CN106854312A - 一种用于核级电缆的绝缘材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于核级电缆的绝缘材料及其制备方法，其中，绝缘材料包括以下重量百分比的组分：10％～20％的三元乙丙橡胶、45％～65％的预处理阻燃剂、1％～5％的相容剂、1％～3％的安定剂、1％～3％的硅酮母粒以及1％～2％的硅烷偶联剂。本发明通过采用三元乙丙橡胶作为核级电缆绝缘材料的主要基材，从而使得绝缘材料具有优异的耐天候老化性、耐臭氧性、耐热老化性、良好的电绝缘性和耐化学介质腐蚀性，而且相对密度低，填充量大且具有良好的耐辐照性能。通过加入预处理阻燃剂，从而可以改善高填充时材料的力学性能和加工性，使单层结构的电缆绝缘芯线能通过单根垂直燃烧试验，使得绝缘材料的抗吸水性加强，使得绝缘电阻常数k能够达到标准所规定的值。

Description

一种用于核级电缆的绝缘材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及电缆绝缘材料的技术领域，尤其涉及一种用于核级电缆的绝缘材料及其制备方法。
背景技术
核级电缆是核电站核岛厂房1E级回路用电缆，其常用的品种有：6/10KV和0.6/1KV电力电缆、0.6/1KV控制电缆、300/500V仪表及热电偶补偿电缆。随着计算机技术的发展及核电站智能化水平的不断提高，其电缆品种也在不断扩大，新建核电站又增加了光纤电缆、数字电缆、通信电缆及广播电缆等品种。而按照法国核电标准《压水堆核岛机械设计和建造规则》(简称RCC-E)则可以将核级电缆分为以下三级：K1级：安装在安全壳内，要求在正常工况、事故和事故后环境条件及地震载荷下保持功能的电缆；K2级：安装在安全壳内，要求在正常工况和地震载荷下能执行其功能的电缆；K3级：安装在安全壳外，要求在正常工况和地震载荷下能执行其功能的电缆。
在目前“电荒、煤荒、油荒”能源短缺的背景下，利用核能发电已成为中国解决能源短缺和环境问题的重要途径之一。在国家的“十一五”规划中已明确将核电发展战略由“适度发展”调整为“积极发展”。核电的繁荣为核电站用电缆带来了广阔的发展空间。而目前核级电缆绝缘芯线通常采用单层交联聚烯烃或单层阻燃型聚烯烃材料，或者采用双层复合结构，即内层采用交联聚烯烃绝缘材料、外层采用低烟无卤阻燃聚烯烃材料，但是由这些材料生产的核级电缆绝缘芯线是很难全面满足核电缆的工作温度、短路温度、寿命周期、绝缘电阻、阻燃特性以及结构尺寸等要求的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于核级电缆的绝缘材料及其制备方法，用以解决现有技术中生产核级电缆绝缘芯线的材料很难满足核电缆的特性需求的问题。
本发明的一个方面是提供一种用于核级电缆的绝缘材料，包括以下重量百分比的组分：10％～20％的三元乙丙橡胶、45％～65％的预处理阻燃剂、1％～5％的相容剂、1％～3％的安定剂、1％～3％的硅酮母粒以及1％～2％的硅烷偶联剂。
进一步的，还包括以下重量百分比的组分：5％以下的热塑性弹性体以及10％以下的聚乙烯。
进一步的，三元乙丙橡胶由以下重量百分比的组分组成：60％～70％的乙烯、40％～30％的丙烯以及1％～3％的乙叉冰片烯。
进一步的，预处理阻燃剂为活性氢氧化铝或由重量百分比为60％～80％的氢氧化铝和20％～40％的氢氧化镁组成的组分。
进一步的，相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯，接枝率为1～2％。
进一步的，安定剂由以下重量百分比的组分组成：35％～55％的硬脂酸钙、5％～35％的硬脂酸锌以及35％～60％的四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯]季戊四醇酯。
