CN109206718A - 一种光伏设备用高韧性抗老化电缆料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电线电缆技术领域，具体涉及一种光伏设备用高韧性抗老化电缆料。电缆料的原料组分包括：三元乙丙橡胶、高密度聚乙烯、氯磺化聚乙烯、乙烯‑丙烯酸酯共聚物、填料、变质石棉纤维、阻燃剂、邻苯二甲酸二丁酯、润滑剂、乙烯基三乙氧基硅烷、抗老化剂和交联剂。其中，阻燃剂为氢氧化铝、三氧化二锑和硼酸锌的混合物；润滑剂为硬脂酸钙、硬脂酸镁和硬脂酸中的一种；交联剂为过氧化二异丙苯和氧化锌的等质量比混合物；抗老化剂中含有紫外线吸收剂和抗氧剂；该型电缆料的柔韧性好，抗拉强度高，而且具有优秀的耐高温、耐腐蚀、抗老化的耐候性能，还具有较好的防静电效果。

Description

一种光伏设备用高韧性抗老化电缆料
技术领域
本发明涉及电线电缆技术领域，具体涉及一种光伏设备用高韧性抗老化电缆料。
背景技术
电力是现代工业使用的最重要的能源形式，为了提高电力能源的环保性和经济性，世界各国都在探索新型清洁能源的开发和应用。目前人类已经开发利用的清洁能源的形式包括太阳能、风能，生物能、水能，地热能，氢能等。其中太阳能、风能由于开发过程对环境产生的危害最小，受到所有能源高科技企业青睐，正飞速发展。太阳能的开发主要包括光伏技术和光热技术两种技术路线，这其中，光伏发电技术的发展最为迅猛。为了推进清洁能源的应用，中国的光伏发电装机容量很大，也是很多光伏科技企业的发源地。
在我国，大规模的光伏电站大多数位于光热条件较好，但是人烟稀少的西部地区，光伏电站需要布置大规模的分布式光伏面板，通过电线电缆将分布式的光伏面上板产生的电能进行汇集并输送到电网上。由于光伏电站通常位于户外，因此光伏设备使用电缆的性能要远好于普通电缆。由于需要应对强紫外线、风、热、雨水等严苛的自然条件，还要防止野生动物对电线电缆的破坏，光伏设备电缆对电缆护套材料的抗拉性能、柔韧性和抗老化性能的要求尤其突出。目前市场上的大多数电缆料在某些性能上能够满足要求，但是综合性能都很突出的电缆护套料还相对较少。
其中，电缆的抗拉强度和柔韧性的提升，除了选择特殊的高分子基材之外，还可以通过添加纤维材料来改善，常规的纤维材料包括各类高分子有机纤维，以及陶瓷纤维、玻璃纤维和矿物纤维等无机纤维。有机纤维虽然相容性、柔韧性和弹性较好，但是材料的强度不高，对电缆料的抗拉性能提升有限；无机纤维中的石英纤维和石棉纤维等纤维的强度较高，但是与聚烯烃和橡胶材料相容性较差，会对制备的电缆料的热稳定性和抗老化性能造成影响。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种光伏设备用高韧性抗老化电缆料，该型电缆料的柔韧性好，抗拉强度高，而且具有优秀的耐高温、耐腐蚀、抗老化的耐候性能，还具有较好的防静电效果。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现的：
一种光伏设备用高韧性抗老化电缆料，按照质量份数，电缆料的原料组分包括：三元乙丙橡胶20-25份，高密度聚乙烯40-50份，氯磺化聚乙烯8-12份，乙烯-丙烯酸酯共聚物13-16份，填料10-20份，变质石棉纤维6-10份，阻燃剂5-8份，邻苯二甲酸二丁酯2.5-3.5份，润滑剂2-4份，乙烯基三乙氧基硅烷1-1.5份，抗老化剂1-2份，交联剂0.4-0.6份。
