CN108239336A - 用于电力电缆的聚丙烯树脂和绝缘层中包含聚丙烯树脂的电力电缆 - Google Patents

用于电力电缆的聚丙烯树脂和绝缘层中包含聚丙烯树脂的电力电缆 Download PDF

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Abstract

提供了一种适用于电力电缆的聚丙烯树脂和绝缘层中包含该聚丙烯树脂的电力电缆。更具体地，本发明涉及提供给包括绝缘层的电力电缆的具有优异的机械特性和再循环性能以表现出优异的柔性和电学性能的非交联聚丙烯。聚丙烯树脂可以是通过(a)丙烯均聚物或乙烯‑丙烯无规共聚物和(b)乙丙橡胶共聚物在反应器中进行逐步聚合制备的乙烯‑丙烯嵌段共聚物，其中乙烯‑丙烯嵌段共聚物的熔融温度(Tm)和结晶温度(Tc)之间的差(Tm‑Tc)为45℃以下，以分散相的橡胶共聚物的尺寸为0.5μm以下，基于乙烯‑丙烯嵌段共聚物的总重量，(b)乙丙橡胶共聚物的含量为30至50重量％。

Description

用于电力电缆的聚丙烯树脂和绝缘层中包含聚丙烯树脂的电 力电缆
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年12月27日在韩国知识产权局递交的申请号为10-2016-0180197的韩国专利申请的优先权和权益，以及根据35U.S.C.119由此所产生的所有权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种适用于电力电缆的聚丙烯树脂和绝缘层中包含聚丙烯树脂的电力电缆。更具体地，本发明涉及提供给包括绝缘层的电力电缆的具有优异的机械特性和再循环性能以表现出优异的柔性和电学性能的非交联聚丙烯。
背景技术
在通用电缆的绝缘层中，聚乙烯或乙丙橡胶(EPR)共聚物，或乙烯-丙烯-二烯改性(EPDM)橡胶共聚物被交联并使用，以在90至110℃的高温(该温度为高压电缆的工作温度)下保持机械性能、电学性能。
然而，由交联聚合物(诸如交联聚乙烯(XLPE))制成的劣质产品或几乎用完的产品是不可回收的，除了焚烧之外别无选择，这是不环保的。非交联高密度聚乙烯(HDPE)、非交联线性低密度聚乙烯(LLDPE)或非交联低密度聚乙烯(LDPE)是可回收的，但耐热性差，因此其在高温下可以被改性然后被熔化。因此，即使非交联聚合物也不能用于在高温下工作的高压电缆。
近年来，由于耐热性高于聚乙烯的非交联可回收聚丙烯的熔融温度为130℃以上以将电力电缆的工作温度升高至110℃，因此对其进行了广泛地研究。公开号为10-2014-0053204的韩国专利描述了在绝缘层中使用添加有有机成核剂的聚丙烯树脂的电力电缆，用于减小晶体尺寸。然而，为了解决由于其高刚性而导致的聚丙烯柔性差的问题，如在所提出的文献中所述，由于橡胶被额外捏合，所以物理性能由于不均匀的分散而局部劣化。同时，为了降低晶体尺寸，添加有机成核剂可能引起成本增加以及由于增加的成本而导致的缺点。因此，为了使丙烯能够用于电力电缆的绝缘层中，需要解决上述问题的方案。
发明内容
为了解决这些问题，本发明提供一种聚丙烯树脂，其具有极好的机械和电学性能以适合作为乙烯-聚丙烯嵌段共聚物用于电力电缆的。
本发明还提供一种电力电缆，其具有改善的击穿特性，同时表现出极好的机械和电学性能。
根据本发明的另一方面，提供了一种包括聚丙烯树脂的电力电缆，该聚丙烯树脂具有极好的柔性和电学性能，以适合用于电力电缆的绝缘，并且该聚丙烯树脂是非交联的以进行再循环和环保的。
如上所述，由于根据本发明的聚丙烯树脂具有优异的柔性和精细均匀的橡胶分散相以表现出极好的机械和电学性能，因此当其用于电力电缆的绝缘层时可以提供具有改善的击穿特性的电力电缆。
附图说明
图1示出了使用扫描电子显微镜(SEM)测量的包括在实施例2中制备的聚丙烯树脂中的乙丙橡胶共聚物的分散相的尺寸；和
图2示出了使用扫描电子显微镜(SEM)测量的包括在比较例3中制备的聚丙烯树脂中的乙丙橡胶共聚物的分散相的尺寸。
具体实施方式
在下文中，将详细描述本发明。
