CN107488295A - 一种500kV及以下直流电缆用屏蔽料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种500kV及以下直流电缆用屏蔽料及其制备方法。本发明直流电缆用屏蔽料以质量计包括，基体树脂：高纯纳米导电炭黑：抗氧剂：润滑剂：交联剂＝70‑75：20‑25：0.5‑1：0.5‑3：1‑2.5。本发明屏蔽料的制备方法是在超净环境下，将上述树脂、炭黑、抗氧剂和润滑剂经过熔融混炼、过滤净化、挤出造粒、脱水干燥、交联剂后吸收，再经冷却和杂质检测后包装成成品。本发明通过基础树脂和高纯纳米导电炭黑种类和剂量的选择，并与润滑剂的最佳配比，成功地将纳米导电炭黑均匀分散在树脂基体中，屏蔽料表面不存在50μm以上凹凸物；室温体积电阻率降到15Ω·cm以下，且随温度变化小；与高压直流电缆绝缘料具有良好的配合特性，适用于500kV及以下直流电缆屏蔽料。

Description

一种500kV及以下直流电缆用屏蔽料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种电缆用屏蔽料，具体涉及一种500kV及以下直流电缆用屏蔽料及其制备方法。属于高压电缆材料加工技术领域。
背景技术
近年来高压直流输电获得了迅速发展，高压直流电缆是直流输电装备中的不可或缺的重要组成部分。在高压直流电缆中，半导电屏蔽层紧密包围在绝缘层内外，其主要作用是使电场分布更加均匀，降低电场强度，减少金属导体与绝缘层界面上的气隙，从而减少应力集中对电缆绝缘层的破坏，并在一定程度上降低绝缘层的温升。半导电屏蔽材料的性能对电缆的使用寿命及长期运行安全性起着至关重要的作用。
目前，北欧化工和美国陶氏化学是高压直流电缆用半导电屏蔽料的主要生产商，两家公司的产品几乎垄断了全球市场。国内高压直流电缆用半导电屏蔽料几乎处于空白状态，仅有较少数厂家可以生产110kV电压等级的交流电缆用半导电屏蔽料。
由于高压直流电缆内部易产生空间电荷，当空间电荷积累到一定程度时，就会加速绝缘材料的电老化，可能引发绝缘击穿，导致绝缘失效。探索直流电场下空间电荷的产生机理是目前学术界关注的热点议题。由于半导电屏蔽材料影响直流电缆绝缘材料中空间电荷的注入、迁移和积累，若接触绝缘材料内外层的半导电屏蔽料表面粗糙，或存在凹凸，将会在与绝缘的交界面处存在缺陷和间隙，其均匀电场的作用将会减弱，有可能导致电场集中，是空间电荷产生的一个重要原因。
因此，高压直流电缆对半导电屏蔽料的光洁度要求更高。如何通过优化屏蔽料的表面特性，减少和消除空间电荷是研制高压直流电缆的关键。同时半导电屏蔽料和绝缘料的匹配特性也是影响直流电缆内部空间电荷行为的关键因素，优良的配合特性能有效抑制空间电荷的产生。此外，填料的分散特性将直接影响半导电屏蔽材料的电阻率以及热、机械性能，填料出现团聚将影响半导电屏蔽料的挤出工艺和长期加工性能。在高机械剪切作用下，确保填料的结构完整和均匀分散，才能保证批量化产品综合性能的稳定性。
由于我国在基体树脂制备工艺和关键性能等方面与国际先进水平之间存在较大差距，同时高压屏蔽料对生产设备、环境等要求非常高，以至国产半导电屏蔽料在电阻稳定性、表面光洁度、纯净度等性能指标方面不达标。因此，如何通过严控生产环境，优化生产设备，筛选优质基体树脂和填料，调整配方工艺技术，获得具有填料均匀分散、低电阻率、超光滑表面和长期加工特性的半导电屏蔽料，是目前国内在攻克高压直流电缆屏蔽料方面面临的主要技术瓶颈。
201110378481.6号中国专利申请公开了一种高压直流电缆用超光滑半导电屏蔽材料，其中聚乙烯80-100份；乙烯-乙酸乙烯酯共聚物0-20份；超导电碳黑5-15份；交联剂1-2.5份；抗氧剂0.1-0.5份。但其超光滑表面特性还有待于提高，室温体积电阻率无法降到15Ω·cm以下，与高压直流电缆绝缘料的配合特性欠佳。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术的不足，本发明提供一种500kV及以下直流电缆用屏蔽料，该电缆用屏蔽料中纳米导电炭黑均匀分散在树脂基体中，屏蔽料表面超光滑，不存在50μm以上凹凸物，体积电阻率降到15Ω·cm以下，且随温度变化小，与高压直流电缆绝缘料具有良好的配合特性。
