CN111440378A - 一种半导电屏蔽复合材料及其制备方法和在电力电缆中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导电屏蔽复合材料技术领域，具体涉及一种电力电缆用半导电屏蔽复合材料，其包含如下按重量份的组分：乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物(EVA)94％～98％，碳纳米管(CNT)1％～3％，氧化石墨烯(GO)1％～3％。其制备工艺如下：(1)GO‑CNT/EVA混合物的制备；(2)压制成型。本发明采用高导电CNT作为导电填料，EVA作为基体材料，GO作为CNT与EVA基体界面改善剂，实现在低CNT含量下构建高效导电网络，获得了具有良好导电性和机械性能的半导电屏蔽复合材料。该电力电缆用半导电屏蔽复合材料制备简单，生产成本低，易在工业上实现大量生产。

Description

一种半导电屏蔽复合材料及其制备方法和在电力电缆中的 应用

技术领域

本发明涉及一种电力电缆用半导电屏蔽复合材料制备领域，特别涉及氧化石墨烯(以下简称GO)-碳纳米管(以下简称CNT)/乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(以下简称EVA)电力电缆用半导电屏蔽复合材料。

背景技术

随着我国经济的快速增长和电力技术的进步，高压以及特高压输电技术因其传输距离远、传输容量大和损耗低等优点受到越来越多的关注。但是在高压下电缆绝缘容易产生空间电荷，导致电场发生畸变，甚至击穿绝缘进而造成电缆的损坏。半导电屏蔽层能使电场分布更均匀以防局部放电，减少应力集中对绝缘层造成的损害，同时还能降低导线损耗。因此，研制电力电缆用半导电屏蔽材料对延长电缆寿命和实现电力系统长期安全稳定运行具有重要作用。

传统半导电屏蔽材料主要通过在聚合物基体中添加导电炭黑粒子经熔融混合得到，通常需要较高的炭黑含量才能形成相互连通的导电网络，满足电性能使用要求。然而高含量的炭黑粒子导致加工困难，通过在传统炭黑填充半导电屏蔽料中引入大长径比碳纳米管(CNT)可降低导电粒子使用量(专利号201810173156.8)，但是导电粒子与聚合物基体界面相容性较差，存在严重团聚问题，影响复合材料的电性能和机械性能，且表面光洁度较差。因此，如何实现导电粒子良好分散提高其与聚合物基体的界面相容性成为半导电屏蔽材料研究的重点和难点。

发明内容

为解决电力电缆用半导电屏蔽料炭黑填充量大、容易团聚，性能不理想等缺点，本发明的第一目的在于提供一种半导电屏蔽复合材料，旨在改善CNT分散性，降低CNT添加量，且改善导电性以及机械性能。

本发明第二目的在于，提供所述的半导电屏蔽复合材料的制备方法。

本发明第三目的在于，提供所述的半导电屏蔽复合材料在电力电缆中的应用。

本发明第四目的在于，还提供了一种氧化石墨烯的全新的应用方法。

一种半导电屏蔽复合材料，包含乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、碳纳米管和氧化石墨烯。

氧化石墨烯不具备导电性能，常被排除在半导电屏蔽复合材料的应用体系中。但本发明基于半导电屏蔽复合材料的广泛研究总结发现，所述的氧化石墨烯虽然不具备导电性，但其可对CNT在EVA体系中起到分散剂的作用，改善CNT在EVA基体中的分散性能，有助于有效解决CNT的团聚，达到在降低CNT含量的情况下，还有效保证以及改善材料的导电性能，此外，还有助于改善材料的机械性能。

本发明研究发现，所述的二维结构的非导电性的GO和一维的CNT存在明显的协同性，能够协同改善导电性，不仅如此，还能够协同改善材料的机械性能。

所述的半导电屏蔽复合材料，包括乙烯-醋酸乙烯酯共聚物基底，以及均匀分散在所述的基底中的碳纳米管和氧化石墨烯。

作为优选，所述的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的醋酸乙烯酯重量含量为25～30％；优选为28％；熔体粘度20～30g/(10min)(190℃，21.6N)，优选为25g/(10min)(190℃，21.6N)。

