CN109265791B - 一种高压直流电缆绝缘材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高压直流电缆绝缘材料及其制备方法，其中所述高压直流电缆绝缘材料，是由主料和辅料组成，其中主料是低密度聚乙烯树脂，辅料包括聚苯乙烯树脂、交联剂和抗氧剂。本发明制得的高压直流电缆绝缘材料与普通的交联聚乙烯相比，其直流击穿场强在30℃到90℃温度范围内得到了提高，70℃时直流击穿场强提高72.9％，90℃下提高43.7％。

Description

一种高压直流电缆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，具体涉及一种高压直流电缆绝缘材料及其制备方法。
背景技术
近年来，新能源接入、长距离输电和区域电网互联等因素促使了高压直流技术的发展。作为高压直流输电工程的重要组成部分，高压直流电缆也引起了广泛关注，尤其是挤包绝缘直流电缆。相较于纸绝缘电缆，挤包绝缘直流电缆成本低、结构简单、运行温度更高且无漏油危险。挤包绝缘直流电缆绝缘材料主要采用交联聚乙烯，由低密度聚乙烯经过化学方法或物理方法交联形成。交联可以在保证材料优良电气性能的情况下，提高材料的热机械性能。
尽管在高压直流输电工程中使用的交联聚乙烯绝缘直流电缆的电压等级已达320kV，但直流电缆的绝缘性能仍然存在着不足，主要是高温下的电场畸变和击穿特性。一方面，在直流电场作用下，交联聚乙烯中会积聚空间电荷，引起局部电场的畸变，乃至材料的加速老化，最终使得材料击穿失效。而直流电缆绝缘层温度梯度的存在可能会导致空间电荷现象加剧。另一方面，交联聚乙烯材料的直流击穿场强相对于交流击穿场强来讲，受温度影响较大，聚乙烯材料如0.2mm厚平板试样在70℃或90℃下的直流击穿场强可能是30℃时的一半。
现阶段在设计和研发高压直流电缆绝缘材料时，主要关注绝缘材料中的空间电荷现象，对直流击穿场强的温度稳定性考虑较少。因此，在高电压等级下，研究开发直流电缆绝缘材料时，应该要考虑在较宽的温度范围内提高材料的击穿场强。这也是本发明针对的主要技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高压直流电缆绝缘材料及其制备方法。采用低密度聚乙烯作为基础树脂，以聚苯乙烯为填料，经交联后制成的交联聚乙烯复合材料，在30℃到90℃具有较高的直流击穿场强，可满足高压直流电缆绝缘材料的应用要求。
为达到本发明的目的，采用如下的技术方案：一种高压直流电缆绝缘材料，所述高压直流电缆绝缘材料是由主料和辅料组成，其中主料是低密度聚乙烯树脂，辅料包括聚苯乙烯树脂、过氧化二异丙苯和抗氧剂。
在本发明中，所述高压直流电缆绝缘材料包括以下质量份数的各组分：
Figure BDA0001749365390000021
本发明的一个方面，按照ASTM D1238-98标准方法测试，标准试验负荷为2.16kg，温度为190℃时，所述的低密度聚乙烯树脂的密度为0.910～0.925g/cm3，熔体流动指数为1.5～2.5g/10min；按照ASTM D1238-98标准方法测试，标准试验负荷为5kg，温度为200℃时，所述的聚苯乙烯树脂的熔体流动指数为2～5g/10min，热变形温度大于95℃。
本发明的另一方面，所述的抗氧剂选自抗氧剂168、抗氧剂264、抗氧剂300、抗氧剂1010、抗氧剂1024、抗氧剂1035、抗氧剂BHT和DNP中的一种或几种。
本发明还提供了上述高压直流电缆绝缘材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)配比主料和辅料；
(2)混料造粒，制备母料；
(3)交联熟化；
(4)脱气处理。
对于本发明的方法，优选的，在步骤(1)中，按照质量份数称取100份低密度聚乙烯树脂、1～5份聚苯乙烯树脂、0.8～2份过氧化二异丙苯及0.1～0.5份抗氧剂，配比主料和辅料；在步骤(2)中，将步骤(1)中按质量份数配置的主料和辅料混合均匀后，加入至双螺杆挤出机，混料造粒。
