CN106554537A - 一种高压可交联聚乙烯电力电缆 - Google Patents

一种高压可交联聚乙烯电力电缆 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高压可交联聚乙烯电力电缆，由内而外依次包括线芯（导体）、绝缘层、屏蔽层和保护层四部分组成；本发明制备的电缆具有优异的机械强度和韧性，抗电枝老化性能好，且符合高压电缆用化学交联聚乙烯绝缘料的电气等性能标准，且具有良好的加工性能。

Description

一种高压可交联聚乙烯电力电缆
技术领域
本发明涉及电缆技术领域，尤其涉及一种高压可交联聚乙烯电力电缆。
背景技术
高压直流输电因具有比交流输电传输容量大、损耗低、电缆附件结构简单和维护成本低等优点而备受重视。目前，直流输电途径有3种：充油电缆输电；油浸纸电缆输电；塑料直流电缆输电。充油电缆和油浸纸电缆由于成本高和维护难度大等缺点，应用受到限制。塑料直流电缆制备成本低、应用前景广，在跨海输电和城市输电等领域，越来越多的国家，尤其是发达国家开始研发塑料高压直流电缆，制备高压直流电缆的关键难题之一为：在直流输电过程中，导体会向绝缘层注入电子和空穴，而绝缘层极易发生电子或空穴积聚，形成空间电荷包，引发电场畸变，严重时发生电击穿，造成输电事故。因此，寻找有效途径抑制空间电荷积聚，均化绝缘层电场分布，抑制电树枝生长，延长电缆的使用寿命，是制备高性能塑料直流电缆亟待解决的技术瓶颈。纳米复合技术的出现为制备高性能直流电缆带来了新的技术革命，纳米颗粒由于自身的介电特性、与基体形成的界面效应等，可以改善复合材料的绝缘电气性能，大量研究证明交联聚乙烯中添加纳米颗粒可以有效抑制空间电荷积聚，提高击穿强度和体积电阻率，抑制电树枝生长，从而改善绝缘材料电气性能。这使得纳米颗粒/交联聚乙烯复合材料越来越受到关注。
《多层介孔纳米氧化镁/低密度聚乙烯复合材料的制备及其绝缘性能》一文中作者通过水热反应，制备了具有多层介孔结构的纳米氧化镁，使用低沸点溶剂法，将纳米氧化镁初步均匀黏附在低密度聚乙烯颗粒表面，然后通过哈克共混，最终制备出分散性较好的多层介孔纳米MgO/LDPE复合材料，结果表明纳米氧化镁在LDPE中均匀分散，并且添加1wt%的多层介孔纳米氧化镁的复合材料在70KV/mm直流电场下，正负极附近没有发现电极注入的电子和空穴，抑制了异极性空间电荷的产生，阻挡电树枝的生长，具有良好的绝缘性，并且击穿场强有明显的提高，降低了复合材料的介电常数，此外添加纳米颗粒的多层介孔纳米MgO/LDPE复合材料在高频和低频下非常稳定，可以满足在宽频下的使用，对于绝缘材料，低介电常数具有低的极化率，在高电场下，极化率越低，其绝缘特性越好，其多层纳米MgO/LDPE复合材料的介电特性满足高性能绝缘材料的使用条件。虽然上文的制备的MgO/LDPE复合材料具有良好的绝缘性和抗老化性能，但是聚乙烯在高温下容易分解，并且阻燃性差，燃烧产生烟雾，有极大的安全隐患，所以针对这一缺点，本发明在上文的基础上进行改性研究，以期达到实用性好、安全性高、适用范围广的电缆。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种高压可交联聚乙烯电力电缆。