM”)、原甲酸三烯丙酯、季戊四醇三烯丙基醚、柠檬酸三烯丙酯和乌头酸三烯丙酯;乙氧基化双酚A二甲基丙烯酸酯;α-甲基苯乙烯二聚体(“AMSD”);基于丙烯酸酯的助剂,如三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(“TMPTA”)、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯(“TMPTMA”)、1,6-己二醇二丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、二季戊四醇五丙烯酸酯、三(2-羟乙基)异氰脲酸酯三丙烯酸酯和丙氧基化甘油基三丙烯酸酯;基于乙烯基的助剂,如具有高1,2-乙烯基含量的聚丁二烯和三乙烯基环己烷(“TVCH”);以及如USP 5,346,961和4,018,852中所描述的其它助剂。当采用时,可交联聚合性组合物可以包含按全部可交联聚合性组合物重量计0到3wt%、0.1到3wt%、0.5到3wt%、0.7到3wt%、1.0到3wt%或1.5到3wt%范围内的量的交联助剂。
在各种实施例中,可交联聚合性组合物可以包含酸性或具有一种或多种酸性分解产物的至少一种组分。如上文所提及和下文更详细论述,据相信,可交联聚合性组合物中的酸性物质促成有机过氧化物降解并且因此经由酸催化的分解损失固化势能。以此方式过氧化物降解不会产生引发聚合物交联并且因此导致固化势能损失的自由基。酸性组分的来源可以大大变化并且不受特定限制。然而,在各种实施例中,酸性组分的来源可以是上文所描述的添加剂中的任一种或多种,尤其如抗氧化剂、交联助剂和加工助剂。举例来说,酸性物质可以通过常见稳定剂氧化产生以得到例如硫基酸、亚磷基酸或羧酸。在各种实施例中,酸性组分的来源可以是抗氧化剂。在又其它实施例中,酸性组分的来源为二硬脂基二硫代丙酸酯。
制备可交联聚合性组合物
可交联聚合性组合物的制备可以包含混配上文所描述的组分。举例来说,混配可以通过(1)将所有组分混配入基于乙烯的聚合物中或(2)混配除有机过氧化物外的所有组分(可以如下文所描述浸泡于其中)来进行。可交联聚合性组合物的混配可以由所属领域的技术人员已知的标准设备来实现。混配设备的实例是内部分批混合器,如BrabenderTM、BanburyTM或BollingTM混合器。或者,可以使用连续单螺杆或双螺杆混合器,如FarrelTM连续混合器、Werner和PfleidererTM双螺杆混合器或BussTM捏合连续挤出机。混配可以在高于基于乙烯的聚合物的熔融温度高到高于基于乙烯的聚合物开始降解的温度的温度下进行。在各种实施例中,混配可以在100℃到200℃或110℃到150℃范围内的温度下进行。
或者,在一个或多个实施例中,基于乙烯的聚合物和任何任选的组分可以首先根据上文所描述的程序熔融混配,并且粒化。胺官能化互聚物可以接着添加到丸粒中,在高温(例如130℃)下混合,接着按压、冷却并且切割成即将在高温(例如200℃)下挤出的条带并且再次粒化。随后,可以将有机过氧化物和交联助剂(如果采用)同时或依次浸泡到所得基于乙烯的聚合物混配物中。在一个实施例中,可以将有机过氧化物和任选的助剂在高于有机过氧化物和任选的助剂熔融温度中较高的温度下预混合,接着在30℃到100℃、50℃到90℃或60℃到80℃范围内的温度下将基于乙烯的聚合物混配物浸泡在有机过氧化物和任选的交联助剂的所得混合物中持续在1到168小时、1到24小时或3到12小时范围内的时间段。