优选的，所述双螺杆挤出机的转速为50～80r/min，于125～180℃下混炼均匀造粒；进一步的，螺杆各区段温度设置为：加料段110～130℃，输送段130～150℃，熔融段150～170℃，机头160～170℃，挤出线经水冷却后风干造粒，制得母料。
优选的，在步骤(3)中，将步骤(2)得到的母料与交联剂均匀混合进行交联反应，其中交联反应的条件为：在160～180℃、10～20MPa下交联反应15～25min；之后在60～80℃下恒温熟化12～24h，然后冷却到室温。
优选的，在步骤(3)中，所述交联剂为过氧化二异丙苯，所述交联剂为所述母料质量的1-3％；在步骤(4)中进行脱气处理，所述脱气处理的条件为70～90℃下脱气12～24h。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
通过聚苯乙烯的添加，使得交联聚乙烯材料具有较高的直流击穿场强。在30℃～90℃温度范围内，本发明制备的高压直流电缆绝缘材料的直流击穿场强比未添加聚苯乙烯的纯的交联聚乙烯的直流击穿场强显著提高。
附图说明
图1(a)至图1(c)是本发明的实施例1中制备的绝缘材料在不同温度下直流击穿场强的威布尔分布图，图1(a)30℃，图1(b)70℃，图1(c)90℃；XLPE：未添加聚苯乙烯的交联聚乙烯树脂，XLPE-g-PS：添加聚苯乙烯的交联聚乙烯树脂；
图2是本发明的实施列2中未添加和添加聚苯乙烯的交联聚乙烯树脂的直流击穿场强随温度变化的趋势图；
图3是本发明的实施例3中制备的绝缘材料的应力应变曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明表述的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明要解决的技术问题是在较宽的温度范围内，材料的击穿场强不高，材料容易击穿。为了解决该技术问题，本发明实施方式如下：一种高压直流电缆绝缘材料，所述高压直流电缆绝缘材料是由主料和辅料组成，其中主料是低密度聚乙烯树脂，辅料包括聚苯乙烯树脂、过氧化二异丙苯和抗氧剂。
在本发明中该实施方式中，所述高压直流电缆绝缘材料包括以下质量份数的各组分可以是各种配比，尤其选择如下组分配比：
Figure BDA0001749365390000041
本发明对于低密度聚乙烯树脂、聚苯乙烯树脂也可按照GB/T3682-2000、ASTMD1238-98标准，并参看JB/T5456、IS01133等类似标准设计制造的用于测定热塑性塑料熔体体积流动速率(MFR)的仪器，测定熔体流动指数。
本发明的一个实施方式是，按照ASTM D1238-98标准方法测试，标准试验负荷为2.16kg，温度为190℃时，所述的低密度聚乙烯树脂的密度为0.910～0.925g/cm3，熔体流动指数为1.5～2.5g/10min；按照ASTM D1238-98标准方法测试，标准试验负荷为5kg，温度为200℃时，所述的聚苯乙烯树脂的熔体流动指数为2～5g/10min，热变形温度大于95℃。
在本发明的该实施方式中所述的抗氧剂选自抗氧剂168、抗氧剂264、抗氧剂300、抗氧剂1010、抗氧剂1024、抗氧剂1035、抗氧剂BHT和DNP中的一种或几种。
本发明的另一实施方式提供了上述高压直流电缆绝缘材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)配比主料和辅料；
(2)混料造粒，制备母料；
(3)交联熟化；
(4)脱气处理。
对于本发明的方法，优选的，在步骤(1)中，按照质量份数称取100份低密度聚乙烯、1～5份聚苯乙烯、0.8～2份过氧化二异丙苯及0.1～0.5份抗氧剂，配比主料和辅料；在步骤(2)中，将步骤(1)中按质量份数配置的主料和辅料混合均匀后，加入至双螺杆挤出机，混料造粒。
优选的，所述双螺杆挤出机的转速为50～80r/min，于125～180℃下混炼均匀造粒；进一步的，螺杆各区段温度设置为：加料段110～130℃，输送段130～150℃，熔融段150～170℃，机头160～170℃，挤出线经水冷却后风干造粒，制得母料。