根据本发明的聚丙烯树脂是通过(a)丙烯均聚物或乙烯-丙烯无规共聚物和(b)乙丙橡胶共聚物在反应器中聚合，例如逐步聚合制备的乙烯-丙烯嵌段共聚物。乙烯-丙烯嵌段共聚物的熔融温度(Tm)与乙烯-丙烯嵌段共聚物的结晶温度(Tc)之间的差(Tm-Tc)为45℃以下，以分散相的橡胶共聚物的尺寸为0.5μm以下，且基于乙烯-丙烯嵌段共聚物的总重量，乙丙橡胶共聚物(b)的含量为30至50重量％。
如果熔融温度(Tm)和结晶温度(Tc)之间的差(Tm-Tc)大于45℃，当熔融树脂被冷却并结晶以形成产物时，由于产生的少量的核和延迟的晶体生长，球晶的尺寸增加，从而降低聚丙烯树脂的电学性能。此外，如果橡胶共聚物的尺寸大于0.5μm，则组分(a)和组分(b)之间的界面减小，从而不期望地降低绝缘性能。优选乙丙橡胶共聚物是精细且均匀地分散的。
乙烯-丙烯嵌段共聚物的熔融温度(Tm)在145℃至165℃的范围内。如果乙烯-丙烯嵌段共聚物的熔融温度(Tm)低于145℃，则乙烯-丙烯嵌段共聚物的耐热性不够高，从而使乙烯-丙烯嵌段共聚物不适合用于在高温下工作的高压电缆。
在本发明的一个实施方案中，乙烯-丙烯无规共聚物中优选含有2重量％以下的乙烯。如果乙烯-丙烯无规共聚物中所含的乙烯的量大于2重量％，则乙烯-丙烯无规共聚物的熔融温度(Tm)过度降低至低于145℃，从而使乙烯丙烯嵌段共聚物的耐热性不够高。
在根据本发明的聚丙烯树脂中，基于乙烯-丙烯嵌段共聚物的总重量，丙烯均聚物或乙烯-丙烯无规共聚物(a)的含量为50-70重量％。如果组分(a)的量小于50重量％，则耐热性不够高。如果组分(a)的量大于70重量％，则结晶度可能增加，并且柔性不希望地降低。
在根据本发明的聚丙烯树脂中，乙丙橡胶共聚物(b)中含有20至40重量％的乙烯。如果组分(b)中所含的乙烯的量小于20重量％，则聚合反应主要针对无规共聚物进行，而不是进行无定形橡胶共聚反应，以降低橡胶的弹性，从而降低冲击强度。如果组分(b)中所含的乙烯的量大于40重量％，则组分(a)和组分(b)的相容性降低，橡胶分散相的尺寸可能增加，从而劣化分散性。具体地，如果橡胶分散相的尺寸大于0.5μm，则组分(a)和组分(b)之间的界面减小，从而不期望地降低绝缘性能。
在根据本发明的聚丙烯树脂中，乙烯-丙烯嵌段共聚物中所含的乙丙橡胶共聚物(b)的量优选为30至50重量％。
根据本发明的另一实施方案，提供了一种电力电缆，该电力电缆在绝缘层中包括根据本发明的聚丙烯树脂。
特别地，根据本发明的电力电缆可以是低压(LV)电力电缆、中压(MV)电力电缆、高压(HV)电力电缆或超高压(EHV)电力电缆。具体地，根据本发明的电力电缆优选为低压(LV)电力电缆、中压(MV)电力电缆或高压(HV)电力电缆。交流(AC)电压、直流(DC)电压或过电压(脉冲)可以施加到该电力电缆上。在示例性实施方案中，电力电缆是AC电力电缆。
根据本发明，低压(LV)是指1kV以下的电压，中压(MV)是指大于1kV且不大于40kV的电压，高压(HV)是指大于40kV，优选大于50kV的电压。超高压(EHV)优选是指230kV以上的电压。因此，高压(HV)通常在大于40且小于230kV的范围内，例如在50kV至小于230kV的范围内，而超高压(EHV)为230kV以上且超高压(EHV)的上限不是重要因素。因此，超高压(EHV)应大于或等于230kV，并且可以小于或等于900kV或高于900kV。
根据本发明的聚丙烯树脂非常有利地用于AC电力电缆，特别是低压(LV)，中压(MV)或高压(HV)AC电力电缆。
更优选地，电力电缆包括依次由内部半导电层、绝缘层和外部半导电层包围的导体。这里，根据本发明的聚丙烯树脂被包含在至少一个绝缘层中。
根据本发明的实施方案，本发明的绝缘层可以包括聚丙烯树脂和聚合物相关技术中通常已知的另外的组分，这些聚合物相关技术中通常已知的组分包括例如聚合物组分和/或添加剂，优选包括添加剂，例如任意的抗氧化剂、阻焦剂、交联增强剂、稳定剂、加工助剂、阻燃添加剂、阻水树添加剂(water tree retardant additive(s))、酸或离子清除剂、无机填料和稳压剂。此外，本发明的绝缘层优选地包括通常用于引入产品的电线或电缆的添加剂，例如一种或多种抗氧化剂。添加剂以常规可接受的量使用，如相关技术领域的技术人员众所周知的。