所得可交联聚合性组合物可以具有提高的固化势能损失耐性。尽管不希望受理论束缚,据相信,胺官能化互聚物赋予给可交联聚合性组合物的胺官能基提高了可交联聚合性组合物固化势能的保持力。基本上,据相信,胺官能基抑制或干扰可交联聚合性组合物中的过氧化物的酸催化分解,因此保留固化势能。
在一个或多个实施例中,可交联聚合性组合物在制备可交联聚合性组合物后立即交联时具有初始固化势能(CP0),如以下实例中所描述,并且通过动模流变仪在182℃下测量为最大扭力(英寸-磅)。另外,可交联聚合性组合物在70℃和环境压力下使所述可交联聚合性组合物老化14天之后交联时具有加热老化固化势能CP14,如以下实例中所描述,并且通过动模流变仪在182℃下测量为最大扭力(英寸-磅)。在各种实施例中,可交联聚合性组合物的CP14与CP0的比率为至少0.1、至少0.2、至少0.3、至少0.4、至少0.5、至少0.6、至少0.7、至少0.8或至少0.9并且最多1.1或1。
在一个或多个实施例中,可交联聚合性组合物在70℃和环境压力下使所述可交联聚合性组合物老化21天之后交联时具有加热老化固化势能CP21,如以下实例中所描述,并且通过动模流变仪在182℃下测量为最大扭力(英寸-磅)。在各种实施例中,可交联聚合性组合物的CP21与CP0的比率为至少0.1、至少0.2、至少0.3、至少0.4、至少0.5、至少0.6、至少0.7、至少0.8或至少0.9并且最多1.1或1。
交联的聚合性组合物
可使上文所描述的可交联聚合物组合物固化或允许其固化,以便形成交联的基于乙烯的聚合物。此类固化可以通过使可交联聚合性组合物在加热固化区中经受高温来进行,所述高温可以维持在175℃到260℃范围内的温度下。加热固化区可以通过加压蒸汽来加热或通过加压的氮气来感应式加热。其后,可以使交联的聚合性组合物冷却(例如,冷却到环境温度)。
交联方法可在交联的聚合性组合物中产生挥发性分解副产物。术语“挥发性分解产物”表示在固化步骤期间并且可能在冷却步骤期间通过有机过氧化物的引发而形成的副产物。此类副产物可以包含烷烃,如甲烷。在交联之后,可以使交联的聚合物组合物经历脱气以去除挥发性分解副产物的至少一部分。脱气可以在脱气温度、脱气压力下进行并且持续脱气时间段以产生经脱气的聚合性组合物。在各种实施例中,脱气温度可以在50℃到150℃或60℃到80℃范围内。在一个实施例中,脱气温度是65℃到75℃。脱气可以在标准大气压力(即,101,325Pa)下进行。
经涂布导体
包含导体和绝缘层的电缆可以采用上文所描述的可交联聚合性组合物制备。“电缆”和“电力电缆”意味着护套(例如绝缘套和/或保护性外夹套)内的至少一个电线或光纤。典型地,电缆是束缚在一起的两个或更多个电线或光纤,其通常处于常见绝缘套和/或保护性夹套中。护套内的个别电线或纤维可以是裸露的、经覆盖的或被隔离的。组合电缆可以含有电线和光纤两者。典型电缆设计说明于USP 5,246,783、6,496,629以及6,714,707中。“导体”表示用于传导热量、光和/或电的一种或多种电线或纤维。导体可以是单电线/纤维或多电线/纤维并且可以呈股线形式或呈管状形式。适合导体的非限制性实例包括金属,如银、金、铜、碳和铝。导体也可以是由玻璃或塑料制成的光纤。
此类电缆可以用各种类型的挤出机(例如,单螺杆或双螺杆类型)通过将可交联聚合性组合物挤出到导体上(直接或挤出到中间层上)来制备。常规挤出机的说明可以见于USP 4,857,600中。共挤出和因此挤出机的实例可以见于USP 5,575,965中。
