CN110066445B - 一种架空电力电缆绝缘材料及其生产方法 - Google Patents

一种架空电力电缆绝缘材料及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种架空电力电缆绝缘材料及其生产方法，属于绝缘材料技术领域。一种架空电力电缆绝缘材料，由如下重量份的原料制成：聚乙烯100份、聚丙烯10‑15份、乙烯‑乙烯醇共聚物3‑8份、苯偶酰0.2‑0.7份、对氨基偶氮苯0.05‑0.13份、无机纳米颗粒1‑5份、添加剂0.1‑2份。本发明一种架空电力电缆绝缘材料，以聚乙烯作为基料，并使用聚丙烯和乙烯‑乙烯醇共聚物进行共混，同时加入一定量的苯偶酰、对氨基偶氮苯、无机纳米颗粒以及添加剂，提高聚乙烯绝缘材料的电气性能。

Description

一种架空电力电缆绝缘材料及其生产方法
技术领域
本发明属于绝缘材料技术领域，具体涉及一种架空电力电缆绝缘材料及其生产方法。
背景技术
电力电缆作为重要的电力设备，是输配电系统的重要组成部分。随着城市化进程的加快、可再生资源的开发，电力电缆的需求将不断增加。
绝缘材料是指用于使不同电位的导电部分隔离的材料，当对绝缘材料施加电压的时候，绝缘材料只产生微弱的电流。固体的绝缘材料较为常见，主要包括绝缘纸、橡胶、塑料、玻璃、陶瓷等，根据其组成部分，主要分为无机、有机和复合绝缘材料 3 大类。复合材料主要是两种或者是以上的材料进行组合，达到协同效应来弥补某一材料性能上的不足，常见的复合绝缘材料主要是聚乙烯、聚酰亚胺等为基体的复合材料。
公开号为CN 108148244 A的专利文献提供一种改善聚乙烯材料易燃性的改性聚乙烯材料及其制备方法。一种改善聚乙烯材料易燃性的改性聚乙烯材料由下列重量比原料组成，高密度聚乙烯：80～120，十溴二苯乙烷：8.0～10.0，分散润滑剂：7.0～8.0，抗氧剂：0.8～1.2，扩散油：0.1～0.5，着色剂：0.6～1.0，抗滴落剂：1.3～1.7，钛酸酯偶联剂：1.3～1.7，三氧化二锑：2.0～3.0，无机填充：4.0～5.0。该发明能够明显提高聚乙烯材料的阻燃性能，使其阻燃等级达到V0。而该发明聚乙烯材料的绝缘性能较之聚乙烯而言没有任何的改进。
公告号为CN 108034106 A的专利文献明公开了一种电缆用绝缘材料，其按照以下原料的重量份数组成：聚乙烯橡胶20-30份、 环氧树脂5-10份、氢氧化镁15-30份、硫酸钡粉末 5-8份、石墨1-3份、增塑剂0 .5-1份、碳纤维3-5 份、流平剂0 .1-0 .5份、硬脂酸1-8份、相容剂0 .5- 1 .5份、松油1-3份、安定剂0 .1-0 .8份、沥青1-5 份、石蜡3-8份、聚苯硫醚0.1-0 .8份、秸秆粉10- 15份。该发明的电缆用绝缘材料采用科学配方， 环境友好拉伸强度较高，耐高温，耐酸碱。该电缆绝缘材料配方成分复杂，而且工艺可控性低，作为绝缘材料使用而言，绝缘性能一般，而且力学性能改善有限。
发明内容
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是，提供一种架空电力电缆绝缘材料，改善聚乙烯绝缘材料的电气性能。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种架空电力电缆绝缘材料，由如下重量份的原料制成：聚乙烯100份、聚丙烯10-15份、乙烯-乙烯醇共聚物3-8份、苯偶酰0.2-0.7份、对氨基偶氮苯0.05-0.13份、无机纳米颗粒1-5份、添加剂0.1-2份。