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种高压可交联聚乙烯电力电缆，由内而外依次包括线芯（导体）、绝缘层、屏蔽层和保护层四部分组成；其中，保护层是由下列重量份的原料制备制成：氧化镧6.5-7、氢氧化钠3.8-4.2、异辛酸17-18、200号溶剂油22-24、异辛酸锌1.5-2、油酸钙2-2.5、聚乙二醇400 2-3、水滑石1.4-2、硅溶胶4-6、42号溶剂油18-22、低密度聚乙烯90-100、马来酸酐3-5、TBPO引发剂0.2-0.4、BIPB交联剂1-2、硬脂酸钡0.4-0.5、乙烯醋酸乙烯酯11-15、六钛酸钾纤维5-7、甲基乙烯基硅橡胶22-25、碳化硅3-4、壳聚糖3.5-5、巯丙基三甲基硅烷0.4-0.5、柠檬酸三丁酯3-4、煅烧陶土9-13、去离子水适量。
所述一种高压可交联聚乙烯电力电缆，由以下具体步骤制备制成：
（1）将氧化镧用适量的浓盐酸溶解，再按照质量体积比g：mL1：8-8.5加入去离子水，除去沉淀后加入异辛酸和200号溶剂油，开始搅拌，升高温度至80℃，再加入40wt%氢氧化钠水溶液，滴加完成后保温40-60min，冷却至室温后，静置分层，将油层洗涤至不含氯离子，减压脱水得到异辛酸镧备用；
（2）将硅溶胶、聚乙二醇400混合加到6-7倍量的无水乙醇中，搅拌均匀后加入水滑石细粉，超声分散均匀，再将异辛酸锌、油酸钙、42号溶剂油和步骤（1）制备的产物加到上述混合物中，升高温度至110-120℃回流反应2-3h，降低温度至50℃时减压抽滤除去固体杂质，自然冷却至室温；
（3）将煅烧陶土用球磨机研磨成粒径为0.5-1μm的粉末状，按照1.5-2g/L的比例加到浓度为1-2mol/L的硝酸铵溶液中，在75-85℃下加热回流12-15h，过滤，沉淀用去离子水洗涤呈中性后烘干，然后在400-500℃下煅烧3-4h，冷却后粉碎成微粉后和巯丙基三甲基硅烷、碳化硅、无水乙醇混合，边搅拌边加热至干燥，然后将干燥的混合粉末按照固液比4-6g：1L加到质量浓度为2-3%的乙酸水溶液中，超声分散得悬浊液后加入壳聚糖，在60-80℃下搅拌4-6h，然后置于真空干燥箱中60℃下烘干，趁热粉碎备用；
（4）将15%低密度聚乙烯、乙烯醋酸乙烯酯和马来酸酐按照配料比加到高速混合机中搅拌均匀，搅拌10-15min后加入硬脂酸钡搅拌4-7min，再向混合物中加入六钛酸钾纤维、步骤（3）制备的产物和TBPO引发剂在捏合机中捏合，充分混合后用挤出机挤出，挤出机温度设置为135-145℃，得到改性相容剂备用；
（5）将剩余的低密度聚乙烯、甲基乙烯基硅橡胶、步骤（2）制备的产物、步骤（4）制备的产物和除BIPB交联剂以外其余剩余的物料混合，在转矩流变仪上熔融复合，制得纳米复合物，再将纳米复合物和BIPB交联剂在开炼机上熔融共混，然后在平板硫化机中将复合物在温度为140-150℃，压力为15-20MPa下热压成型即得。