在挤出之后,可将挤出的电缆传送到挤出模具下游的加热固化区中以帮助使可交联聚合性组合物交联并且从而产生交联的聚合性组合物。加热固化区可以维持在175℃到260℃范围内的温度下。在一个实施例中,加热固化区是连续硫化(“CV”)管。在各种实施例中,如上文所论述,可以接着使交联的聚合性组合物冷却和脱气。
交流电缆可以根据本发明来制备,可以是低电压、中电压、高电压或超高电压电缆。此外,直流电缆可以根据本发明来制备,其可以包括高电压或超高电压电缆。
测试方法
动模流变仪
分别根据ASTM D5289中所描述的方法,在Alpha Technologies MDR 2000上,在182℃下进行动模流变仪(“MDR”)测试。使用MDR测定固化势能,所述MDR将振荡应力施加到保持在182℃下的熔融样品上,同时记录扭力。当化合物交联时,扭力提高以达到稳定扭力最大值Mh。比较Mh随热老化时间(例如在70℃下)变化提供了比较组合物在近似环境条件下历经较长存储时间保持固化势能的能力的手段。
热老化
在旋拧盖下用MYLARTM膜密封的罐中,在实验室烘箱内,在70℃下使样品加热老化。在指定老化时间之后从罐中移出刚好足够的材料以便MDR测试,其后再密封罐并且送回烘箱以便进一步加热老化。
制备交联的薄板样品以便耗散因子测试
压缩模制足够量的粒化化合物以填充8"×8"×0.010"框架。使用以下顺序的条件进行压缩模制:i)在125℃和125psi下3分钟,ii)在125℃和2500psi下5分钟,iii)淬灭冷却,iv)去除过量溢料,切割成片件,并且继续额外的按压方案,v)在125℃和500psi下3分钟,vi)在125℃和2500psi下3分钟,vii)将温度提高到182℃并且在2500psi下保持12分钟,viii)淬灭冷却。
耗散因子
在120℃的温度和25kV/mm的电应力下,在从样品的交联薄板切割出的3英寸圆盘上测量60Hz耗散因子。此通过在综研(Soken)样品保持器/测试电池型号DAC-OBE-7的平坦盘状电极之间插入样品进行。用油填充测试电池,使用苏威特种聚合物公司(SolvaySpecialty Polymers)的Galden D03全氟聚醚,其使用温度受控油浴加热和循环。在样品插入1小时之后获取测量结果以确保系统在目标测试温度下处于热平衡。电源用于提供高达60Hz 10kV试验电压。综研自动西林电桥(Soken Automatic Schering Bridge)型号DAC-PSC-UA用于测量综研型号DAC-Cs-102A 1000pF参考电容器的耗散因子。
密度
根据ASTM D792测定密度。
熔融指数
根据ASTM D1238(条件为190℃/2.16kg)测量熔融指数或I2,并且以每10分钟洗脱的克数为单位报告。
材料
在下文实例中采用以下材料。
所采用的低密度乙烯(“LDPE”)具有2g/10min的熔融指数(I2),0.920g/cm3的密度并且由美国密歇根州米德兰陶氏化学公司生产。
甲基丙烯酸2-(二甲氨基)乙酯可购自美国密苏里州圣路易斯市西格玛阿尔德里奇(Sigma Aldrich,St.Louis,MO,USA)。
甲基丙烯酸2-(二乙氨基)乙酯可购自美国密苏里州圣路易斯市西格玛阿尔德里奇。
甲基丙烯酸2-(叔丁氨基)乙酯可购自美国密苏里州圣路易斯市西格玛阿尔德里奇。
丙醛(97%)可购自美国密苏里州圣路易斯市西格玛阿尔德里奇。