优选地，所述聚乙烯由低密度聚乙烯和高密度聚乙烯以质量比（10-20）：1组成。
优选地，所述无机纳米颗粒为纳米氧化镁、纳米氧化锌和纳米二氧化硅中的一种或两种以上的组合物。
优选地，所述无机纳米颗粒为纳米氧化镁和纳米二氧化硅，所述纳米氧化镁和纳米二氧化硅的质量比为（3-5）：1。
优选地，所述无机纳米颗粒的平均粒径为10-20纳米。
优选地，添加剂为炭黑、改性蒙脱土和紫外线吸收剂中的一种或两种以上的组合物。
优选地，所述架空电力电缆绝缘材料的生产方法，包括如下步骤：
S1、在密炼机中加入聚乙烯、聚丙烯和乙烯-乙烯醇共聚物，混炼15-20分钟，接着依次添加苯偶酰和对氨基偶氮苯，继续混炼8-10分钟，然后加入无机纳米颗粒和添加剂混炼5-8分钟，制得共混物；
S2、将所述共混物热压成型，冷却固化，即得。
优选地，所述混炼的温度为175-190℃。
优选地，所述密炼机的转速为30-35转/分。
优选地，所述热压成型的温度为175-190℃，压强为17-25MPa。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明一种架空电力电缆绝缘材料，以聚乙烯作为基料，并使用聚丙烯和乙烯-乙烯醇共聚物进行共混，同时加入一定量的苯偶酰、对氨基偶氮苯、无机纳米颗粒以及添加剂，提高聚乙烯绝缘材料的电气性能。其中，本发明所用聚乙烯优选低密度聚乙烯和高密度聚乙烯以质量比（10-20）：1组成的组合物，在低密度聚乙烯中加入上述质量的高密度聚乙烯，可显著提高低密度聚乙烯的力学性能。本发明除对聚乙烯进行优化之外，还混入一定量的聚丙烯和乙烯-乙烯醇共聚物，研究结果表明，聚丙烯的加入对绝缘材料的力学性能以及电气性能的提升具有明显的作用，乙烯-乙烯醇共聚物的加入更倾向于改善绝缘材料的电气性能。本发明所加入的苯偶酰，使得聚乙烯绝缘材料具有明显的抑制电树枝的效果，增强了聚乙烯绝缘材料的电气性能；而且对氨基偶氮苯的加入能够强化这一效果，并且能够大幅降低聚乙烯绝缘材料的介电损耗。本发明加入无机纳米颗粒，优选为纳米氧化镁和纳米二氧化硅，纳米氧化镁和纳米二氧化硅的质量比为（3-5）：1，且平均粒径为10-20纳米，协同苯偶酰和对氨基偶氮苯，进一步加强和改善聚乙烯绝缘材料的电气性能，同时对聚乙烯绝缘材料力学性能的提高也有明显影响。此外，本申请还加入少量添加剂，优选炭黑、改性蒙脱土和紫外线吸收剂中的一种或两种以上的组合物，辅助改善聚乙烯绝缘材料的力学性能、耐紫外线老化性、耐候性能等综合性能。
本发明还提供了上述架空电力电缆绝缘材料的生产方法，采用密炼机共混、热压成型以及冷却固化的方法获得，其中各步骤通过优化参数配置，具体的，混炼温度175-190℃，密炼机的转速为30-35转/分，使得各原料混合更为均匀、高效，可控性强；热压成型的温度为175-190℃，压强为17-25MPa，使共混料成型快、质量优，表面光洁；通过各参数协同，使得聚乙烯绝缘材料性能以及生产效率得到可靠保障。
附图说明
图1：本发明实施例1-4以及对比例1-4绝缘材料的拉伸测试结果；
图2：本发明实施例1-4以及对比例1-4绝缘材料的介电常数测试结果；