本发明的优点是：随着电力电缆材料高压直流输出的增大对电缆保护层的要求越来越高，并且在高温下聚乙烯容易发生分解，常规的方法是加入稳定剂和抗氧化剂，随着环保意识的增强，必须减少使用含铅、镉等重金属稳定剂，本发明利用我国丰富的稀土资源，并且稀土的毒性相对较低，对材料的光学、力学性能均有改善，所以采用稀土改性钙锌生成复合稳定剂，并且利用硅溶胶、水滑石等形成混合溶胶和复合稳定剂共混形成改性的复合稳定剂，不仅提高了聚乙烯的热稳定性，还提高了聚乙烯的光稳定性、耐候性和阻燃性，利用煅烧陶土和碳化硅复配作为树脂的填料能够有效的提高电缆料的抗冻、高强、耐磨、耐风化等方面的性能，为提高其在高分子基体中的分散性，利用巯丙基三甲基硅烷和壳聚糖改性，增强表面各种活性基团，可加工性高，利用马来酸酐等制备出相容剂，并且添加六钛酸钾纤维和填料负载在相容剂里，提高了填料在聚乙烯中的相容性和补强性，改性相容剂的加入不仅改善了填料、增强树脂与基体树脂的相容性，改善了填料的分散状态和增加了界面粘结力，减少界面应力集中的发生，本发明制备的电缆具有优异的机械强度和韧性，抗电枝老化性能好，且符合高压电缆用化学交联聚乙烯绝缘料的电气等性能标准，且具有良好的加工性能。
具体实施方式
一种高压可交联聚乙烯电力电缆，由内而外依次包括线芯（导体）、绝缘层、屏蔽层和保护层四部分组成；其中，保护层是由下列重量份（公斤）的原料制备制成：氧化镧6.5、氢氧化钠3.8、异辛酸17、200号溶剂油22、异辛酸锌1.5、油酸钙2、聚乙二醇400 2、水滑石1.4、硅溶胶4、42号溶剂油18、低密度聚乙烯90、马来酸酐3、TBPO引发剂0.2、BIPB交联剂1、硬脂酸钡0.4、乙烯醋酸乙烯酯11、六钛酸钾纤维5、甲基乙烯基硅橡胶22、碳化硅3、壳聚糖3.5、巯丙基三甲基硅烷0.4、柠檬酸三丁酯3、煅烧陶土9、去离子水适量。
所述一种高压可交联聚乙烯电力电缆，由以下具体步骤制备制成：
（1）将氧化镧用适量的浓盐酸溶解，再按照质量体积比g：mL1：8加入去离子水，除去沉淀后加入异辛酸和200号溶剂油，开始搅拌，升高温度至80℃，再加入40wt%氢氧化钠水溶液，滴加完成后保温40min，冷却至室温后，静置分层，将油层洗涤至不含氯离子，减压脱水得到异辛酸镧备用；
（2）将硅溶胶、聚乙二醇400混合加到6倍量的无水乙醇中，搅拌均匀后加入水滑石细粉，超声分散均匀，再将异辛酸锌、油酸钙、42号溶剂油和步骤（1）制备的产物加到上述混合物中，升高温度至110℃回流反应2h，降低温度至50℃时减压抽滤除去固体杂质，自然冷却至室温；
（3）将煅烧陶土用球磨机研磨成粒径为0.5μm的粉末状，按照1.5g/L的比例加到浓度为1mol/L的硝酸铵溶液中，在75℃下加热回流12h，过滤，沉淀用去离子水洗涤呈中性后烘干，然后在400℃下煅烧3h，冷却后粉碎成微粉后和巯丙基三甲基硅烷、碳化硅、无水乙醇混合，边搅拌边加热至干燥，然后将干燥的混合粉末按照固液比4g：1L加到质量浓度为2%的乙酸水溶液中，超声分散得悬浊液后加入壳聚糖，在60℃下搅拌4h，然后置于真空干燥箱中60℃下烘干，趁热粉碎备用；
（4）将15%低密度聚乙烯、乙烯醋酸乙烯酯和马来酸酐按照配料比加到高速混合机中搅拌均匀，搅拌10min后加入硬脂酸钡搅拌4min，再向混合物中加入六钛酸钾纤维、步骤（3）制备的产物和TBPO引发剂在捏合机中捏合，充分混合后用挤出机挤出，挤出机温度设置为135℃，得到改性相容剂备用；
（5）将剩余的低密度聚乙烯、甲基乙烯基硅橡胶、步骤（2）制备的产物、步骤（4）制备的产物和除BIPB交联剂以外其余剩余的物料混合，在转矩流变仪上熔融复合，制得纳米复合物，再将纳米复合物和BIPB交联剂在开炼机上熔融共混，然后在平板硫化机中将复合物在温度为140℃，压力为15MPa下热压成型即得。