过氧基乙酸叔丁酯(异十二烷中的50重量%溶液)可购自美国宾夕法尼亚州匹兹堡飞世尔科技公司(Fisher Scientific,Pittsburgh PA,USA)。
正庚烷可购自美国密苏里州圣路易斯市西格玛阿尔德里奇。
乙烯单体可购自普莱克斯(Praxair)。
二硬脂基硫代二丙酸酯(“DSTDP”;抗氧化剂)可购自意大利博洛尼亚S.p.A试剂公司(Reagens,S.p.A,Bologna,Italy)。
CyanoxTM 1790(三[(4-叔丁基-3-羟基-2,6-二甲基苯基)甲基]-1,3,5-三嗪-2,4,6-三酮;抗氧化剂)可购自美国新泽西州伍德兰公园氰特工业公司(Cytec Industries,Woodland Park,NJ,USA)。
过氧化二异丙苯可购自阿科玛公司(Arkema Inc)。
实例
实例1
根据以下方法制备对照乙烯聚合物和三种乙烯/氨基丙烯酸酯共聚物。
将未经稀释的氨基丙烯酸酯单体(甲基丙烯酸2-(二甲氨基)乙酯、甲基丙烯酸2-(二乙氨基)乙酯或甲基丙烯酸2-(叔丁氨基)乙酯)装载到0.25L玻璃供应器皿中,其敞开于大气。至于链转移剂,未经稀释丙醛(97%)的新鲜250mL瓶子用作供应器皿,其敞开于大气。至于引发剂,将过氧基乙酸叔丁酯(异十二烷中的2.3克50重量%溶液)与500mL正庚烷组合并且装载到第三玻璃供应器皿中。此溶液用氮气净化以使溶解氧减到最少。
对于对照样品,以1,000克/小时(35.65摩尔/小时)在2,000巴压力下将乙烯注入经搅动(2,000rpm)的54mL高压连续搅拌槽反应器(“CSTR”)中,外部加热夹套设定在187℃下。随后,通过HPLC脱气器使丙醛脱气并且接着在250巴压力和3.46克/小时(60毫摩尔/小时)的速率下添加乙烯流。接着使混合物压缩到2,000巴。在混合物进入反应器之前,在2,000巴压力和3.2×10-3克/小时(0.024毫摩尔/小时)的速率下将过氧化物引发剂添加到乙烯-丙醛混合物中。
乙烯到聚合物的转化率为按进入反应器的乙烯质量计10.5wt%并且平均反应温度为220℃。获得熔融指数(I2)为4.5g/10min的基于乙烯的聚合物。采集到约70克基于乙烯的聚合物。
对于乙烯/氨基丙烯酸酯样品,在250巴压力和1.84克/小时(11.7毫摩尔/小时)的速率下经由HPLC脱气器泵送未经稀释的氨基丙烯酸酯单体,并且接着进入丙醛流中并且混合,之后将混合物添加到乙烯流中并且压缩到2,000巴。在混合物进入反应器之前,在2,000巴压力和4.6×10-3克/小时(0.036毫摩尔/小时)的速率下将过氧化物引发剂添加到乙烯-丙醛-氨基丙烯酸酯混合物中。
乙烯到聚合物的转化率为按进入反应器的乙烯质量计11wt%并且平均反应温度为218℃。获得熔融指数(I2)为5g/10min的基于乙烯的聚合物。采集到约350克乙烯/氨基丙烯酸酯聚合物。
以上比较说明适用于本发明中的基于乙烯的胺官能化互聚物的样品制备方法;添加氨基丙烯酸酯对乙烯转化率或所得聚合物的熔融指数几乎无影响。
根据上文所描述的程序获得以下乙烯/氨基丙烯酸酯共聚物:
表1-乙烯/氨基丙烯酸酯共聚物特性
样品名称 氨基丙烯酸酯类型 氨基丙烯酸酯含量(wt%)
A 甲基丙烯酸2-(二乙氨基)乙酯 1.98wt%
B 甲基丙烯酸2-(二甲氨基)乙酯 1.66wt%
C 甲基丙烯酸2-(叔丁氨基)乙酯 1.30wt%
实例2