图3：本发明实施例1-4以及对比例1-4绝缘材料的介电损耗因数测试结果。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。
本发明中，低密度聚乙烯（LDPE）：中国石化，2102TN26型，密度为0.919-0.922g/cm3。高密度聚乙烯（HDPE）：燕山石化，L501型，密度0.950 g/cm3。聚丙烯（PP）：茂名石化，Z30S型均聚PP树脂。乙烯-乙烯醇共聚物（EVOH）：东莞市楹圣塑胶化工有限公司，E105B型，乙烯含量为44%。苯偶酰，CAS号 134-81-6，分子式 C14H10O2。对氨基偶氮苯：CAS号60-09-3分子式C12H11N3。
纳米氧化镁、纳米氧化锌、纳米二氧化硅：上海超威纳米科技有限公司，定制平均粒径10-20纳米，纯度99.9%。
改性蒙脱土，过300目筛，参阅文献方法（吕斌, 段徐宾, 高党鸽, et al. 硅烷偶联剂改性蒙脱土的制备及性能研究[J]. 陕西科技大学学报, 2014(3):9-14.）自制。
实施例1
一种架空电力电缆绝缘材料，由如下重量份的原料制成：聚乙烯100份、聚丙烯10份、乙烯-乙烯醇共聚物3份、苯偶酰0.2份、对氨基偶氮苯0.05份、无机纳米颗粒1份、添加剂0.1份。
聚乙烯由低密度聚乙烯和高密度聚乙烯以质量比10：1组成。无机纳米颗粒为纳米氧化镁。无机纳米颗粒的平均粒径为10纳米。添加剂为炭黑。
架空电力电缆绝缘材料的生产方法，包括如下步骤：
S1、在密炼机中加入聚乙烯、聚丙烯和乙烯-乙烯醇共聚物，混炼15分钟，接着依次添加苯偶酰和对氨基偶氮苯，继续混炼8分钟，然后加入无机纳米颗粒和添加剂混炼5分钟，制得共混物；
S2、将共混物热压成型，冷却固化，即得。
混炼的温度为175℃。密炼机的转速为30转/分。热压成型的温度为175℃，压强为17MPa。
实施例2
一种架空电力电缆绝缘材料，由如下重量份的原料制成：聚乙烯100份、聚丙烯11份、乙烯-乙烯醇共聚物4份、苯偶酰0.3份、对氨基偶氮苯0.06份、无机纳米颗粒2份、添加剂0.3份。
聚乙烯由低密度聚乙烯和高密度聚乙烯以质量比12：1组成。无机纳米颗粒为纳米氧化锌。无机纳米颗粒的平均粒径为12纳米。添加剂为改性蒙脱土。
架空电力电缆绝缘材料的生产方法，包括如下步骤：
S1、在密炼机中加入聚乙烯、聚丙烯和乙烯-乙烯醇共聚物，混炼18分钟，接着依次添加苯偶酰和对氨基偶氮苯，继续混炼9分钟，然后加入无机纳米颗粒和添加剂混炼6分钟，制得共混物；
S2、将共混物热压成型，冷却固化，即得。
混炼的温度为180℃。密炼机的转速为32转/分。热压成型的温度为180℃，压强为18MPa。
实施例3
一种架空电力电缆绝缘材料，由如下重量份的原料制成：聚乙烯100份、聚丙烯12份、乙烯-乙烯醇共聚物5份、苯偶酰0.4份、对氨基偶氮苯0.07份、无机纳米颗粒3份、添加剂0.5份。
聚乙烯由低密度聚乙烯和高密度聚乙烯以质量比15：1组成。无机纳米颗粒为纳米二氧化硅。无机纳米颗粒的平均粒径为15纳米。添加剂为紫外线吸收剂UV-531。
架空电力电缆绝缘材料的生产方法，包括如下步骤：
S1、在密炼机中加入聚乙烯、聚丙烯和乙烯-乙烯醇共聚物，混炼20分钟，接着依次添加苯偶酰和对氨基偶氮苯，继续混炼10分钟，然后加入无机纳米颗粒和添加剂混炼8分钟，制得共混物；
S2、将共混物热压成型，冷却固化，即得。