本发明提供的一种500kV及以下直流电缆用屏蔽料，所述屏蔽料以质量计包括：基体树脂：高纯纳米导电炭黑：抗氧剂：润滑剂：交联剂＝70-75：20-25：0.5-1：0.5-3：1-2.5。进一步，所述基体树脂为乙烯丙烯酸丁酯共聚物，其中含有质量百分比15％-25％的丙烯酸丁酯。
进一步，所述基体树脂为乙烯丙烯酸乙酯共聚物，其中含有质量百分比15％-25％的丙烯酸乙酯。
进一步，所述高纯纳米导电炭黑为粒径30-50nm、邻苯二甲酸二丁酯DBP吸油值大于200cc/100g和吸碘值大于150mg/g的纳米导电炭黑。
所述高纯纳米导电炭黑灰分含量小于0.1％，硫含量小于0.1％，水分含量小于0.3％。
进一步，所述润滑剂为聚乙烯蜡、硬脂酸锌、硬酯酰胺中任意一种或任意两种组成的混合物。
进一步，所述交联剂为过氧化二异丙苯和/或双叔丁基过氧化二异丙基苯，纯度≥99.9％。
进一步，所述抗氧剂为硫代双酚类，可以是纯度≥99.9％的抗氧剂300。
本发明还提供所述的500kV及以下直流电缆用屏蔽料的制备方法，包括在超净环境下进行(1)将基体树脂、炭黑、抗氧剂和润滑剂进行熔融混炼；(2)过滤净化；(3)挤出造粒；(4)脱水干燥；(5)交联剂后吸收；(6)杂质检测；(7)成品包装。
进一步，所述熔融混炼是将基体树脂、炭黑、抗氧剂和润滑剂经自动失重计量系统送入往复式单螺杆挤出机柔性熔融混炼；所述过滤净化是在熔融状态下通过过滤净化系统滤掉杂质；所述挤出造粒是将过滤后物料送入熔体泵体由模头熔融挤出，水下切粒；所述脱水干燥是由循环水泵将切粒粒料送到离心脱水机振动筛脱水干燥；所述交联剂后吸收是将干燥后粒料通过自重式称量系统送入后吸收装置，雾化注入交联剂与粒料均匀混合后送入吸收保温料仓确保交联剂完全渗透吸收；所述杂质检测是通过杂质在线检测系统对物料进行抽样检查。
进一步，所述熔融混炼：加料段温度为80℃-90℃，熔融段温度为120℃-140℃，塑化段温度为140℃-160℃，挤出段温度为160℃-170℃，螺杆转速为200-300rpm/min；所述过滤净化系统采用500-800目过滤网过滤；
所述挤出造粒：机头温度为150℃-160℃，熔体压力为7-8MPa，水下切粒温度为40℃-50℃；所述脱水干燥在50℃-60℃干燥30-40min；所述交联剂后吸收是在70℃-80℃交联剂雾化喷入，并保温24-48h确保交联剂完全渗透吸收。
与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
本发明通过基础树脂、纳米导电炭黑的种类选择，基础树脂、纳米导电炭黑和润滑剂三者的最佳剂量配比和协同效应，成功的实现了：
1.纳米导电炭黑均匀分散在树脂基体中，屏蔽料表面具有超光滑表面特性，表面不存在50μm以上凹凸物；
2.具有优异的导电性，室温体积电阻率降到15Ω·cm以下，且随温度变化小，能够有效地均匀电场分布，实现金属导体和绝缘层与半导电屏蔽层交界面的紧密无气隙接触，防止由于表面缺陷导致的电场集中和局部放电问题；
3.同时半导电屏蔽料具有良好的挤出工艺性能，可确保长时间开机生产；
4.与高压直流电缆绝缘料具有良好的配合特性；
5.适用于500kV及以下直流电缆屏蔽料。
附图说明
图1为纳米导电炭黑的扫描电镜微观分散图(左右两图分别为放大2万和5万倍后炭黑颗粒在基体中的分散图)
图2为屏蔽与绝缘料复合的空间电荷分布图(所述绝缘料具体采用下述以重量份计的组份制成，超净电缆料用低密度聚乙烯LDPE 94-98份，纳米氧化铝Al2O3粉体0.5-3份，粉体分散处理剂0-0.1份，抗氧剂0-0.4份和交联剂1.5-2.5份。)
具体实施方式
结合具体实施例对本发明作进一步说明，但下面所述实施例仅为本发明的部分实施例，而不是全部实施例
