CN110305387A - 一种高压阻燃电缆料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高压阻燃电缆料，由以下重量份的组分组成：低密度聚乙烯100‑110份、交联剂2.5‑3份、抗氧化剂0.1‑0.2份、氢氧化铝20‑30份和纳米复合材料5‑12份；还提供了上述高压阻燃电缆料的制备方法，包括以下步骤：S1、将配方量的低密度聚乙烯、交联剂、抗氧化剂、氢氧化铝和纳米复合材料进行熔融共混，得到可交联低密度聚乙烯；S2、将步骤S1得到的可交联低密度聚乙烯热压成型，得到成型料；S3、将步骤S3得到的成型料造粒、干燥，即得高压阻燃电缆料。与现有技术相比，本发制备的高压阻燃电缆料的阻燃性和机械性能好，同时具有较好的抗水树性能，提高了电力电缆的安全性，延长了使用寿命。

Description

一种高压阻燃电缆料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种电缆绝缘材料及其制备方法，具体涉及一种高压阻燃电缆料及其制备方法。
背景技术
随着电力能源工业的不断发展，阻燃电缆、控制电缆、通讯电缆等产品已广泛深入到国民经济生活的方方面面，在人们生活和生产中发挥着重要的作用。
聚乙烯(PE)具有优异的电学、机械物理性能以及良好的加工特性，经常被用作绝缘材料，其中，用于制造电缆的主要是高压低密度聚乙烯，但由于高压低密度聚乙烯自身存在的缺陷，如结晶度偏低，支链较多、密度低，产品的软化温度，刚性、硬度均比较低等，导致单纯用聚乙烯材料制作的绝缘层不能在较高温度下使用，且无法承受短路电流，使用范围有较大的局限性，特别不适用于高压和超高压等场合。
用交联方法使聚乙烯从线型结构加工成三维网状结构的交联聚乙烯(XLPE)，类似于在分子间加强了键接，保证了分子不会随意漂移，弥补了聚乙烯的缺陷，提高了其力学和耐热等性能。
XLPE绝缘电力电缆制造工艺主要有高能辐射交联法、硅烷交联法和过氧化物交联法。其中，高能辐射交联法的机理是利用加速电子、α射线或γ射线等高能射线使聚烯烃分子中的C-H键断裂生成自由基，使聚烯烃大分子之间相互结合形成三维网状的交联结构分子，但使由于存在透射深度低的问题导致高能辐射交联法只能生产低压小截面电线电缆；硅烷交联法可分为一步法和两步法，在工艺上主要包含接枝和交联两个过程，其交联机理是首先引发剂受热分解并夺取聚烯烃中的氢原子并将硅烷交联剂接枝于聚烯烃分子链，然后在温水(或蒸汽)和催化剂的作用下形成Si-O-Si键使聚烯烃缩合并形成交联键，但是由于电缆绝缘中含水量较高的问题导致其极性较大，不适合生产中、高压电力电缆；过氧化物交联法又称干式交联法，其生产原理是在高气压惰性气体保护下，加热管道以热辐射的方式向挤出的电缆料传递热量，使混在绝缘和半导电屏蔽中的交联剂DCP高温下受热分解生成活性游离基，这些活性游离基夺取PE分子链上的氢原子，使其变成大分子链自由基。由于生成的大分子链自由基具有很高的活性，在相遇的时候就可以相互结合形成化学键，完成PE的交联反应。目前，中、高压XLPE绝缘电力电缆主要依靠过氧化物交联法进行生产加工。
CN107118422A公开了一种高压可交连聚乙烯电缆料、CN109749200A公开了一种中高压电力电缆二者均以聚乙烯为原料经交联反应后制得交联聚乙烯电缆料，制得的交联聚乙烯电缆料阻燃性、耐高温和力学性能良好，但二者制备的XLPE绝缘材料的抗水树性能较弱，导致电力电缆的使用寿命较短。
水树枝是指在电场和水的联合作用下高分子电介质内部所产生的树枝状痕迹。由于中压电力电缆一般没有金属密封护层，当其处于潮湿环境中，绝缘材料会逐渐吸收周围的水分，久而久之引发水树枝结构。虽然水树枝的生长十分缓慢，不会直接造成电力电缆绝缘层的击穿，但是其存在会使得绝缘的电气与机械性能急剧下降。更为致命的是，水树枝也有可能在一定程度条件下转化为电树枝，造成绝缘的早期失效，从而极大地缩短了电力电缆的使用寿命。
因此，提高抗水树性能是目前中压电缆XLPE绝缘材料亟待解决的关键问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种高压阻燃电缆料，制备的高压阻燃电缆料的阻燃性和机械性能好，同时具有较好的抗水树性能，提高了电力电缆的安全性，延长了使用寿命。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高压阻燃电缆料，由以下重量份的原料组成：