混炼的温度为185℃。密炼机的转速为35转/分。热压成型的温度为185℃，压强为20MPa。
实施例4
一种架空电力电缆绝缘材料，由如下重量份的原料制成：聚乙烯100份、聚丙烯13份、乙烯-乙烯醇共聚物6份、苯偶酰0.5份、对氨基偶氮苯0.08份、无机纳米颗粒4份、添加剂0.8份。
聚乙烯由低密度聚乙烯和高密度聚乙烯以质量比18：1组成。无机纳米颗粒为纳米氧化镁和纳米二氧化硅，纳米氧化镁和纳米二氧化硅的质量比为3：1。无机纳米颗粒的平均粒径为15纳米。添加剂为紫外线吸收剂UV-327。
架空电力电缆绝缘材料的生产方法，与实施例1基本相同，所不同的是：混炼的温度为190℃。密炼机的转速为32转/分。热压成型的温度为190℃，压强为23MPa。
实施例5
一种架空电力电缆绝缘材料，由如下重量份的原料制成：聚乙烯100份、聚丙烯14份、乙烯-乙烯醇共聚物7份、苯偶酰0.6份、对氨基偶氮苯0.09份、无机纳米颗粒5份、添加剂1.0份。
聚乙烯由低密度聚乙烯和高密度聚乙烯以质量比（10-20）：1组成。
无机纳米颗粒为纳米氧化镁和纳米二氧化硅，纳米氧化镁和纳米二氧化硅的质量比为4：1。无机纳米颗粒的平均粒径为18纳米。
本实施例中炭黑和紫外线吸收剂UV-327的质量比为2：1。除此之外，炭黑和紫外线吸收剂UV-327的质量比也可以为1：1和3：1。
架空电力电缆绝缘材料的生产方法，与实施例1基本相同，所不同的是：混炼的温度为182℃。热压成型的温度为182℃，压强为25MPa。
实施例6
一种架空电力电缆绝缘材料，由如下重量份的原料制成：聚乙烯100份、聚丙烯15份、乙烯-乙烯醇共聚物8份、苯偶酰0.7份、对氨基偶氮苯0.10份、无机纳米颗粒2份、添加剂1.3份。
聚乙烯由低密度聚乙烯和高密度聚乙烯以质量比20：1组成。
无机纳米颗粒为纳米氧化镁和纳米二氧化硅，纳米氧化镁和纳米二氧化硅的质量比为5：1。无机纳米颗粒的平均粒径为15纳米。
本实施例中，改性蒙脱土和紫外线吸收剂UV-327的质量比为0.5：1。除此之外，改性蒙脱土和紫外线吸收剂UV-327的质量比也可以为：0.4：1、0.6：1和0.7：1。
架空电力电缆绝缘材料的生产方法，与实施例1相同，
实施例7
一种架空电力电缆绝缘材料，由如下重量份的原料制成：聚乙烯100份、聚丙烯12份、乙烯-乙烯醇共聚物3份、苯偶酰0.2份、对氨基偶氮苯0.12份、无机纳米颗粒3份、添加剂1.6份。
聚乙烯由低密度聚乙烯和高密度聚乙烯以质量比15：1组成。
无机纳米颗粒为纳米氧化镁和纳米二氧化硅，纳米氧化镁和纳米二氧化硅的质量比为3.5：1。无机纳米颗粒的平均粒径为20纳米。
本实施例中，炭黑和改性蒙脱土的质量比为4：1，也可以为2：1、3：1、5：1和6：1。
架空电力电缆绝缘材料的生产方法，与实施例1相同。
实施例8
一种架空电力电缆绝缘材料，由如下重量份的原料制成：聚乙烯100份、聚丙烯13份、乙烯-乙烯醇共聚物7份、苯偶酰0.6份、对氨基偶氮苯0.13份、无机纳米颗粒4份、添加剂2份。
聚乙烯由低密度聚乙烯和高密度聚乙烯以质量比15：1组成。
无机纳米颗粒为纳米氧化镁和纳米二氧化硅，纳米氧化镁和纳米二氧化硅的质量比为4.5：1。无机纳米颗粒的平均粒径为20纳米。