实施例1
按质量份称取如下物料：乙烯丙烯酸丁酯共聚物70份，高纯纳米导电炭黑25份，抗氧剂3001份，聚乙烯蜡3份，过氧化二异丙苯1份。
(1)熔融混炼：将基体树脂、炭黑、抗氧剂和润滑剂通过自动失重计量系统输送到往复式单螺杆，通过柔性混炼对物料进行熔融混炼，实现物料的均匀混合；
加料段80℃，熔融段130℃，塑化段140℃，挤出段160℃，螺杆转速在200rpm/min；
(2)过滤净化：将混合均匀的物料通过过滤净化系统，使物料在熔融状态下，500目滤网过滤杂质；
(3)挤出造粒：将过滤后的物料进入熔体泵体由模头熔融挤出，进行水下切粒；机头温度155℃，熔体压力7-7.5MPa，水下切粒温度40℃；
(4)脱水干燥：是由循环水泵将切粒粒料输送到离心脱水机振动筛进行脱水干燥；50℃干燥40min；
(5)交联剂后吸收：是将干燥后粒料通过自重式称量系统进入后吸收装置，交联剂以雾化方式注入与粒料均匀混合，然后进入吸收保温料仓确保交联剂的完全渗透吸收；70℃交联剂雾化喷入，并保温24h确保交联剂完全渗透吸收；
(6)杂质检测：通过杂质在线检测系统对物料进行抽样检查；
(7)成品包装。
实施例2
按质量份称取如下物料：乙烯丙烯酸丁酯共聚物73份，高纯纳米导电炭黑23份，抗氧剂3000.6份，硬酯酰胺1.4份，双叔丁基过氧化二异丙基苯2份。
制备方法基本同实施例1，所不同之处在于：
(1)熔融混炼：加料段85℃，熔融段140℃，塑化段150℃，挤出段165℃，螺杆转速在300rpm/min；
(2)过滤净化：500目滤网过滤杂质；
(3)挤出造粒：机头温度160℃，熔体压力7-7.5MPa，水下切粒温度40℃；
(4)脱水干燥：60℃干燥30min；
(5)交联剂后吸收：80℃交联剂雾化喷入，并保温24h确保交联剂完全渗透吸收；
(6)杂质检测：
(7)成品包装。
实施例3
按质量份称取如下物料：乙烯丙烯酸丁酯共聚物75份，高纯纳米导电炭黑20份，抗氧剂3000.5份，硬脂酸锌2份，过氧化二异丙苯2.5份。
制备方法基本同实施例1，所不同之处在于：
(1)熔融混炼：加料段90℃，熔融段130℃，塑化段160℃，挤出段165℃，螺杆转速在300rpm/min；
(2)过滤净化：500目滤网过滤杂质；
(3)挤出造粒：机头温度160℃，熔体压力7-7.5MPa，水下切粒温度50℃；
(4)脱水干燥：60℃干燥30min；
(5)交联剂后吸收：80℃交联剂雾化喷入，并保温24h确保交联剂完全渗透吸收；
(6)杂质检测：
(7)成品包装。
实施例4
按质量份称取如下物料：乙烯丙烯酸乙酯共聚物70份，高纯纳米导电炭黑25份，抗氧剂3001份，聚乙烯蜡2份，过氧化二异丙苯2份。
制备方法基本同实施例1，所不同之处在于：
(1)熔融混炼：加料段80℃，熔融段130℃，塑化段150℃，挤出段160℃，螺杆转速在250rpm/min；
(2)过滤净化：500目滤网过滤杂质；
(3)挤出造粒：机头温度160℃，熔体压力7-7.5MPa，水下切粒温度45℃；
(4)脱水干燥：60℃干燥40min；
(5)交联剂后吸收：75℃交联剂雾化喷入，并保温24h确保交联剂完全渗透吸收；
(6)杂质检测：
(7)成品包装。
从图1中可见，炭黑均匀地分散在基体中。
从图2中可见在常温30kV/mm条件下，加压60min，绝缘材料内基本都没有发现空间电荷的积聚，因此，做制备屏蔽料与该纳米复合绝缘材料具有良好的配合特性。
实施例5
按质量份称取如下物料：乙烯丙烯酸乙酯共聚物72份，高纯纳米导电炭黑24份，抗氧剂3000.5份，硬脂酰胺2份，双叔丁基过氧化二异丙基苯1.5份。
制备方法基本同实施例1，所不同之处在于：
(1)熔融混炼：加料段85℃，熔融段130℃，塑化段150℃，挤出段160℃，螺杆转速在300rpm/min；
(2)过滤净化：500目滤网过滤杂质；
(3)挤出造粒：机头温度155℃，熔体压力7.5-8MPa，水下切粒温度45℃；