根据以下表2中列出的配方制备一个比较样品(“CS1”)和三个样品(“S1-S3”)。
表2-CS1和S1-S3的组成
根据以下程序制备表2中示出的样品配方。在沃尔纳飞德莱(Werner Pfleiderer)双螺杆挤出机(型号ZSK-30)中将LDPE、DSTDP和Cyanox 1790熔融混配在一起并且接着粒化。接着在130℃和30rpm下使用布拉班德(Brabender)混合桶以熔化经稳定的LDPE。对于样品S1-S3,将乙烯/氨基丙烯酸酯共聚物添加到混合器中并且混合过程持续额外5分钟。所得组合物经按压、冷却并且切割成条带以馈入单螺杆挤出机中。在200℃熔融温度下进行挤压以形成可以粒化成约1/8"直径丸粒的线料。
随后,将过氧化二异丙苯浸泡于如下样品中。首先,在8盎司玻璃罐中,在70℃下在烘箱中预加热100g预掺合物丸粒4小时。将熔融的过氧化二异丙苯(约55℃)添加到罐中。在旋拧盖下用MYLARTM膜密封罐并且滚揉、送回烘箱持续约15分钟,接着再次滚揉或震荡以确保丸粒表面干燥(指示过氧化物已被吸收)。接着允许丸粒在烘箱中在70℃下浸泡过夜。
从罐中移出样品以评估随热老化时间变化的固化势能。使样品加热老化并且根据上文所描述的程序使用动模流变仪(MDR)测定其固化势能。这些分析的结果提供于以下表3中。
表3-CS1和S1-S3的加热老化固化势能保持力
(列出的值表示以英寸-磅为单位的Mh)
在70℃下的天数 CS1 S1 S2 S3
0 3.19 3.17 3.19 2.66
4 3.25 3.36 3.25 2.66
7 2.66 3.36 3.39 2.72
13 0.16 3.39 3.28 2.73
21 (0.16)* 3.48 3.36 2.75
28 (0.16)* 3.47 2.53 2.69
CP13/CP0** 0.05 >1 >1 >1
CP21/CP0 0.05 >1 >1 >1
*(基于早期固化测量结果的推断值,适用于计算固化比率CPx/CP0)
**注意CP13/CP0用作CP14/CP0的合理近似值
如表3中所见,发现CS1在70℃下热老化7天和13天之间失去其固化势能,这是过氧化物酸催化分解的特征。然而,对于S1-S3,经由乙烯/氨基丙烯酸酯共聚物添加少量胺官能基产生超过4周的固化势能保持力。此为共聚物内胺官能基缓解过氧化物的酸催化分解的清晰指示。
实例3
制备CS1和S1-S3中的每一种以便根据以下程序测定耗散因子。将如实例2中所描述制备的样品中的每一种按压成12密耳薄板并且如上文所描述进行交联。所得薄板在60℃下存储于真空烘箱中4天以去除交联反应的挥发性副产物。从薄板切割出3英寸盘并且根据上文所描述的测试方法分析耗散因子。结果提供于以下表4中。
表4-CS1和S1-S3的耗散因子
CS1 S1 S2 S3
在120℃和25kV/mm下的DF <0.1% <0.1% <0.1% <0.1%
在所有情况下,样品具有小于0.1%的耗散因子。此指示每一种都适用作高电压AC电力电缆中的绝缘材料。
实例4
通过使用CS1(不含有过氧化物)的预掺合物的一部分稀释S1和S2的预掺合物来制备三个额外样品(S4-S6)。在2辊筒研磨机(0.4mm间隙,20rpm,大致混合时间为6分钟,辊筒温度为115℃,在此期间从边缘切割材料并且馈入辊筒中心约10次)上进行此稀释以实现表5中的配方。
表5-S4到S6的组成