本实施例中，炭黑、改性蒙脱土和紫外线吸收剂的质量比为0.8：0.2：1。除本实施例的上述选择外，炭黑、改性蒙脱土和紫外线吸收剂的质量比也可以为0.6：0.1：1、1.2：0.3：1和1：0.2：1。
架空电力电缆绝缘材料的生产方法，与实施例1相同。
对比例1
一种架空电力电缆绝缘材料，由如下重量份的原料制成：聚乙烯100份、聚丙烯5份、乙烯-乙烯醇共聚物1份、苯偶酰0.2份、对氨基偶氮苯0.05份、无机纳米颗粒1份、添加剂0.1份。
聚乙烯由低密度聚乙烯和高密度聚乙烯以质量比10：1组成。无机纳米颗粒为纳米氧化镁。无机纳米颗粒的平均粒径为10纳米。添加剂为炭黑。
生产方法参阅实施例1。
对比例2
一种架空电力电缆绝缘材料，由如下重量份的原料制成：聚乙烯100份、聚丙烯20份、乙烯-乙烯醇共聚物10份、苯偶酰0.2份、对氨基偶氮苯0.05份、无机纳米颗粒1份、添加剂0.1份。
聚乙烯由低密度聚乙烯和高密度聚乙烯以质量比10：1组成。无机纳米颗粒为纳米氧化镁。无机纳米颗粒的平均粒径为10纳米。添加剂为炭黑。
生产方法参阅实施例1。
对比例3
一种架空电力电缆绝缘材料，由如下重量份的原料制成：聚乙烯100份、聚丙烯10份、乙烯-乙烯醇共聚物3份、苯偶酰0.2份、偶氮苯0.06份、无机纳米颗粒1份、添加剂0.1份。
聚乙烯由低密度聚乙烯和高密度聚乙烯以质量比10：1组成。无机纳米颗粒为纳米氧化镁。无机纳米颗粒的平均粒径为10纳米。添加剂为炭黑。
生产方法参阅实施例1。
对比例4
一种架空电力电缆绝缘材料，与实施例1不同的是：生产方法，包括以下步骤：
S1、在密炼机中依次加入聚乙烯、聚丙烯、乙烯-乙烯醇共聚物、苯偶酰、对氨基偶氮苯、无机纳米颗粒和添加剂，混炼30分钟，制得共混物；
S2、将共混物热压成型，冷却固化，即得。
混炼的温度为170℃。密炼机的转速为20转/分。热压成型的温度为170℃，压强为30MPa。
1）将实施例1-4以及对比例1-4制备的绝缘材料进行拉伸测试：
根据ISO37-1994，使用CMT5305拉伸测试仪（新三思材料检测有限公司，深圳中国），试样制成哑铃型，宽度 4mm，厚度 1mm；夹具间距 100mm；有效距离 50mm；拉伸速率50mm/min；测试温度为25℃。
拉伸强度表示单位面积薄膜拉伸断裂时所承受拉力，能反应材料抗拉伸的能力，断裂伸长率表示的是薄膜试样在拉伸断裂时薄膜增加长度与原始长度的比值。
2）将实施例1-4以及对比例1-4制备的绝缘材料进行介电谱测试：
使用Novocontrol Aloha-N高分辨介电谱仪（德国Novocontrol科技公司，NOVOCONTROL Technologies GmbH & Co.）测试介电常数和介电损耗，频率为1kHz至10MHz。样品厚度为0.5mm，将样品中心喷金，直径约为20mm，形成金电极，注意控制喷金电流在2mA以内，防止样品由于温度太高而老化变形。喷金结束后将样片置于两个圆柱形介电谱测试电极中，以保证接错良好。
介电常数描述的是介质极化情况的外现物理量，介质损耗因数作用是衡量绝缘性能的指标，测量介电常数和介质损耗值可以用来判断电气绝缘状态灵敏有效的办法。介电损耗可以评价材料电气性能的好坏，介电损耗值越小，绝缘材料的绝缘性能越好。
3）结果分析
i.拉伸测试结果如图1所示。
图1结果显示，实施例1-4制备的绝缘材料的拉伸强度在17.5-19.5MPa之间，断裂伸长率在1050-1165%之间，其中，实施例4的拉伸强度为19.2MPa，断裂伸长率为1263%，与文献报道的LDPE（拉伸强度13-15 MPa，800-1000%之间）的力学性能有明显的改善。