优选地，按照质量份数，电缆料的原料组分包括：三元乙丙橡胶22-24份，高密度聚乙烯43-48份，氯磺化聚乙烯9-11份，乙烯-丙烯酸酯共聚物14-15份，填料13-17份，变质石棉纤维7-9份，阻燃剂6-7份，邻苯二甲酸二丁酯2.8-3.1份，润滑剂2.5-3.3份，乙烯基三乙氧基硅烷1.2-1.4份，抗老化剂1.2-1.6份，交联剂0.4-0.5份。
进一步优选地，按照质量份数，电缆料的原料组分包括：三元乙丙橡胶23份，高密度聚乙烯46份，氯磺化聚乙烯10份，乙烯-丙烯酸酯共聚物14.5份，填料15份，变质石棉纤维8份，阻燃剂6.5份，邻苯二甲酸二丁酯2.9份，润滑剂3份，乙烯基三乙氧基硅烷1.3份，抗老化剂1.4份，交联剂0.5份。
本发明中，变质石棉纤维的制备方法包括如下步骤：
(1)使用摩尔浓度为2.5mol/L的稀硫酸溶液对石棉纤维进行表面洗涤，酸洗后的石棉纤维用去离子水反复冲洗3-4次至洗涤液呈中性，然后将石棉纤维烘干；配置等体积比的四氯化碳和45％氢氟酸的分层浸渍液，然后将石棉纤维加入到分层浸渍液中，每隔2-3s提拉一次，反复提拉3.5-4min完成石棉纤维的表面微蚀，然后将石棉纤维用去离子水和无水乙醇反复冲洗至溶液呈中性；
(2)将上步骤的石棉纤维送入到丙酮溶剂中，浸渍15-18h，然后将石棉纤维送入到热处理炉中，以12℃/min的升温速率，缓慢升温至600-650℃，在氮气气氛保护下保温热处理1-2h，然后将纤维冷却至低于100℃后出炉，自然冷却至室温；
(3)将上步骤的石棉纤维送入到石英管中，向石英管内通入氢气和氩气的混合气体，混合气体中氢气体积占比为8％，然后以7℃/min的速率将石英管内温度升高至950-1000℃，保温1-1.5h，然后向反应釜内通入甲烷气体，甲烷气体的体积占比为25％，反应1.5h后，关闭甲烷气体，保持氢气和氩气的混合气体，并降低石英管的温度至室温，完成石棉纤维表面的碳基外延生长；
(4)向丙酮溶剂中加入1.5％的硅烷偶联剂，2％的乙二醇二缩水甘油醚和7％的环氧树脂，制成表面处理剂，将上步骤的石棉纤维加入到表面处理剂中，以45-50℃温度分散处理并浸渍2-2.5h，然后将石棉纤维以70-75℃的温度烘干，得到所需变质石棉纤维。
其中，石棉纤维选用青石棉。
步骤(4)中使用的硅烷偶联剂选用KH550、KH560和K570中的一种。
优选地，阻燃剂为氢氧化铝、三氧化二锑和硼酸锌按照5:2:1的质量比复配的混合物。
优选地，润滑剂为硬脂酸钙、硬脂酸镁和硬脂酸中的一种；交联剂为过氧化二异丙苯和氧化锌的等质量比混合物。
优选地，抗老化剂中含有紫外线吸收剂和抗氧剂；紫外线吸收剂选择紫外吸收剂为UV-531、AM-101或光稳定剂744；抗氧剂为抗氧剂1076，抗氧剂TNP或抗氧剂TPP。
本发明提供的电缆料的制备方法为：