接着将研磨薄片分割成尺寸约0.5cm的小正方形,并且将50g经稀释和分割的材料插入16盎司罐中。如实例2中所描述,以类似方式将过氧化二异丙苯浸泡于样品中。首先,在16盎司玻璃罐中,在70℃下在烘箱中预加热50g每份分割材料4小时。将熔融的过氧化二异丙苯(约55℃)添加到罐中。在旋拧盖下用MylarTM膜密封罐并且滚揉、送回烘箱持续约15分钟,接着再次滚揉或震荡以确保材料表面干燥(指示过氧化物已被吸收)。接着允许材料在烘箱中在70℃下浸泡过夜。
从罐中移出样品以评估随热老化时间变化的固化势能。使样品加热老化并且根据上文所描述的程序使用动模流变仪(MDR)测定其固化势能。这些分析的结果提供于以下表6中。
表6-S4-S6的加热老化固化势能保持力
(列出的值表示以英寸-磅为单位的Mh)
(*基于4天测量结果的推断值,未测量实际值)。
经稀释样品的初始固化势能的量值显著地小于CS1和S1-S3的量值。初始固化势能的此降低最可能为较大16盎司罐表面积提高的结果,导致相比于粒化材料,过氧化物掺入平坦正方形中的效率降低。尽管初始固化势能降低,所有稀释样品都保持极佳的固化势能保持力,如CP14/CP0比率所表示。
实例5
根据以下表7中列出的配方制备一个比较样品(“CS2”)和三个样品(“S7-S9”)。
表7-CS2和S7-S9的组成
根据以下程序制备表7中示出的样品配方。在布拉班德混合桶中在130℃和30rpm下通过首先熔融LDPE并且接着添加抗氧化剂和混合1分钟来将LDPE、DSTDP和Cyanox 1790熔融混配在一起。在布拉班德混合桶中将氨基丙烯酸酯共聚物添加到熔融物中并且在130℃和30rpm下持续混合5分钟。所得组合物经按压、冷却并且切割成条带以馈入单螺杆挤出机中。在200℃熔融温度下进行挤压以形成可以粒化成约1/8"直径丸粒的线料。
随后,将过氧化二异丙苯浸泡于如下样品中。首先,在8盎司玻璃罐中,在70℃下在烘箱中预加热100g预掺合物丸粒4小时。将熔融的过氧化二异丙苯(约55℃)添加到罐中。在旋拧盖下用MylarTM膜密封罐并且滚揉、送回烘箱持续约15分钟,接着再次滚揉或震荡以确保丸粒表面干燥(指示过氧化物已被吸收)。接着允许丸粒在烘箱中在70℃下浸泡过夜。
从罐中移出样品以评估随热老化时间变化的固化势能。使样品加热老化并且根据上文所描述的程序使用动模流变仪(MDR)测定其固化势能。这些分析的结果提供于以下表8中。
表8-CS2和S7-S9的加热老化固化势能保持力
(列出的值表示以英寸-磅为单位的Mh)
在70℃下的天数 S7 S8 S9 CS2
0 3.12 3.28 3.23 3.30
4 3.23 3.30 3.21 3.21
7 3.23 3.33 3.20 3.26
14 3.24 3.37 3.24 1.87
21 3.25 3.44 1.86 0.17
28 3.25 2.47 0.17 0.17
CP14/CP0 >1 >1 >1 0.57
CP21/CP0 >1 >1 0.58 0.05
样品S7-S9和CS2的经修改的稀释液流程更类似于样品CS1和S1-S3的制备,产生重复性更好的初始扭力(相比于表3)。此处,胺官能基保留组合物固化势能的有效性已确定为不变的趋势。在少到25ppm氨基丙烯酸酯或0.15微摩尔胺当量的情况下维持基于14天加热老化的固化势能保持力。

Claims (15)

1.一种可交联聚合性组合物,其包含:
(a)基于乙烯的聚合物;
(b)有机过氧化物;以及
(c)胺官能化互聚物,在其中并有至少一种类型的含胺单体。
2.根据权利要求1所述的可交联聚合性组合物,其中所述胺官能化互聚物包含乙烯/氨基丙烯酸酯共聚物。