对比例1-对比例2较之实施例1，拉伸强度和断裂伸长率均有不同程度地下降，显示出聚乙烯、聚丙烯和乙烯-乙烯醇共聚物在合理的配合条件下才能达到良好的力学效果，过多或过少加入聚丙烯和乙烯和乙烯醇共聚物，对聚乙烯绝缘材料力学性能的改善无明显作用。
对比例3采用偶氮苯替代对氨基偶氮苯，相较而言，本发明采用对氨基偶氮苯所得绝缘材料的力学性能更好。
对比例4与实施例1相比，实施例1的生产方法更有利于本发明获得力学性能更好的绝缘材料，实施例1采用分批次加入原料，控制混炼温度175℃，密炼机转速30转/分，热压成型温度175℃，压强17MPa这些工艺条件较之对比例4更为科学。
ii. 介电谱测试结果如图2-3所示。
图2结果显示，在整个测试频谱范围内，实施例1-4以及对比例1-4所得绝缘材料的介电常数均在1.8-2.2之间，这是非极性聚合物的典型特征。而实施例1的介电常数较之实施例2-4略高，可能是由于添加的无机纳米颗粒的影响。对比例1-4介电常数较之实施例1提高，则与原料组分以及搭配等有关，也说明合理的组分及配比对降低绝缘材料的介电常数是有益的。
图3结果显示，实施例1-4中， 实施例1生产的绝缘材料在频率10-2-101之间的损耗最低，在频率105-106之间，实施例1与实施例2相当。对比例1-对比例4的介电损耗均较实施例1有所增大，而且实施例2-4与对比例1-4相比，介电损耗也更低，显示出本发明绝缘材料各组分的协同性更强，本发明改善了LDPE材料的介质损耗，绝缘性能更好。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种架空电力电缆绝缘材料，其特征在于，由如下重量份的原料制成：聚乙烯100份、聚丙烯10-15份、乙烯-乙烯醇共聚物3-8份、苯偶酰0.2-0.7份、对氨基偶氮苯0.05-0.13份、无机纳米颗粒1-5份、添加剂0.1-2份；
所述无机纳米颗粒为纳米氧化镁、纳米氧化锌和纳米二氧化硅中的一种或两种以上的组合物；
所述的架空电力电缆绝缘材料的生产方法，包括如下步骤：
S1、在密炼机中加入聚乙烯、聚丙烯和乙烯-乙烯醇共聚物，混炼15-20分钟，接着依次添加苯偶酰和对氨基偶氮苯，继续混炼8-10分钟，然后加入无机纳米颗粒和添加剂混炼5-8分钟，制得共混物；
S2、将所述共混物热压成型，冷却固化，即得；
所述混炼的温度为175-190℃；
所述密炼机的转速为30-35转/分；
所述热压成型的温度为175-190℃，压强为17-25MPa。
2.根据权利要求1所述的架空电力电缆绝缘材料，其特征在于：所述聚乙烯由低密度聚乙烯和高密度聚乙烯以质量比（10-20）：1组成。
3.根据权利要求2所述的架空电力电缆绝缘材料，其特征在于：所述无机纳米颗粒为纳米氧化镁和纳米二氧化硅，所述纳米氧化镁和纳米二氧化硅的质量比为（3-5）：1。
4.根据权利要求3所述的架空电力电缆绝缘材料，其特征在于：所述无机纳米颗粒的平均粒径为10-20纳米。
5.根据权利要求4所述的架空电力电缆绝缘材料，其特征在于：添加剂为炭黑和紫外线吸收剂中的一种或两种的组合物。
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