低密度聚乙烯100-110份、交联剂2.5-3份、抗氧化剂0.1-0.2份、氢氧化铝20-30份和纳米复合材料5-12份。
优选地，所述的纳米复合材料，由以下重量份的组分组成：
4-7份二氧化硅、0.5-1份炭黑、1-2份山梨糖醇和2-2.5份海藻糖。
优选地，所述纳米复合材料的制备方法为：将配方量的二氧化硅、炭黑、山梨糖醇和海藻糖混合，研磨至粒径为20-35nm，即得纳米复合材料。
本发明还提供了上述高压阻燃电缆料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将配方量的低密度聚乙烯、交联剂、抗氧化剂、氢氧化铝和纳米复合材料进行熔融共混，得到可交联低密度聚乙烯；
S2、将步骤S1得到的可交联低密度聚乙烯热压成型，得到成型料；
S3、将步骤S3得到的成型料造粒、干燥，即得高压阻燃电缆料。
本发明的有益效果为：
本发明提供了一种高压阻燃电缆料，由以下重量份的原料低密度聚乙烯100-110份、交联剂2.5-3份、抗氧化剂0.1-0.2份、氢氧化铝20-30份和纳米复合材料5-12份组成，其制备的电缆料的阻燃性和机械性能好，同时具有较好的抗水树性能，提高了电力电缆的安全性，延长了使用寿命。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明的技术方案做进一步详述。
当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本文中使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同意义。
本发明对原料的来源没有特殊限制，如无特殊说明，本发明所采用的原料均为普通市售产品。
一种高压阻燃电缆料，由以下重量份的原料组成：
低密度聚乙烯100-110份、交联剂2.5-3份、抗氧化剂0.1-0.2份、氢氧化铝20-30份和纳米复合材料5-12份。
优选地，所述纳米复合材料的制备方法为：取4-7重量份二氧化硅、0.5-1重量份炭黑、1-2重量份山梨糖醇和2-2.5重量份海藻糖混合，研磨至粒径为20-35nm，即得纳米复合材料。
本发明对所述交联剂的种类不做限制，优选地，所述交联剂为三甲氧基丙烷三甲基丙烯酸酯和过氧化二异丙苯；进一步优选地，所述交联剂中三甲氧基丙烷三甲基丙烯酸酯和过氧化二异丙苯的质量比为0.3：1。
本发明对所述交联剂的种类不做限制，优选地，所述抗氧化剂为2，4-二羟基二苯甲酮或抗氧化剂1010。
本发明还提供了上述高压阻燃电缆料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将配方量的低密度聚乙烯、交联剂、抗氧化剂、氢氧化铝和纳米复合材料进行熔融共混，得到可交联低密度聚乙烯；所述熔融共混为：在118-128℃下螺杆搅拌12-18min，螺杆转速为30-80rpm；
S2、将步骤S1得到的可交联低密度聚乙烯，在110-150℃下，以10MPa的压力压制10-30min，热压成型，得到成型料；
S3、将步骤S3得到的成型料造粒、干燥，即得高压阻燃电缆料，其中，所述成型造粒为：利用转速为80rpm的双螺杆挤出机进行造粒，其中，加料段温度为112℃，熔融段为160℃，熔体输送段为160-166℃，混炼段为175℃，机头计量段为175℃。
实施例1
一种高压阻燃电缆料，由以下重量份的原料组成：
低密度聚乙烯100份、交联剂2.5份、抗氧化剂0.1份、氢氧化铝20份和纳米复合材料5-12份。
所述纳米复合材料的制备方法为：取4重量份二氧化硅、0.5重量份炭黑、1重量份山梨糖醇和2重量份海藻糖混合，研磨至粒径为20nm，即得纳米复合材料。
所述交联剂为质量比为0.3：1的三甲氧基丙烷三甲基丙烯酸酯和过氧化二异丙苯的混合物。
所述抗氧化剂为2，4-二羟基二苯甲酮。
上述高压阻燃电缆料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将配方量的低密度聚乙烯、交联剂、抗氧化剂、氢氧化铝和纳米复合材料进行熔融共混，得到可交联低密度聚乙烯；
所述熔融共混为：在118℃下螺杆搅拌5min，螺杆转速为80rpm然后再128℃下搅拌7min，螺杆转速为30rpm；