作为优选，碳纳米管平均直径9～10nm，优选为9.5nm；平均长度1～2μm，优选为1.5μm。

作为优选，所述的氧化石墨烯的片尺寸约为0.5-1微米，厚度为～1.1nm(不超过1.1nm)。

作为优选，碳纳米管的重量百分含量为1～3％；氧化石墨烯的重量百分含量为1～3％；余量为乙烯-醋酸乙烯酯共聚物。

本发明技术方案，借助于所述的氧化石墨烯良好的分散作用，能够有效改善CNT在EVA体系中的分散和取向，能够改善CNT导电网络的构建，有助于在降低CNT含量的前提下，还保证以及改善其导电性能和机械性能，从而改善所述的半导电屏蔽复合材料的性能。

一种优选的半导电屏蔽复合材料，复合材料主要原料质量百分比构成如下：

乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA) 94％～98％

碳纳米管(CNT) 1％～3％

氧化石墨烯(GO) 1％～3％

本发明中，还提供了一种所述的半导电屏蔽复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将EVA溶液与GO-CNT分散液混合得混合液，随后絮凝并干燥得到GO-CNT/EVA混合物；

(2)将GO-CNT/EVA混合物压制成型，得到所述的半导电屏蔽复合材料。

本发明中，所述的EVA溶液为EVA的二甲苯溶液。

作为优选，所述的GO-CNT分散液为分散有GO和CNT的二甲苯溶液；

作为优选，向混合液中添加乙醇，进行絮凝，得到所述的GO-CNT/EVA混合物；

优选地，将GO-CNT/EVA混合物在150～180℃的温度下预热，随后再在8～12MPa的压力下热压得到。

本发明还提供一种优选的制备方法，包括以下步骤：

(1)GO-CNT/EVA混合物的制备：首先将EVA加入二甲苯中在60℃机械搅拌30min得到EVA溶液，随后将经超声10min后得到的GO-CNT/二甲苯均匀分散溶液加入EVA溶液，继续搅拌混合30min得GO-CNT/EVA混合液，最后将混合液倒入乙醇中絮凝并干燥得到GO-CNT/EVA混合物；

(2)压制成型：将步骤(1)中得到的GO-CNT/EVA混合物在160℃预热5min，然后在10MPa下热压10min，最后冷却至室温，得到目标产品。

本发明还提供了一种所述的半导电屏蔽复合材料的应用，将其用于电力电缆用半导电屏蔽复合材料。

本发明还提供了一种氧化石墨烯的应用，将其用作分散剂，用于改善CNT在EVA基体界面相容性。

本发明创新地发现，非导电的GO能够改善CNT与EVA基体界面相容性，实现在低填料含量下构建高效的导电网络，获得具有良好导电性和机械性能的半导电屏蔽复合材料。

本发明具有以下优点：

本发明提供了一种全新的半导电屏蔽复合材料，其采用CNT为导电填料、EVA为基体材料，创新地采用GO改善CNT与EVA的界面相容性，利用CNT优良的导电性能和极大的长径比特性、GO与CNT的π-π相互作用及其与EVA的良好相容性，实现在低导电粒子填料下获得满意的导电性和机械性能的半导电屏蔽材料。本发明基于所述的非导电Go与CNT之间的协同性，在降低CNT含量的前提下，还可改善材料的导电性能以及机械性能。研究发现，在3％的CNT添加量下，导电率可达到1.2×10^-1S/m，且材料的机械性能优异。

本发明通过溶液混合和热压成型技术即可实现GO-CNT在EVA中的良好分散，在低填料下获得了满意导电性。该制备过程操作简单并且制作成本低，有利于在工程上进行大量生产。