按照质量份数，将三元乙丙橡胶、高密度聚乙烯、氯磺化聚乙烯和乙烯-丙烯酸酯共聚物加入到密炼机中，然后加入交联剂，以148-150℃的温度密炼7-10min；密炼结束后排料，将混合料自然冷却至室温后，常温静置1-2h，然后将混合料和填料、变质石棉纤维、阻燃剂、润滑剂、乙烯基三乙氧基硅烷一起投入到双螺杆挤出机中，以150-160℃的温度，混炼8-10min，然后加入邻苯二甲酸二丁酯和抗老化剂，继续混炼5-10min，混炼结束挤出并冷却造粒，得到所需电缆料。
本发明具有如下的有益效果：
该型电缆料中使用三元乙丙橡胶、高密度聚乙烯、氯磺化聚乙烯、乙烯-丙烯酸酯共聚物作为高分子基材，三元乙丙橡胶的添加可以提升材料的弹性和耐压性能，氯磺化聚乙烯可以和橡胶材料以及聚烯烃材料产生协同作用，显著提高电缆料的耐油、耐腐蚀性能，乙烯-丙烯酸酯共聚物可以提升复合材料的交联效果，经过交联改性后的高分子材料可以形成立体网状结构，材料的机械强度和热稳定性得到较大提升。
本发明中还添加了一种特殊的变质石棉纤维，这种纤维材料具有耐火度高、电绝缘性和绝热性较好的特点。本发明中对石棉纤维进行了微蚀处理并采用碳基材料进行表面外延生长，在石棉纤维表面形成了一些特殊的微观结构，使得石棉纤维的强度和耐磨性能得到提升；为了提高石棉纤维与高分子材料的相容性，还对石棉纤维采用硅烷偶联剂和表面活性剂进行表面处理。该型纤维材料添加到电缆料中之后，对电缆料的抗拉强度、韧性和抗撕裂性能具有很好的提升效果；并且与主体材料中之间产生良好的相容性，对电缆料的耐高温性能和抗老化性能的影响较小。此外，由于石棉纤维表面通过外延生长形成碳基晶体，使得石棉纤维具有一定的抗静电剂的性质，从而使得制备的电缆料也具有良好的抗静电性能。
电缆组分中的邻苯二甲酸二丁酯作为塑化剂使用，乙烯基三乙氧基硅烷作为偶联剂使用，偶联剂、塑化剂和润滑剂配合使用，可以提升高分子材料与无机填料复合时的加工效果；本发明中的抗老化剂采用紫外线吸收剂和抗氧剂的复配物，从而提升了电缆料的光老化性能和热老化性能，使得电缆料在高温、强紫外线环境中依然可以保持较高的性能稳定性和较长的使用寿命。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
以下实施例中，变质石棉纤维的制备方法包括如下步骤：
(1)使用摩尔浓度为2.5mol/L的稀硫酸溶液对石棉纤维进行表面洗涤，酸洗后的石棉纤维用去离子水反复冲洗4次至洗涤液呈中性，然后将石棉纤维烘干；配置等体积比的四氯化碳和45％氢氟酸的分层浸渍液，然后将石棉纤维加入到分层浸渍液中，每隔3s提拉一次，反复提拉4min完成石棉纤维的表面微蚀，然后将石棉纤维用去离子水和无水乙醇反复冲洗至溶液呈中性；
(2)将上步骤的石棉纤维送入到丙酮溶剂中，浸渍16h，然后将石棉纤维送入到热处理炉中，以12℃/min的升温速率，缓慢升温至650℃，在氮气气氛保护下保温热处理2h，然后将纤维冷却至低于100℃后出炉，自然冷却至室温；
(3)将上步骤的石棉纤维送入到石英管中，向石英管内通入氢气和氩气的混合气体，混合气体中氢气体积占比为8％，然后以7℃/min的速率将石英管内温度升高至1000℃，保温1h，然后向反应釜内通入甲烷气体，甲烷气体的体积占比为25％，反应1.5h后，关闭甲烷气体，保持氢气和氩气的混合气体，并降低石英管的温度至室温，完成石棉纤维表面的碳基外延生长；
(4)向丙酮溶剂中加入1.5％的硅烷偶联剂，2％的乙二醇二缩水甘油醚和7％的环氧树脂，制成表面处理剂，将上步骤的石棉纤维加入到表面处理剂中，以45℃温度分散处理并浸渍2.5h，然后将石棉纤维以70-75℃的温度烘干，得到所需变质石棉纤维。