S2、将步骤S1得到的可交联低密度聚乙烯，在110℃下，以10MPa的压力压制30min，热压成型，得到成型料；
S3、将步骤S3得到的成型料造粒、干燥，即得高压阻燃电缆料；
所述成型造粒为：利用转速为80rpm的双螺杆挤出机进行造粒，其中，加料段温度为112℃，熔融段为160℃，熔体输送段为160-166℃，混炼段为175℃，机头计量段为175℃。
实施例2
一种高压阻燃电缆料，由以下重量份的原料组成：
低密度聚乙烯110份、交联剂3份、抗氧化剂0.2份、氢氧化铝30份和纳米复合材料12份。
所述纳米复合材料的制备方法为：取7重量份二氧化硅、1重量份炭黑、2重量份山梨糖醇和2.5重量份海藻糖混合，研磨至粒径为35nm，即得纳米复合材料。
所述交联剂为质量比为0.3：1的三甲氧基丙烷三甲基丙烯酸酯和过氧化二异丙苯的混合物。
所述抗氧化剂为抗氧化剂1010。
上述高压阻燃电缆料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将配方量的低密度聚乙烯、交联剂、抗氧化剂、氢氧化铝和纳米复合材料进行熔融共混，得到可交联低密度聚乙烯；
所述熔融共混为：在118℃下螺杆搅拌8min，螺杆转速为70rpm然后再125℃下搅拌10min，螺杆转速为40rpm；
S2、将步骤S1得到的可交联低密度聚乙烯，在150℃下，以10MPa的压力压制10min，热压成型，得到成型料；
S3、将步骤S3得到的成型料造粒、干燥，即得高压阻燃电缆料；
所述成型造粒为：利用转速为80rpm的双螺杆挤出机进行造粒，其中，加料段温度为112℃，熔融段为160℃，熔体输送段为160-166℃，混炼段为175℃，机头计量段为175℃。
实施例3
一种高压阻燃电缆料，由以下重量份的原料组成：
低密度聚乙烯105份、交联剂2.8份、抗氧化剂0.13份、氢氧化铝25份和纳米复合材料11份。
所述纳米复合材料的制备方法为：取5重量份二氧化硅、0.8重量份炭黑、1.4重量份山梨糖醇和2.1重量份海藻糖混合，研磨至粒径为30nm，即得纳米复合材料。
所述交联剂为质量比为0.3：1的三甲氧基丙烷三甲基丙烯酸酯和过氧化二异丙苯的混合物。
所述抗氧化剂为抗氧化剂1010。
上述高压阻燃电缆料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将配方量的低密度聚乙烯、交联剂、抗氧化剂、氢氧化铝和纳米复合材料进行熔融共混，得到可交联低密度聚乙烯；
所述熔融共混为：在120℃下螺杆搅拌7min，螺杆转速为75rpm然后再128℃下搅拌10min，螺杆转速为35rpm；
S2、将步骤S1得到的可交联低密度聚乙烯，在123℃下，以10MPa的压力压制15min，热压成型，得到成型料；
S3、将步骤S3得到的成型料造粒、干燥，即得高压阻燃电缆料；
所述成型造粒为：利用转速为80rpm的双螺杆挤出机进行造粒，其中，加料段温度为112℃，熔融段为160℃，熔体输送段为160-166℃，混炼段为175℃，机头计量段为175℃。
实施例4
一种高压阻燃电缆料，由以下重量份的原料组成：
低密度聚乙烯108份、交联剂2.7份、抗氧化剂0.18份、氢氧化铝22份和纳米复合材料7份。
所述纳米复合材料的制备方法为：取6重量份二氧化硅、0.6重量份炭黑、1.6重量份山梨糖醇和2.4重量份海藻糖混合，研磨至粒径为28nm，即得纳米复合材料。
所述交联剂为质量比为0.3：1的三甲氧基丙烷三甲基丙烯酸酯和过氧化二异丙苯的混合物。
所述抗氧化剂为抗氧化剂1010。
制备方法同实施例3。
对比例1
本对比例与实施例3的不同在于：纳米复合材料中不含海藻糖。
对比例2
本对比例与实施例3的不同在于：纳米复合材料的粒径为18nm。
对比例3
本对比例与实施例3的不同在于：所述交联剂为质量比为1：1的三甲氧基丙烷三甲基丙烯酸酯和过氧化二异丙苯的混合物。
对比例4
本对比例与实施例3的不同在于：所述熔融共混为：在118℃下螺杆搅拌12min，螺杆转速为80rpm。
对比例5
本对比例与实施例3的不同在于：所述成型造粒为：利用转速为60rpm的双螺杆挤出机进行造粒，其中，加料段温度为118℃，熔融段为165℃，熔体输送段为165-172℃，混炼段为180℃，机头计量段为180℃。
一、高压阻燃电缆料性能检测