(4)脱水干燥：60℃干燥35min；
(5)交联剂后吸收：70℃交联剂雾化喷入，并保温48h确保交联剂完全渗透吸收；
(6)杂质检测：
(7)成品包装。
实施例6
按质量份称取如下物料：乙烯丙烯酸乙酯共聚物75份，高纯纳米导电炭黑22份，抗氧剂3000.4份，硬脂酸锌1份，双叔丁基过氧化二异丙基苯1.6份。
制备方法基本同实施例1，所不同之处在于：
(1)熔融混炼：加料段90℃，熔融段140℃，塑化段140℃，挤出段160℃，螺杆转速在300rpm/min；
(2)过滤净化：800目滤网过滤杂质；
(3)挤出造粒：机头温度150℃，熔体压力7.5-8MPa，水下切粒温度40℃；
(4)脱水干燥：60℃干燥30min；
(5)交联剂后吸收：80℃交联剂雾化喷入，并保温24h确保交联剂完全渗透吸收；
(6)杂质检测：
(7)成品包装。
表1本发明半导电屏蔽料的主要物性参数
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种500kV及以下直流电缆用屏蔽料，其特征在于：所述屏蔽料以质量计包括：基体树脂：高纯纳米导电炭黑：抗氧剂：润滑剂：交联剂＝70-75：20-25：0.5-1：0.5-3：1-2.5。
2.根据权利要求1所述的500kV及以下直流电缆用屏蔽料，其特征在于，所述基体树脂为乙烯丙烯酸丁酯共聚物，其中含有15％-25％的丙烯酸丁酯。
3.根据权利要求1所述的500kV及以下直流电缆用屏蔽料，其特征在于，所述基体树脂为乙烯丙烯酸乙酯共聚物，其中含有15％-25％的丙烯酸乙酯。
4.根据权利要求1所述的500kV及以下直流电缆用屏蔽料，其特征在于，所述高纯纳米导电炭黑为粒径30-50nm、邻苯二甲酸二丁酯DBP吸油值大于200cc/100g和吸碘值大于150mg/g的纳米导电炭黑。
5.根据权利要求1所述的500kV及以下直流电缆用屏蔽料，其特征在于，所述润滑剂为聚乙烯蜡、硬脂酸锌、硬酯酰胺中任意一种或任意两种组成的混合物。
6.根据权利要求1所述的500kV及以下直流电缆用屏蔽料，其特征在于，所述交联剂为过氧化二异丙苯和/或双叔丁基过氧化二异丙基苯。
7.根据权利要求1所述的500kV及以下直流电缆用屏蔽料，其特征在于，所述抗氧剂为硫代双酚类。
8.一种如权利要求1所述的500kV及以下直流电缆用屏蔽料的制备方法，其特征在于，包括在超净环境下，(1)将基体树脂、炭黑、抗氧剂和润滑剂进行熔融混炼；(2)过滤净化；(3)挤出造粒；(4)脱水干燥；(5)交联剂后吸收；(6)杂质检测；(7)成品包装。
9.根据权利要求8所述的500kV及以下直流电缆用屏蔽料的制备方法，其特征在于，所述熔融混炼是将基体树脂、炭黑、抗氧剂和润滑剂经自动失重计量系统送入往复式单螺杆挤出机柔性熔融混炼；所述过滤净化是在熔融状态下通过过滤净化系统滤掉杂质；所述挤出造粒是将过滤后物料送入熔体泵体由模头熔融挤出，水下切粒；所述脱水干燥是由循环水泵将切粒粒料送到离心脱水机振动筛脱水干燥；所述交联剂后吸收是将干燥后粒料通过自重式称量系统送入后吸收装置，雾化注入交联剂与粒料均匀混合后送入吸收保温料仓确保交联剂完全渗透吸收；所述杂质检测是通过杂质在线检测系统对物料进行抽样检查。
10.根据权利要求9所述直流电缆用屏蔽料的制备方法，其特征在于，所述熔融混炼的加料段温度为80℃-90℃，熔融段温度为120℃-140℃，塑化段温度为140℃--160℃，挤出段温度为160℃-170℃，螺杆转速为200-300rpm/min；所述过滤净化系统采用500-800目过滤网过滤；所述挤出造粒：机头温度为150℃-160℃，熔体压力为7-8MPa，水下切粒温度为40℃-50℃；所述脱水干燥在50℃-60℃干燥30-40min；所述交联剂后吸收是在70℃-80℃交联剂雾化喷入，并保温24-48h确保交联剂完全渗透吸收。
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