优选的，在步骤(3)中，将步骤(2)得到的母料与交联剂均匀混合进行交联反应，其中交联反应的条件为：在160～180℃、10～20MPa下交联反应15～25min；之后在60～80℃下恒温熟化12～24h，然后冷却到室温。
优选的，在步骤(3)中，所述交联剂为过氧化二异丙苯，所述交联剂为所述母料质量的1-3％；在步骤(4)中进行脱气处理，所述脱气处理的条件为70～90℃下脱气12～24h。
在本发明的该实施方式中所述的抗氧剂选自抗氧剂168、抗氧剂264、抗氧剂300、抗氧剂1010、抗氧剂1024、抗氧剂1035、抗氧剂BHT和抗氧剂DNP中的一种或几种。
上述实施方式的有益效果是：通过聚苯乙烯的添加，使得交联聚乙烯材料具有较高的直流击穿场强。在30℃～90℃温度范围内，本发明制备的高压直流电缆绝缘材料的直流击穿场强比未添加聚苯乙烯的纯的交联聚乙烯的直流击穿场强显著提高。
实施例1
本实施涉及的高压直流电缆绝缘材料，其原料组成的各组分质量份数为：
Figure BDA0001749365390000051
将按上述配比称取好的低密度聚乙烯树脂、聚苯乙烯树脂和抗氧剂DNP预先混合均匀后，加入双螺杆挤出机。双螺杆挤出机转速为50r/min，螺杆各区段温度设置为：加料段110℃，输送段130℃，熔融段150℃，机头160℃，挤出线经水冷却后风干造粒，将造好的颗粒与过氧化二异丙苯预先混合均匀，其中160℃、10MPa下交联反应15min；之后在70℃下恒温熟化24h，再冷却到室温，70℃下脱气12h。如图1(a)至图1(c)所示，实施例1制备的绝缘材料在不同温度下直流击穿场强的威布尔分布图，图1(a)30℃，图1(b)70℃，图1(c)90℃；XLPE：未添加聚苯乙烯的交联聚乙烯树脂，XLPE-g-PS：添加聚苯乙烯的交联聚乙烯树脂；高压直流电缆绝缘材料的直流击穿场强比未添加聚苯乙烯的纯的交联聚乙烯的直流击穿场强显著提高。
实施例2
本实施涉及的高压直流电缆绝缘材料的制备方法，其原料组成的各组分质量份数为：
Figure BDA0001749365390000052
将按上述配比称取好的低密度聚乙烯树脂、聚苯乙烯树脂和抗氧剂168预先混合均匀后，加入双螺杆挤出机。双螺杆挤出机转速为80r/min，螺杆各区段温度设置为：加料段130℃，输送段150℃，熔融段170℃，机头170℃。挤出线经水冷却后风干造粒，交联剂添加：将造好的颗粒与过氧化二异丙苯预先混合均匀，在70℃下恒温熟化24h，再冷却到室温，70℃下脱气12h。如图2所示，实施列2中未添加和添加聚苯乙烯的交联聚乙烯树脂的直流击穿场强随温度变化的趋势图，高压直流电缆绝缘材料的直流击穿场强比未添加聚苯乙烯的纯的交联聚乙烯的直流击穿场强显著提高。
实施例3
本实施涉及的高压直流电缆绝缘材料，其原料组成的各组分质量份数为：
Figure BDA0001749365390000061
将按上述配比称取好的低密度聚乙烯树脂、聚苯乙烯树脂和抗氧剂300预先混合均匀后，加入双螺杆挤出机。双螺杆挤出机转速为70r/min，螺杆各区段温度设置为：加料段120℃，输送段140℃，熔融段150℃，机头160℃。挤出线经水冷却后风干造粒。交联剂添加：将造好的颗粒与过氧化二异丙苯预先混合均匀，在70℃下恒温熟化24h，再冷却到室温70℃下脱气12h。如图3所示，实施例3中制备的绝缘材料的应力应变曲线，高压直流电缆绝缘材料的得到极大改善。
实施例4
本实施涉及的高压直流电缆绝缘材料，其原料组成的各组分质量份数为：
Figure BDA0001749365390000062
将按上述配比称取好的低密度聚乙烯树脂、聚苯乙烯树脂和抗氧剂BHT预先混合均匀后，加入双螺杆挤出机。双螺杆挤出机转速为70r/min，螺杆各区段温度设置为：加料段130℃，输送段150℃，熔融段160℃，机头170℃。挤出线经水冷却后风干造粒；交联剂添加：将造好的颗粒与过氧化二异丙苯预先混合均匀，在70℃下恒温熟化24h，再冷却到室温，90℃下脱气24h。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种高压直流电缆绝缘材料，其特征在于，