采用上述本发明技术方案的有益效果是：本发明通过采用三元乙丙橡胶作为核级电缆绝缘材料的主要基材，从而使得绝缘材料具有优异的耐天候老化性、耐臭氧性、耐热老化性、良好的电绝缘性和耐化学介质腐蚀性，而且相对密度低，填充量大且具有良好的耐辐照性能。通过加入预处理阻燃剂，从而可以改善高填充时材料的力学性能和加工性，使单层结构的电缆绝缘芯线能通过单根垂直燃烧试验。通过对材料加入1％～2％的硅烷偶联剂进行预 处理，从而使得绝缘材料的抗吸水性加强，因此材料在浸水过程中，吸水量减少，使材料吸水很快达到饱和状态，使得绝缘电阻常数k能够达到标准所规定的值。
本发明的另一个方面是提供一种用于核级电缆的绝缘材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，将重量百分比为45％～65％的阻燃剂、1％～2％的硅烷偶联剂通过高搅机搅拌5～10分钟，以对组分进行预处理；
步骤二，加入重量百分比为10％～20％的三元乙丙橡胶、1％～5％的相容剂、1％～3％的安定剂以及1％～3％的硅酮母粒进行混合；
步骤三，将混合后的组分通过密炼机熔融共混，然后通过单螺杆挤出机制成颗粒；
步骤四，将颗粒通过线材挤出机制成线材，由电子加速器对所述线材进行辐照交联。
进一步的，密炼机熔融的温度为160～175℃、时间为15～25分钟。
进一步的，单螺杆挤出机包括依次连接的第一区、第二区、第三区、第四区、第五区、第六区和第七区，通过密炼机熔融共混后的组分依次通过各区，其中，第一区的工作温度为110～115℃，第二区的工作温度为115～120℃，第三区的工作温度为115～120℃，第四区的工作温度为120～125℃，第五区的工作温度为120～125℃，第六区的工作温度为120～130℃，第七区的工作温度为125～130℃。
进一步的，线材挤出机包括依次连接的A区、B区、C区以及D区，颗粒依次通过A区、B区、C区和D区，其中，A区的工作温度为150～160℃，B区的工作温度为165～175℃，C区的工作温度为165～175℃，D区的工作温度为170～180℃。
采用上述本发明技术方案的有益效果是：通过本发明上述方法生产的用于核级电缆的绝缘材料，其柔软性好，具有良好抗撕裂性、抗吸水性、优异的绝缘电阻、高阻燃性、热寿命老化试验后不开裂和耐辐照性好，采用单层结构的成品电缆的机械性能、电气性能和核级电缆的特殊性能都能满足标准要求。因此，本发明实施例提供的用于核级电缆的绝缘材料采用单层结构，在生产电缆时只需要挤出包覆一层即可。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明实施例公开了一种用于核级电缆的绝缘材料，可以包括以下重量百分比的组分：10％～20％的三元乙丙橡胶、45％～65％的预处理阻燃剂、1％～5％的相容剂、1％～3％的安定剂、1％～3％的硅酮母粒以及1％～2％的硅烷偶联剂。在本实施例中，该绝缘材料还可以包括以下重量百分比的组分：5％以下的热塑性弹性体以及10％以下的聚乙烯。其中，热塑性弹性体(Thermoplastic Elastomer，简称TPE)其乙烯-丙烯共聚物分子量在10～20万，门尼粘度(100℃)30～60，硬度邵氏A30～60，熔融指数(190℃，2.16kg)1～5g/10min；聚乙烯为高密度聚乙烯，分子量5～15万，熔融指数(190℃，2.16kg)1～5g/10min。
本发明实施例还公开了一种用于核级电缆的绝缘材料的制备方法，该方法可以包括如下步骤：
步骤一，将重量百分比为45％～65％的阻燃剂、1％～2％的硅烷偶联剂通过高搅机搅拌5～10分钟，以对组分进行预处理；
步骤二，加入重量百分比为10％～20％的三元乙丙橡胶、1％～5％的相容 剂、1％～3％的安定剂以及1％～3％的硅酮母粒进行混合；
步骤三，将混合后的组分通过密炼机熔融共混，然后通过单螺杆挤出机制成颗粒；
步骤四，将所述颗粒通过线材挤出机制成线材，由电子加速器对所述线材进行辐照交联。