基于包含在绝缘层中的聚合物组分的总重量，根据本发明的聚丙烯树脂的含量可以为50至100重量％。
绝缘层可以是通过将包括在绝缘层中的聚合物熔融和混合而形成的层。
参考实施例和比较例将更详细地理解本发明，并且以下实施例和比较例仅为了说明本发明而提供，而不是限制本发明的保护范围。
实施例1-3和比较例1-5
实施例和比较例的乙烯-丙烯嵌段共聚物是通过用于连续进行聚合的Mitsui的Hypol工艺，使用串联连接的两个本体反应器装置和两个气相反应器装置制备的。将具有邻苯二甲酸酯基内部电子给体的齐格勒-纳塔催化剂用作催化剂，使用三乙基铝作为促进剂，使用二环戊基二甲氧基硅烷作为助催化剂。第一级和第二级本体反应器的工作温度和压力分别为68至75℃和30至40kg/cm2，以及68至75℃和25至35kg/cm2。第三级和第四级气相反应器的工作温度和压力分别为75至82℃和15至20kg/cm2以及68至75℃和10至17kg/cm2。在第一级、第二级和第三级反应器中，仅注入丙烯以制备丙烯均聚物，或者另外注入乙烯以制备乙烯-丙烯无规共聚物。在乙烯-丙烯无规共聚物聚合的情况下，相同量的乙烯在每个反应器中共聚，并调节乙烯与丙烯的比例以使乙烯与表1中列出的组成共聚。在连续连接到第一级至第三级反应器的第四级反应器中，注入乙烯和丙烯以聚合乙丙橡胶，从而最终获得乙烯-丙烯嵌段共聚物。通过向每个反应器中加氢来控制熔体指数。包括组分(a)和(b)的共混物的乙烯-丙烯嵌段共聚物使用上述方法通过根据表1中列出的结构调节组分(a)和(b)的组成和聚合比来聚合。
按照以下方法和标准来评估实施例和比较例中获得的聚丙烯树脂的各种物理性能。
(1)熔体指数
熔体指数根据ASTM D 1238在230℃和2.16kg负荷下测量。
(2)分散相尺寸
将注入的样品在液氮气氛下破碎，并用二甲苯萃取橡胶分散相。然后，通过扫描电子显微镜(SEM)测量橡胶分散相的尺寸。结果示于图1和图2。
(3)热性能
使用差示扫描量热法(DSC)将样品在200℃下等温保持10分钟以消除热历史，并且从200℃开始以10℃/分钟冷却至30℃，获得结晶温度(Tc)。接下来，在30℃下等温保持10分钟后，当再次以10℃/分钟升温时，从峰值熔融温度获得熔融温度(Tm)。
(4)弯曲模量(FM)
根据ASTM D 790测量弯曲模量(FM)。
(5)悬臂梁冲击强度
根据ASTM D 256在室温和低温(-20℃)下测量悬臂梁冲击强度。
(6)AC击穿电压
使用挤出机将250μm厚的片材用于HAAKE Polylab质量控制(QC)系统。AC击穿电压根据ASTM D 149测量。
表1
1)NB：未断裂
如表1所证实的，根据本发明的聚丙烯表现出低的表示柔性的弯曲模量和极好的冲击强度和AC击穿强度。相反，在比较例1和2中，丙烯均聚物表现出高的弯曲模量，这是不期望的。具体地说，在比较例2中，熔融温度(Tm)与结晶温度(Tc)的差(Tm-Tc)大于45℃，表明击穿强度相对较低。在比较例3和4中，由于乙丙橡胶共聚物的量小，柔性和冲击强度低，这是不希望的。具体地，在比较例3中，由于橡胶分散相的尺寸相对较大，所以击穿强度不合需要地降低。在比较例5中，熔融温度(Tm)和结晶温度(Tc)之间的差(Tm-Tc)相对较大，橡胶分散相大，表明击穿强度相对较低，这是不希望的。
图1和图2示出了橡胶分散相的尺寸。具体地，图1示出了根据本发明的聚丙烯树脂的分散相的尺寸。如图1所示，根据本发明的聚丙烯树脂具有分散相尺寸为0.5μm以下的精细均匀的分散相。如图2所示，对于比较例中制备的树脂，分散相的尺寸大于0.5μm。如果橡胶精细且均匀地分散，则界面增加并且界面能高，从而降低由连续相和分散相之间的界面处产生的微小裂纹而导致的击穿可能性，其中电学性能在高电压下劣化，从而最终提高绝缘性能。
因此，根据本发明的聚丙烯树脂具有改善的绝缘性能。
虽然已经参考本发明的示例性实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域普通技术人员将会理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。