其中，石棉纤维选用青石棉。
步骤(4)中使用的硅烷偶联剂选用KH560。
实施例1
一种光伏设备用高韧性抗老化电缆料，按照质量份数，电缆料的原料组分包括：三元乙丙橡胶20份，高密度聚乙烯40份，氯磺化聚乙烯8份，乙烯-丙烯酸酯共聚物13份，填料10份，变质石棉纤维6份，阻燃剂5份，邻苯二甲酸二丁酯2.5份，润滑剂2份，乙烯基三乙氧基硅烷1份，抗老化剂1份，交联剂0.4份。
其中，阻燃剂为氢氧化铝、三氧化二锑和硼酸锌按照5:2:1的质量比复配的混合物。
润滑剂为硬脂酸钙；交联剂为过氧化二异丙苯和氧化锌的等质量比混合物。
抗老化剂中含有紫外线吸收剂和抗氧剂；紫外线吸收剂选择紫外吸收剂为UV-531；抗氧剂为抗氧剂1076。
本实施例提供的电缆料的制备方法为：
按照质量份数，将三元乙丙橡胶、高密度聚乙烯、氯磺化聚乙烯和乙烯-丙烯酸酯共聚物加入到密炼机中，然后加入交联剂，以148℃的温度密炼7min；密炼结束后排料，将混合料自然冷却至室温后，常温静置1h，然后将混合料和填料、变质石棉纤维、阻燃剂、润滑剂、乙烯基三乙氧基硅烷一起投入到双螺杆挤出机中，以150℃的温度，混炼8min，然后加入邻苯二甲酸二丁酯和抗老化剂，继续混炼5min，混炼结束挤出并冷却造粒，得到所需电缆料。
实施例2
一种光伏设备用高韧性抗老化电缆料，按照质量份数，电缆料的原料组分包括：三元乙丙橡胶25份，高密度聚乙烯50份，氯磺化聚乙烯12份，乙烯-丙烯酸酯共聚物16份，填料20份，变质石棉纤维10份，阻燃剂8份，邻苯二甲酸二丁酯3.5份，润滑剂4份，乙烯基三乙氧基硅烷1.5份，抗老化剂2份，交联剂0.6份。
其中，阻燃剂为氢氧化铝、三氧化二锑和硼酸锌按照5:2:1的质量比复配的混合物。
润滑剂为硬脂酸镁；交联剂为过氧化二异丙苯和氧化锌的等质量比混合物。
抗老化剂中含有紫外线吸收剂和抗氧剂；紫外线吸收剂选择紫外吸收剂为AM-101；抗氧剂为抗氧剂TNP。
本实施例提供的电缆料的制备方法为：
按照质量份数，将三元乙丙橡胶、高密度聚乙烯、氯磺化聚乙烯和乙烯-丙烯酸酯共聚物加入到密炼机中，然后加入交联剂，以150℃的温度密炼10min；密炼结束后排料，将混合料自然冷却至室温后，常温静置2h，然后将混合料和填料、变质石棉纤维、阻燃剂、润滑剂、乙烯基三乙氧基硅烷一起投入到双螺杆挤出机中，以160℃的温度，混炼10min，然后加入邻苯二甲酸二丁酯和抗老化剂，继续混炼10min，混炼结束挤出并冷却造粒，得到所需电缆料。
实施例3
一种光伏设备用高韧性抗老化电缆料，按照质量份数，电缆料的原料组分包括：三元乙丙橡胶23份，高密度聚乙烯46份，氯磺化聚乙烯10份，乙烯-丙烯酸酯共聚物14.5份，填料15份，变质石棉纤维8份，阻燃剂6.5份，邻苯二甲酸二丁酯2.9份，润滑剂3份，乙烯基三乙氧基硅烷1.3份，抗老化剂1.4份，交联剂0.5份。
其中，阻燃剂为氢氧化铝、三氧化二锑和硼酸锌按照5:2:1的质量比复配的混合物。
润滑剂为硬脂酸；交联剂为过氧化二异丙苯和氧化锌的等质量比混合物。
抗老化剂中含有紫外线吸收剂和抗氧剂；紫外线吸收剂选择光稳定剂744；抗氧剂为抗氧剂TPP。