在本发明上述实施例中，密炼机熔融的温度为160～175℃、时间为15～25分钟。单螺杆挤出机包括依次连接的第一区、第二区、第三区、第四区、第五区、第六区和第七区，通过密炼机熔融共混后的组分依次通过各区，其中，第一区的工作温度为110～115℃，第二区的工作温度为115～120℃，第三区的工作温度为115～120℃，第四区的工作温度为120～125℃，第五区的工作温度为120～125℃，第六区的工作温度为120～130℃，第七区的工作温度为125～130℃。
线材挤出机包括依次连接的A区、B区、C区以及D区，使得颗粒可以依次通过A区、B区、C区和D区，其中，A区的工作温度为150～160℃，B区的工作温度为165～175℃，C区的工作温度为165～175℃，D区的工作温度为170～180℃。
以下通过具体实施例进一步说明本发明的技术方案：
实施例一
1、将重量百分比为65％的阻燃剂、1％的硅烷偶联剂通过高搅机搅拌10分钟以对组分进行预处理；
2、加入重量百分比为10％的三元乙丙橡胶、5％的相容剂、2％的安定剂、2％的硅酮母粒、10％的聚乙烯以及5％热塑性弹性体进行混合；
3、将混合后的组分通过密炼机熔融共混，其中，密炼机熔融的温度为160℃、时间为25分钟；然后通过单螺杆挤出机制成颗粒；其中，单螺杆挤出机第一区的工作温度为110℃，第二区的工作温度为115℃，第三区的工作 温度为115℃，第四区的工作温度为120℃，第五区的工作温度为120℃，第六区的工作温度为120℃，第七区的工作温度为125℃。
4、将颗粒通过线材挤出机制成线材，由电子加速器对线材进行辐照交联，从而完成生产过程。其中，线材挤出机A区的工作温度为150℃，B区的工作温度为165℃，C区的工作温度为165℃，D区的工作温度为170℃。
实施例二
1、将重量百分比为60％的阻燃剂、1.5％的硅烷偶联剂通过高搅机搅拌7.5分钟以对组分进行预处理；
2、加入重量百分比为15％的三元乙丙橡胶、2.5％的相容剂、3％的安定剂、3％的硅酮母粒、10％的聚乙烯以及5％热塑性弹性体进行混合；
3、将混合后的组分通过密炼机熔融共混，其中，密炼机熔融的温度为170℃、时间为20分钟；然后通过单螺杆挤出机制成颗粒；其中，单螺杆挤出机第一区的工作温度为112.5℃，第二区的工作温度为117.5℃，第三区的工作温度为117.5℃，第四区的工作温度为122.5℃，第五区的工作温度为122.5℃，第六区的工作温度为125℃，第七区的工作温度为127.5℃。
4、将颗粒通过线材挤出机制成线材，由电子加速器对线材进行辐照交联，从而完成生产过程。其中，线材挤出机A区的工作温度为155℃，B区的工作温度为170℃，C区的工作温度为170℃，D区的工作温度为175℃。
实施例三
1、将重量百分比为65％的阻燃剂、2％的硅烷偶联剂通过高搅机搅拌5分钟以对组分进行预处理；
2、加入重量百分比为20％的三元乙丙橡胶、1％的相容剂、1％的安定剂、1％的硅酮母粒以及10％的聚乙烯进行混合；
3、将混合后的组分通过密炼机熔融共混，其中，密炼机熔融的温度为175℃、时间为15分钟；然后通过单螺杆挤出机制成颗粒；其中，单螺杆挤出机第一区的工作温度为115℃，第二区的工作温度为120℃，第三区的工作温度为120℃，第四区的工作温度为125℃，第五区的工作温度为125℃，第六区的工作温度为130℃，第七区的工作温度为130℃。
4、将颗粒通过线材挤出机制成线材，由电子加速器对线材进行辐照交联，从而完成生产过程。其中，线材挤出机A区的工作温度为160℃，B区的工作温度为175℃，C区的工作温度为175℃，D区的工作温度为180℃。
实施例四
1、将重量百分比为55％的阻燃剂、2％的硅烷偶联剂通过高搅机搅拌7分钟以对组分进行预处理；
2、加入重量百分比为20％的三元乙丙橡胶、5％的相容剂、3％的安定剂、3％的硅酮母粒、7％的聚乙烯以及5％的热塑性弹性体进行混合；
3、将混合后的组分通过密炼机熔融共混，其中，密炼机熔融的温度为165℃、时间为22分钟；然后通过单螺杆挤出机制成颗粒；其中，单螺杆挤出机第一区的工作温度为112℃，第二区的工作温度为116℃，第三区的工作温度为116℃，第四区的工作温度为123℃，第五区的工作温度为123℃，第六区的工作温度为128℃，第七区的工作温度为128℃。