所述高压直流电缆绝缘材料是由主料和辅料组成，其中主料是低密度聚乙烯树脂，辅料包括聚苯乙烯树脂、交联剂和抗氧剂；对于所述低密度聚乙烯树脂、所述聚苯乙烯树脂按照GB/T3682-2000、ASTM D1238-98任一标准设计制造的用于测定热塑性塑料熔体体积流动速率（MFR）的仪器，测定熔体流动指数；
所述高压直流电缆绝缘材料包括以下质量份数的各组分：
1）低密度聚乙烯树脂 100份；
2）聚苯乙烯树脂 1~5份；
3）交联剂 0.8~2份；
4）抗氧剂 0.1~0.5份。
2.根据权利要求1所述的高压直流电缆绝缘材料，其特征在于，
所述的低密度聚乙烯树脂的密度为0.910~0.925g/cm3，按照ASTM D1238-98标准方法测试，标准试验负荷为2.16kg，温度为190℃时，熔体流动指数为1.5~2.5 g/10min。
3.根据权利要求1所述的高压直流电缆绝缘材料，其特征在于，
按照ASTM D1238-98标准方法测试，标准试验负荷为5kg，温度为200℃时，所述的聚苯乙烯树脂的熔体流动指数为2~5g/10min，热变形温度大于95℃。
4.根据权利要求1-3任一项所述的高压直流电缆绝缘材料，其特征在于，
所述的抗氧剂选自抗氧剂168、抗氧剂264、抗氧剂300、抗氧剂1010、抗氧剂1024、抗氧剂1035、抗氧剂BHT和DNP中的一种或几种；交联剂为过氧化二异丙苯。
5.根据权利要求1-4任一项所述的高压直流电缆绝缘材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）配比主料和辅料；
（2）混料造粒，制备母料；
（3）交联熟化；
（4）脱气处理。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，
在步骤（1）中，按照质量份数称取100份低密度聚乙烯树脂、1~5份聚苯乙烯树脂、0.8~2份过氧化二异丙苯及0.1~0.5份抗氧剂，配比主料和辅料；在步骤（2）中，将步骤（1）中按质量份数配比的主料和辅料，所述主料和辅料包括100份低密度聚乙烯树脂、1~5份聚苯乙烯树脂及0.1~0.5份抗氧剂，混合均匀后，加入至双螺杆挤出机，混料造粒。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
所述双螺杆挤出机的转速为50~80r/min，于125~180℃下混炼均匀造粒。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
螺杆各区段温度设置为：加料段110~130℃，输送段130~150℃，熔融段150~170℃，机头160~170℃，挤出线经水冷却后风干造粒，制得母料。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
在步骤（3）中，向所述母料中加入交联剂，与所述母料混合均匀，进行交联反应，其中交联反应的条件为：在160~180℃、10~20MPa下交联反应15~25min；之后在60~80℃下恒温熟化12~24h，然后冷却到室温。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，
在步骤（3）中，所述交联剂为过氧化二异丙苯，所述交联剂为所述母料质量的1-3%；在步骤（4）中进行脱气处理，所述脱气处理的条件为70~90℃下脱气12~24h。
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Assignor: XI'AN JIAOTONG University

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Denomination of invention: An insulating material for high voltage DC cable and its preparation method

Granted publication date: 20200710

License type: Common License

Record date: 20220607