Claims (7)

1.一种聚丙烯树脂，所述聚丙烯树脂是通过(a)丙烯均聚物或乙烯-丙烯无规共聚物和(b)乙丙橡胶共聚物的聚合制备的乙烯-丙烯嵌段共聚物，其中所述乙烯-丙烯嵌段共聚物的熔融温度(Tm)和结晶温度(Tc)之间的差(Tm-Tc)为45℃以下，以分散相的所述橡胶共聚物中的尺寸为0.5μm以下，基于所述乙烯-丙烯嵌段共聚物的总重量，所述乙丙橡胶共聚物(b)的含量为30至50重量％。
2.根据权利要求1所述的聚丙烯树脂，其中所述乙烯-丙烯嵌段共聚物的熔融温度(Tm)在145℃至165℃的范围内。
3.根据权利要求1所述的聚丙烯树脂，其中基于所述乙烯-丙烯无规共聚物的总重量，乙烯的含量为2重量％以下。
4.根据权利要求1所述的聚丙烯树脂，其中基于所述乙烯-丙烯嵌段共聚物的总重量，丙烯均聚物或乙烯-丙烯无规共聚物(a)的含量为50至70重量％。
5.根据权利要求1所述的聚丙烯树脂，其中基于所述乙丙橡胶共聚物(b)的总重量，乙烯的含量为20至40重量％。
6.根据权利要求1至5任一所述的聚丙烯树脂，其中所述聚丙烯树脂包含在电力电缆的绝缘层中。
7.一种电力电缆，在绝缘层中包含权利要求1至5中任一项所述的聚丙烯树脂。
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