附图说明

图1为本发明制备过程示意图。

具体实施方式

以下案例中，除特别声明外，其所述的乙烯-醋酸乙烯共聚物(杜邦EVA-28)的醋酸乙烯酯重量含量为28％，熔体粘度25g/(10min)(190℃，21.6N)；

其所述的碳纳米管平均直径9.5nm，平均长度1.5μm；

其所述的氧化石墨烯的片尺寸约为0.5-1微米，厚度为～1.1nm。

实施例1

主要原料质量百分比按如下：EVA98％；CNT 1％；GO 1％；

操作步骤采用：

(1)GO-CNT/EVA混合物的制备：首先将EVA加入二甲苯中在60℃机械搅拌30min得到EVA溶液，随后将经超声10min后得到的GO-CNT/二甲苯均匀分散溶液加入EVA溶液，继续搅拌混合30min得到GO-CNT/EVA混合液，最后将混合液倒入乙醇中絮凝并干燥得到GO-CNT/EVA混合物；

(2)压制成型：将步骤(1)中得到的GO-CNT/EVA混合物在160℃预热5min，然后在10MPa下热压10min，最后冷却至室温，得到目标产品。

实施例2

其它同实施例1，原料配比为EVA96％；CNT 2％；GO 2％；

实施例3

其它同实施例1，原料配比为EVA94％；CNT 3％；GO 3％。

对上述实施例1至3所指的电力电缆用半导电屏蔽复合材料进行导电性能和机械性能测试，测试结果如表1所示：

表1.复合材料电导率和机械性能

从上面的数据结果可知，复合材料电导率随着CNT含量的增加而增加。固定GO与CNT质量比为1:1，在CNT质量含量仅为1.0％，时，复合材料电导率为3.4×10^-6S/m；当CNT含量增加到3.0％时，电导率达到1.2×10^-1S/m，强度和断裂伸长率分别为16.7MPa和563％，满足了半导电屏蔽材料使用要求。这主要是因为CNT具有极大的长径比和优异的导电性，GO与CNT的π-π相互作用及其与EVA基体的良好相容性，有助于在低填料含量下构建完善的导电通路并改善CNT与EVA基体的界面作用。

使用本发明所述方法制备的GO-CNT/EVA半导电屏蔽复合材料不仅具有良好的导电性能和机械性能，并且生产成本低，操作简单，容易实施，利于在工业上实现大量生产。

Claims (10)

1.一种半导电屏蔽复合材料，其特征在于，包含乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、碳纳米管和氧化石墨烯。

2.如权利要求1所述的半导电屏蔽复合材料，其特征在于，包括乙烯-醋酸乙烯酯共聚物基底，以及均匀分散在所述的基底中的碳纳米管和氧化石墨烯。

3.如权利要求1所述的半导电屏蔽复合材料，其特征在于，所述的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的醋酸乙烯酯重量含量为25～30％；熔体粘度20～30g/(10min)(190℃,21.6N)。

4.如权利要求1所述的半导电屏蔽复合材料，其特征在于，碳纳米管平均直径9～10nm，平均长度1～2μm。

5.如权利要求1所述的半导电屏蔽复合材料，其特征在于，所述的氧化石墨烯的片尺寸约为0.5-1微米，厚度为～1.1nm。

6.如权利要求1～5任一项所述的半导电屏蔽复合材料，其特征在于，碳纳米管的重量百分含量为1～3％；氧化石墨烯的重量百分含量为1～3％；余量为乙烯-醋酸乙烯酯共聚物。

7.一种权利要求1～6任一项所述的半导电屏蔽复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将EVA溶液与GO-CNT分散液混合得混合液，随后絮凝并干燥得到GO-CNT/EVA混合物；

(2)将GO-CNT/EVA混合物压制成型，得到所述的半导电屏蔽复合材料。

8.如权利要求7所述的半导电屏蔽复合材料的制备方法，其特征在于，所述的EVA溶液为EVA的二甲苯溶液；

所述的GO-CNT分散液为分散有GO和CNT的二甲苯溶液；

向混合液中添加乙醇，进行絮凝，得到所述的GO-CNT/EVA混合物；

优选地，将GO-CNT/EVA混合物在150～180℃的温度下预热，随后再在8～12MPa的压力下热压得到。

9.一种权利要求1～6任一项所述的半导电屏蔽复合材料的应用，其特征在于，将其用于电力电缆用半导电屏蔽复合材料。

10.一种氧化石墨烯的应用，其特征在于，将其用作分散剂，用于改善CNT在EVA基体界面相容性。

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