4、将颗粒通过线材挤出机制成线材，由电子加速器对线材进行辐照交联，从而完成生产过程。其中，线材挤出机A区的工作温度为152℃，B区的工作温度为168℃，C区的工作温度为168℃，D区的工作温度为172℃。
实施例五
1、将重量百分比为52％的阻燃剂、2％的硅烷偶联剂通过高搅机搅拌8 分钟以对组分进行预处理；
2、加入重量百分比为20％的三元乙丙橡胶、5％的相容剂、3％的安定剂、3％的硅酮母粒、10％的聚乙烯以及5％的热塑性弹性体进行混合；
3、将混合后的组分通过密炼机熔融共混，其中，密炼机熔融的温度为172℃、时间为18分钟；然后通过单螺杆挤出机制成颗粒；其中，单螺杆挤出机第一区的工作温度为114℃，第二区的工作温度为118℃，第三区的工作温度为118℃，第四区的工作温度为123℃，第五区的工作温度为123℃，第六区的工作温度为128℃，第七区的工作温度为128℃。
4、将颗粒通过线材挤出机制成线材，由电子加速器对线材进行辐照交联，从而完成生产过程。其中，线材挤出机A区的工作温度为158℃，B区的工作温度为172℃，C区的工作温度为172℃，D区的工作温度为178℃。
具体的，在本发明实施例中，三元乙丙橡胶(Ethylene Propylene Diene Monomer，简称EPDM)可以采用由以下重量百分比组成的组分：60％～70％的乙烯、40％～30％的丙烯以及1％～3％的乙叉冰片烯。其分子量为5～15万，门尼粘度(100℃)30～70，硬度邵氏A20～50。由于三元乙丙橡胶是一种非晶体的乙烯类共聚物，具有优异的耐天候老化性、耐臭氧性、耐热老化性、良好的电绝缘性和耐化学介质腐蚀性，而且相对密度低，填充量大且具有良好的耐辐照性能。因此，本发明采用三元乙丙橡胶作为核级电缆绝缘材料的主要基材。
在本发明实施例中，预处理阻燃剂可以采用氢氧化铝或者可以采用由重量百分比为60％～80％的氢氧化铝和20％～40％的氢氧化镁组成的组分。本实施例为了使电缆绝缘芯线通过单根垂直燃烧试验，成品电缆通过IEC60332-3B类成束燃烧试验，同时实现低烟无卤，从而采用了以氢氧化铝、氢氧化镁为主的阻燃体系，并添加少量的协同高效阻燃剂，同时提高氢氧化 铝、氢氧化镁等常规阻燃剂与基材的相容性和分散性，以改善高填充时材料的力学性能和加工性，使单层结构的电缆绝缘芯线能通过单根垂直燃烧试验，其氧指数OI≥32，烟密度透光率≥92％。
相容剂可以采用马来酸酐接枝聚乙烯，接枝率为1～2％。安定剂可以采用由以下重量百分比组成的组分：35％～55％的硬脂酸钙、5％～35％的硬脂酸锌以及35％～60％的四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯]季戊四醇酯。
由于RCC-E中对K3级核级电缆的绝缘电阻性能指标即绝缘电阻常数k值的要求为：20℃环境温度时≥3670MΩ·KM；90℃最高工作温度时≥3.67MΩ·KM。对于非阻燃交联聚烯烃材料而言，绝缘常数k值很容易达到上述规定，但是大多数阻燃聚烯烃绝缘材料的体积电阻率仅为1.0×1013Ω·cm左右，在浸水状态下绝缘电阻常数k值是很难达到上述要求的。因此，在本实施例中，为了达到绝缘电阻常数k值的标准要求，可以对相关材料进行预处理，即加入1％～2％的硅烷偶联剂，通过高搅机搅拌5-10分钟，从而使得绝缘材料的抗吸水性加强，因此材料在浸水过程中，吸水量减少，使材料吸水很快达到饱和状态，使得绝缘电阻常数k值在20℃时≥6000MΩ·KM，90℃最高工作温度时≥20MΩ·KM。
核电站用电缆受到大量γ射线时，会使电缆绝缘材料变脆，机械性能变差。因此，作为核电站电缆用的绝缘材料，必须具有良好的耐辐照性。电缆材料中基础聚合物的分子结构，对于电缆材料的耐辐照性能的好坏起着决定性的作用，不同的基础聚合物随着辐照剂量的增加，其伸长率会下降。因此，在配方研究中选择合适的基础材料对耐辐照性尤为重要。乙丙橡胶的抗辐照性比聚乙烯类共聚物的抗辐照性要好很多，同时为了防止乙丙橡胶聚合物材料受到放射线照射后发生老化，可以在配方中添加抗辐照剂，以进一步改进绝缘材料的耐辐照性。还可以在对绝缘材料进行模拟辐照老化试验中，每隔24 小时在电子加速器上辐照2Mrad，共计辐照86Mard，辐照老化后伸长率残率仍有56％，并且不开裂。