1、检测方法：
加速水树枝老化实验采用水刀电极法，具体为：采用不锈钢刀片沿试样厚度方向垂直其表面切出两个刀口缺陷，作为水树枝的引发与生长起始点。利用真空镀膜系统在试样另一表面蒸镀铝电极作为装置的接地电极。为了消除刀口缺陷处残存的空气，整个装置在实验前放于真空烘箱中45min。
水刀电极法的具体条件如下：(1)试样尺寸：长和宽均为100mm，厚度4mm；(2)聚丙烯管尺寸：高度80mm，外直径70mm，壁厚5mm；(3)刀口缺陷尺寸：长度40mm，宽度0.03mm，刀尖曲率半径0.01mm。刀口缺陷尖端距离试样另一侧表面2mm，并且两个刀口缺陷相距10mm；(4)电压特性：电压幅值4kV，频率3kHz；(5)电解质溶液为NaCl溶液，其浓度为1.8mol/L；(6)老化时间：10d。在加速水树枝老化实验结束后，将试样的刀口缺陷沿其长度方向垂直切成厚度120μm的薄片，然后将其放入温度为90℃的亚甲基蓝溶液(5wt％亚甲基蓝)中浸渍4h以充分染色水树枝区域。
本实施例1-4和对比例1-5制备的电缆料的性能测试结果如表1所示。
表1高压阻燃电缆料性能测试结果
由上表可知，采用实施例1-4制备的高压阻燃电缆料具有较好的机械性能，拉伸强度较高，可到达38-43MPa，断裂伸长率可到达472-490％；其中氧指数可达到31-35，水树枝长度为89.6-104.8μm，表明本发明制备的高压阻燃电缆料具有较好的阻燃性能和抗水树性能。同时通过实验发现，随着低密度聚乙烯、交联剂、抗氧化剂和纳米复合材料等原料重量份和制备参数的改变，制备的高压阻燃电缆料的机械性能、阻燃性能和抗水树性能都有不同程度的降低。当纳米复合材料中山梨糖醇和海藻糖的质量比为2:3时，可以显著提高本发明高压阻燃电缆料的交联度，使制备的电缆料的水树枝长度明显变短。
以上是结合具体实施例对本发明进一步的描述，但这些实施例仅仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高压阻燃电缆料，其特征在于，由以下重量份的原料组成：
低密度聚乙烯100-110份、交联剂2.5-3份、抗氧化剂0.1-0.2份、氢氧化铝20-30份和纳米复合材料5-12份。
2.根据权利要求1所述的高压阻燃电缆料，其特征在于，所述的纳米复合材料，由以下重量份的组分组成：
4-7份二氧化硅、0.5-1份炭黑、1-2份山梨糖醇和2-2.5份海藻糖。
3.根据权利要求2所述的高压阻燃电缆料，其特征在于，所述纳米复合材料的制备方法为：将配方量的二氧化硅、炭黑、山梨糖醇和海藻糖混合，研磨，即得纳米复合材料。
4.根据权利要求3所述的高压阻燃电缆料，其特征在于，所述纳米复合材料的粒径为20-35nm。
5.根据权利要求1所述的高压阻燃电缆料，其特征在于，所述交联剂为三甲氧基丙烷三甲基丙烯酸酯和过氧化二异丙苯。
6.根据权利要求5所述的高压阻燃电缆料，其特征在于，所述交联剂中三甲氧基丙烷三甲基丙烯酸酯和过氧化二异丙苯的质量比为0.3：1。
7.权利要求1-6任一项所述的高压阻燃电缆料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将配方量的低密度聚乙烯、交联剂、抗氧化剂、氢氧化铝和纳米复合材料进行熔融共混，得到可交联低密度聚乙烯；
S2、将步骤S1得到的可交联低密度聚乙烯热压成型，得到成型料；
S3、将步骤S3得到的成型料造粒、干燥，即得高压阻燃电缆料。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述熔融共混为：在118-128℃下螺杆搅拌12-18min，螺杆转速为30-80rpm。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述热压成型为：在110-150℃下，以10MPa的压力压制10-30min。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述成型造粒为：利用转速为80rpm的双螺杆挤出机进行造粒，其中，加料段温度为112℃，熔融段为160℃，熔体输入送段为160-166℃，混炼段为175℃，机头计量段为175℃。
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