本实施例提供的电缆料的制备方法为：
按照质量份数，将三元乙丙橡胶、高密度聚乙烯、氯磺化聚乙烯和乙烯-丙烯酸酯共聚物加入到密炼机中，然后加入交联剂，以149℃的温度密炼8min；密炼结束后排料，将混合料自然冷却至室温后，常温静置1.5h，然后将混合料和填料、变质石棉纤维、阻燃剂、润滑剂、乙烯基三乙氧基硅烷一起投入到双螺杆挤出机中，以155℃的温度，混炼9min，然后加入邻苯二甲酸二丁酯和抗老化剂，继续混炼7min，混炼结束挤出并冷却造粒，得到所需电缆料。
性能测试
1、根据IEC 60811-1-1-1993《电缆绝缘和护套材料通用试验方法》中试验标准，对本实施例中电缆料的机械强度和电学性能；设置昆山丰意贸易有限公司销售的DOW牌，牌号为XL7125FRW的125℃辐照交联低烟无卤阻燃聚烯烃电缆料作为对照组，进行性能对比，得到如下测试结果：
表1：本实施例与对照组中电缆料的性能测试结果
分析以上实验结果发现，本发明提供的电缆料与对照组相比，具有更好的抗拉强度和断裂伸长率，材料的韧性更高，抗拉伸性能和抗撕裂性能更好，机械性能更加优秀。电缆料的体积电阻率和耐击穿性能也相对较好，可以达到相应的电学性能要求。
2、根据GB/T 7141-2008和GB/T 23987-2009等国家标准中的测试方法，分别对本实施例与对照组中的电缆料进行热老化试验，紫外线老化试验和耐盐雾性能试验；得到如下试验数据：
表2：本实施例与对照组中电缆料的老化试验结果
分析以上实验结果发现，本发明提供的电缆料的抗老化性能也相对较强，在热老化性能、紫外线老化试验和盐雾试验中，本实施例的电缆料的抗拉强度和断裂伸长率的损失率与对照组相比更小，电缆料的性能更加稳定。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光伏设备用高韧性抗老化电缆料，其特征在于：按照质量份数，所述电缆料的原料组分包括：三元乙丙橡胶20-25份，高密度聚乙烯40-50份，氯磺化聚乙烯8-12份，乙烯-丙烯酸酯共聚物13-16份，填料10-20份，变质石棉纤维6-10份，阻燃剂5-8份，邻苯二甲酸二丁酯2.5-3.5份，润滑剂2-4份，乙烯基三乙氧基硅烷1-1.5份，抗老化剂1-2份，交联剂0.4-0.6份。
2.根据权利要求1所述的一种光伏设备用高韧性抗老化电缆料，其特征在于：按照质量份数，所述电缆料的原料组分包括：三元乙丙橡胶22-24份，高密度聚乙烯43-48份，氯磺化聚乙烯9-11份，乙烯-丙烯酸酯共聚物14-15份，填料13-17份，变质石棉纤维7-9份，阻燃剂6-7份，邻苯二甲酸二丁酯2.8-3.1份，润滑剂2.5-3.3份，乙烯基三乙氧基硅烷1.2-1.4份，抗老化剂1.2-1.6份，交联剂0.4-0.5份。
3.根据权利要求1所述的一种光伏设备用高韧性抗老化电缆料，其特征在于：按照质量份数，所述电缆料的原料组分包括：三元乙丙橡胶23份，高密度聚乙烯46份，氯磺化聚乙烯10份，乙烯-丙烯酸酯共聚物14.5份，填料15份，变质石棉纤维8份，阻燃剂6.5份，邻苯二甲酸二丁酯2.9份，润滑剂3份，乙烯基三乙氧基硅烷1.3份，抗老化剂1.4份，交联剂0.5份。
4.根据权利要求1所述的一种光伏设备用高韧性抗老化电缆料，其特征在于，所述变质石棉纤维的制备方法包括如下步骤：