通过本发明上述方法生产的用于核级电缆的绝缘材料，其柔软性好，具有良好抗撕裂性、抗吸水性、优异的绝缘电阻、高阻燃性、热寿命老化试验后不开裂和耐辐照性好，采用单层结构的成品电缆的机械性能、电气性能和核级电缆的特殊性能都能满足标准要求。因此，本发明实施例提供的用于核级电缆的绝缘材料采用单层结构，在生产电缆时只需要挤出包覆一层即可。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种用于核级电缆的绝缘材料，其特征在于，所述用于核级电缆的绝缘材料包括以下重量百分比的组分：10％～20％的三元乙丙橡胶、45％～65％的预处理阻燃剂、1％～5％的相容剂、1％～3％的安定剂、1％～3％的硅酮母粒以及1％～2％的硅烷偶联剂。
2.根据权利要求1所述的用于核级电缆的绝缘材料，其特征在于，所述用于核级电缆的绝缘材料还包括以下重量百分比的组分：5％以下的热塑性弹性体以及10％以下的聚乙烯。
3.根据权利要求1或2所述的用于核级电缆的绝缘材料，其特征在于，所述三元乙丙橡胶由以下重量百分比的组分组成：60％～70％的乙烯、40％～30％的丙烯以及1％～3％的乙叉冰片烯。
4.根据权利要求1或2所述的用于核级电缆的绝缘材料，其特征在于，所述预处理阻燃剂为活性氢氧化铝或由重量百分比为60％～80％的氢氧化铝和20％～40％的氢氧化镁组成的组分。
5.根据权利要求1或2所述的用于核级电缆的绝缘材料，其特征在于，所述相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯，接枝率为1～2％。
6.根据权利要求1或2所述的用于核级电缆的绝缘材料，其特征在于，所述安定剂由以下重量百分比的组分组成：35％～55％的硬脂酸钙、5％～35％的硬脂酸锌以及35％～60％的四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯]季戊四醇酯。
7.一种如权利要求1～6任一项所述的用于核级电缆的绝缘材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤一，将重量百分比为45％～65％的阻燃剂、1％～2％的硅烷偶联剂通过高搅机搅拌5～10分钟，以对组分进行预处理；
步骤二，加入重量百分比为10％～20％的三元乙丙橡胶、1％～5％的相容剂、1％～3％的安定剂以及1％～3％的硅酮母粒进行混合；
步骤三，将混合后的组分通过密炼机熔融共混，然后通过单螺杆挤出机制成颗粒；
步骤四，将所述颗粒通过线材挤出机制成线材，由电子加速器对所述线材进行辐照交联。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述密炼机熔融的温度为160～175℃、时间为15～25分钟。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述单螺杆挤出机包括依次连接的第一区、第二区、第三区、第四区、第五区、第六区和第七区，通过密炼机熔融共混后的组分依次通过各区，所述第一区的工作温度为110～115℃，第二区的工作温度为115～120℃，第三区的工作温度为115～120℃，第四区的工作温度为120～125℃，第五区的工作温度为120～125℃，第六区的工作温度为120～130℃，第七区的工作温度为125～130℃。
10.根据权利要求7～9任一项所述的制备方法，其特征在于，所述线材挤出机包括依次连接的A区、B区、C区以及D区，所述颗粒依次通过所述A区、B区、C区和D区，所述A区的工作温度为150～160℃，B区的工作温度为165～175℃，C区的工作温度为165～175℃，D区的工作温度为170～180℃。
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