3.根据权利要求2所述的可交联聚合性组合物,其中所述乙烯/氨基丙烯酸酯共聚物包含与选自由以下组成的群组的氨基丙烯酸酯单体共聚或接枝的低密度聚乙烯的共聚物:甲基丙烯酸2-(二乙氨基)乙酯、甲基丙烯酸2-(二甲氨基)乙酯、甲基丙烯酸2-(叔丁氨基)乙酯以及其中的两种或更多种的混合物。
4.根据前述权利要求中任一权利要求所述的可交联聚合性组合物,其中所述胺官能化互聚物以足以产生每克所述可交联聚合性组合物0.1到200微摩尔胺范围内的摩尔胺含量的量存在。
5.根据前述权利要求中任一权利要求所述的可交联聚合性组合物,其进一步包含至少一种酸性组分。
6.根据权利要求5所述的可交联聚合性组合物,其进一步包含抗氧化剂,其中所述抗氧化剂为所述酸性组分的来源。
7.根据前述权利要求中任一权利要求所述的可交联聚合性组合物,其中所述基于乙烯的聚合物以按全部可交联聚合性组合物重量计50到99重量百分比范围内的量存在;其中所述有机过氧化物以按所述全部可交联聚合性组合物重量计0.1到5重量百分比范围内的量存在;其中所述胺官能化互聚物以按所述全部可交联聚合性组合物重量计0.1到5重量百分比范围内的量存在。
8.根据前述权利要求中任一权利要求所述的可交联聚合性组合物,其中所述可交联聚合性组合物在制备所述可交联聚合性组合物后立即交联时具有初始固化势能(CP0)并且通过动模流变仪在182℃下测量为最大扭力(英寸-磅(in-lbs)),其中所述可交联聚合性组合物在70℃下使所述可交联聚合性组合物老化14天之后交联时具有加热老化固化势能CP14并且通过动模流变仪在182℃下测量为最大扭力(英寸-磅),其中所述可交联聚合性组合物具有至少0.6的CP14与CP0的比率。
9.一种交联的制品,其由根据前述权利要求中任一权利要求所述的可交联聚合性组合物制备。
10.一种经涂布导体,其包含:
导电芯;以及
至少部分地包围所述导电芯的聚合层,其中所述聚合层的至少一部分包含根据权利要求9所述的交联的制品。
11.一种可交联聚合性组合物,其包含:
(a)基于乙烯的胺官能化互聚物,在其中并有至少一种类型的含胺单体;以及
(b)有机过氧化物。
12.根据权利要求11所述的可交联聚合性组合物,其中所述胺官能化互聚物包含乙烯/氨基丙烯酸酯共聚物,其中所述乙烯/氨基丙烯酸酯共聚物包含与选自由以下组成的群组的氨基丙烯酸酯单体共聚或接枝的低密度聚乙烯的共聚物:甲基丙烯酸2-(二乙氨基)乙酯、甲基丙烯酸2-(二甲氨基)乙酯、甲基丙烯酸2-(叔丁氨基)乙酯以及其中的两种或更多种的混合物。
13.根据权利要求11或12中任一权利要求所述的可交联聚合性组合物,其中所述基于乙烯的胺官能化互聚物以足以产生每克所述可交联聚合性组合物0.1到200微摩尔胺范围内的摩尔胺含量的量存在。
14.根据权利要求11到13中任一权利要求所述的可交联聚合性组合物,其中所述基于乙烯的胺官能化互聚物以按所述全部可交联聚合性组合物重量计1到99重量百分比范围内的量存在;其中所述有机过氧化物以按所述全部可交联聚合性组合物重量计0.1到5重量百分比范围内的量存在。
15.一种经涂布导体,其包含:
导电芯;以及
至少部分地包围所述导电芯的聚合层,其中所述聚合层的至少一部分包含由根据权利要求11到14中任一权利要求所述的可交联聚合性组合物制备的交联聚合性组合物。
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