（1）使用摩尔浓度为2.5mol/L的稀硫酸溶液对石棉纤维进行表面洗涤，酸洗后的石棉纤维用去离子水反复冲洗3-4次至洗涤液呈中性，然后将石棉纤维烘干；配置等体积比的四氯化碳和45%氢氟酸的分层浸渍液，然后将石棉纤维加入到分层浸渍液中，每隔2-3s提拉一次，反复提拉3.5-4min完成石棉纤维的表面微蚀，然后将石棉纤维用去离子水和无水乙醇反复冲洗至溶液呈中性；
（2）将上步骤的石棉纤维送入到丙酮溶剂中，浸渍15-18h，然后将石棉纤维送入到热处理炉中，以12℃/min的升温速率，缓慢升温至600-650℃，在氮气气氛保护下保温热处理1-2h，然后将纤维冷却至低于100℃后出炉，自然冷却至室温；
（3）将上步骤的石棉纤维送入到石英管中，向石英管内通入氢气和氩气的混合气体，混合气体中氢气体积占比为8%，然后以7℃/min的速率将石英管内温度升高至950-1000℃，保温1-1.5h，然后向反应釜内通入甲烷气体，甲烷气体的体积占比为25%，反应1.5h后，关闭甲烷气体，保持氢气和氩气的混合气体，并降低石英管的温度至室温，完成石棉纤维表面的碳基外延生长；
（4）向丙酮溶剂中加入1.5%的硅烷偶联剂，2%的乙二醇二缩水甘油醚和7%的环氧树脂，制成表面处理剂，将上步骤的石棉纤维加入到表面处理剂中，以45-50℃温度分散处理并浸渍2-2.5h，然后将石棉纤维以70-75℃的温度烘干，得到所需变质石棉纤维。
5.根据权利要求4所述的一种光伏设备用高韧性抗老化电缆料，其特征在于：所述石棉纤维选用青石棉。
6.根据权利要求4所述的一种光伏设备用高韧性抗老化电缆料，其特征在于：所述步骤（4）中使用的硅烷偶联剂选用KH550、KH560和K570中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种光伏设备用高韧性抗老化电缆料，其特征在于：所述阻燃剂为氢氧化铝、三氧化二锑和硼酸锌按照5:2:1的质量比复配的混合物。
8.根据权利要求1所述的一种光伏设备用高韧性抗老化电缆料，其特征在于：所述润滑剂为硬脂酸钙、硬脂酸镁和硬脂酸中的一种；交联剂为过氧化二异丙苯和氧化锌的等质量比混合物。
9.根据权利要求1所述的一种光伏设备用高韧性抗老化电缆料，其特征在于：所述抗老化剂中含有紫外线吸收剂和抗氧剂；紫外线吸收剂选择紫外吸收剂为UV-531、AM-101或光稳定剂744；抗氧剂为抗氧剂1076，抗氧剂TNP或抗氧剂TPP。
10.根据权利要求1所述的一种光伏设备用高韧性抗老化电缆料，其特征在于：所述电缆料的制备方法为：
按照质量份数，将三元乙丙橡胶、高密度聚乙烯、氯磺化聚乙烯和乙烯-丙烯酸酯共聚物加入到密炼机中，然后加入交联剂，以148-150℃的温度密炼7-10min；密炼结束后排料，将混合料自然冷却至室温后，常温静置1-2h，然后将混合料和填料、变质石棉纤维、阻燃剂、润滑剂、乙烯基三乙氧基硅烷一起投入到双螺杆挤出机中，以150-160℃的温度，混炼8-10min，然后加入邻苯二甲酸二丁酯和抗老化剂，继续混炼5-10min，混炼结束挤出并冷却造粒，得到所需电缆料。
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