按照实施例制备的电力电缆料，对其进行性能测试，结果如下：
拉伸强度（MPa）：37；断裂伸长率（%）：469；冲击强度（J/m）：374；体积电阻率（Ω•cm）：6.8×105；介电强度（MV/m）：27；氧指数:32。

Claims (2)

1.一种高压可交联聚乙烯电力电缆，其特征在于，由内而外依次包括线芯（导体）、绝缘层、屏蔽层和保护层四部分组成；其中，保护层是由下列重量份的原料制备制成：氧化镧6.5-7、氢氧化钠3.8-4.2、异辛酸17-18、200号溶剂油22-24、异辛酸锌1.5-2、油酸钙2-2.5、聚乙二醇400 2-3、水滑石1.4-2、硅溶胶4-6、42号溶剂油18-22、低密度聚乙烯90-100、马来酸酐3-5、TBPO引发剂0.2-0.4、BIPB交联剂1-2、硬脂酸钡0.4-0.5、乙烯醋酸乙烯酯11-15、六钛酸钾纤维5-7、甲基乙烯基硅橡胶22-25、碳化硅3-4、壳聚糖3.5-5、巯丙基三甲基硅烷0.4-0.5、柠檬酸三丁酯3-4、煅烧陶土9-13、去离子水适量。
2.根据权利要求1所述一种高压可交联聚乙烯电力电缆，其特征在于，由以下具体步骤制备制成：
（1）将氧化镧用适量的浓盐酸溶解，再按照质量体积比g：mL1：8-8.5加入去离子水，除去沉淀后加入异辛酸和200号溶剂油，开始搅拌，升高温度至80℃，再加入40wt%氢氧化钠水溶液，滴加完成后保温40-60min，冷却至室温后，静置分层，将油层洗涤至不含氯离子，减压脱水得到异辛酸镧备用；
（2）将硅溶胶、聚乙二醇400混合加到6-7倍量的无水乙醇中，搅拌均匀后加入水滑石细粉，超声分散均匀，再将异辛酸锌、油酸钙、42号溶剂油和步骤（1）制备的产物加到上述混合物中，升高温度至110-120℃回流反应2-3h，降低温度至50℃时减压抽滤除去固体杂质，自然冷却至室温；
（3）将煅烧陶土用球磨机研磨成粒径为0.5-1μm的粉末状，按照1.5-2g/L的比例加到浓度为1-2mol/L的硝酸铵溶液中，在75-85℃下加热回流12-15h，过滤，沉淀用去离子水洗涤呈中性后烘干，然后在400-500℃下煅烧3-4h，冷却后粉碎成微粉后和巯丙基三甲基硅烷、碳化硅、无水乙醇混合，边搅拌边加热至干燥，然后将干燥的混合粉末按照固液比4-6g：1L加到质量浓度为2-3%的乙酸水溶液中，超声分散得悬浊液后加入壳聚糖，在60-80℃下搅拌4-6h，然后置于真空干燥箱中60℃下烘干，趁热粉碎备用；
（4）将15%低密度聚乙烯、乙烯醋酸乙烯酯和马来酸酐按照配料比加到高速混合机中搅拌均匀，搅拌10-15min后加入硬脂酸钡搅拌4-7min，再向混合物中加入六钛酸钾纤维、步骤（3）制备的产物和TBPO引发剂在捏合机中捏合，充分混合后用挤出机挤出，挤出机温度设置为135-145℃，得到改性相容剂备用；
（5）将剩余的低密度聚乙烯、甲基乙烯基硅橡胶、步骤（2）制备的产物、步骤（4）制备的产物和除BIPB交联剂以外其余剩余的物料混合，在转矩流变仪上熔融复合，制得纳米复合物，再将纳米复合物和BIPB交联剂在开炼机上熔融共混，然后在平板硫化机中将复合物在温度为140-150℃，压力为15-20MPa下热压成型即得。
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