CN111730778B - 一种基于纳米二氧化硅的聚乙烯电缆绝缘料的制备方法 - Google Patents

一种基于纳米二氧化硅的聚乙烯电缆绝缘料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及绝缘材料技术领域，尤其涉及一种基于纳米二氧化硅的聚乙烯电缆绝缘料的制备方法。纳米二氧化硅与抗氧剂同时加入到聚乙烯基体中时，容易发生纳米二氧化硅粒子自身团聚的现象，而且，纳米二氧化硅与抗氧剂由于静电的作用也非常容易团聚在一起，大大降低了交联聚乙烯绝缘电缆料的电气性能和耐老化性能。为了解决这个问题，本发明提供一种基于纳米二氧化硅的聚乙烯电缆绝缘料的制备方法，大大提高了原料在双螺杆挤出过程中的剪切力，有效提高了纳米二氧化硅在聚乙烯基体中的分散性，大大降低了纳米二氧化硅粒子自身团聚以及纳米二氧化硅与抗氧剂由于静电作用而团聚在一起的概率，明显改善了聚乙烯电缆绝缘料的电气性能。

Description

一种基于纳米二氧化硅的聚乙烯电缆绝缘料的制备方法
技术领域
本发明涉及绝缘材料技术领域，尤其涉及一种基于纳米二氧化硅的聚乙烯电缆绝缘料的制备方法。
背景技术
相对于交流输电技术，直流输电由于线路造价低，线路损耗小，不存在系统稳定问题，可以限制短路电流，调节快速，运行可靠的特点，在输配电中逐渐被越来越多的采用。由于塑料直流电力电缆具有机械性能好，运行线路损耗更小，安装以及运行维护方便，耐酸、碱，抗腐蚀，并且不会对环境造成污染等优点，已经成为目前研究的热点。直流电缆在运行过程中，不会出现像交流电情况下电场周期性变化，因此，聚乙烯中的杂质粒子(如交联副产物)在恒定电场作用下，解离成阴阳两种离子，并在电场的作用下各向两个电极的方向移动，在移动过程中部分电荷被聚乙烯内的陷阱所捕获，形成空间电荷包，并造成聚乙烯内局部的电场畸变。研究发现，空间电荷效应造成的局部电场畸变，会达到稳态电场的5-7倍，从而产生介质击穿，导致电缆被破坏。为了抑制聚乙烯中的空间电荷现象，已经有许多学者提出了通过纳米改性来改善聚乙烯内部空间电荷分布的方法，例如吴建东等研究了纳米二氧化硅对聚乙烯高场电导的影响，发现小尺寸氧化硅粒子对电导电流的印制效果更好(吴建东，兰莉，尹毅，等.纳米颗粒填充对LDPE/silica纳米复合介质阈值电场的影响[J].中国电机工程学报，2013，36(22)：201-206.)。
目前，常用的直流塑料电缆的绝缘材料为交联聚乙烯，在长期运行过程中发现其老化问题比较严重，严重制约电缆的使用性能和正常运行的寿命。相关研究发现，抗氧剂的加入能够大幅度的降低电缆中电树枝等电老化热老化相关问题的产生概率，能够起到维持电缆的使用性能和延长使用寿命。但是，我们通过实验发现，纳米二氧化硅与抗氧剂同时加入到聚乙烯基体中时，容易发生纳米二氧化硅粒子自身团聚的现象以及纳米二氧化硅与抗氧剂由于静电的作用团聚在一起的现象，大大降低了交联聚乙烯绝缘电缆料的电气性能和耐老化性能。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明要解决的技术问题是：纳米二氧化硅与抗氧剂同时加入到聚乙烯基体中时，容易发生纳米二氧化硅粒子自身团聚的现象以及纳米二氧化硅与抗氧剂由于静电作用容易团聚在一起的现象，大大降低了交联聚乙烯绝缘电缆料的电气性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种基于纳米二氧化硅的聚乙烯电缆绝缘料的制备方法，以重量份数计，按照以下步骤制备：
(1)首先将双螺杆挤出机挤出段各区的温度设置为115-120℃，双螺杆挤出机的长径比为50-60:1，待温度稳定后，将LDPE通过原喂料口加入双螺杆挤出机腔体清洗5min；之后，将1份纳米二氧化硅与97.5-98.5份LDPE加入双螺杆挤出机上原喂料口前端设置的高速搅拌机中，搅拌均匀；
(2)将0.5份抗氧剂和0.5份交联剂混合均匀，加入到双螺杆挤出机上增设的第二喂料口，第二喂料口与原喂料口在双螺杆挤出机材料行进方向上的水平距离为10-20cm；
(3)将原喂料口中的原料和第二喂料口中的原料同时加入到双螺杆挤出机腔体中，原喂料口和第二喂料口的喂料速度相同，经双螺杆挤出机挤出后，经过冷却水槽冷却，再经过风机吹干后，进行切粒、烘干，即得到基于纳米二氧化硅的聚乙烯高压电缆绝缘粒料。
具体地，所述LDPE的熔融指数为1-3g/10min，结晶度小于10％，催化剂残留小于1/1000。
具体地，所述纳米二氧化硅的粒径为7-20nm。
具体地，所述抗氧剂为抗氧剂1010或抗氧剂300。
具体地，所述交联剂为DCP(过氧化二异丙苯)。
具体地，所述双螺杆挤出机的转速为100-200rpm。
具体地，所述双螺杆挤出机的双螺杆同向啮合。
本发明的有益效果是：
(1)本发明所制备的基于纳米二氧化硅的聚乙烯电缆绝缘料具有良好的电气性能，本法所制备绝缘料内电场的最大值仅为-6.752×107V/mm，电场畸变率降低至12％。
(2)本发明的方法大大提高了原料在双螺杆挤出过程中的剪切力，有效提高了纳米二氧化硅在聚乙烯基体中的分散性，大大降低了纳米二氧化硅粒子自身团聚以及纳米二氧化硅与抗氧剂由于静电作用而团聚在一起的概率，明显改善了聚乙烯电缆绝缘料的电气性能。
具体实施方式
现在结合以下实施例和对比例对本发明作进一步详细的说明。
本发明以下实施例和对比例所采用的LDPE的熔融指数均为1-3g/10min，结晶度小于10％，催化剂残留小于1/1000。
实施例1
(1)首先将双螺杆挤出机挤出段各区的温度设置为115℃，双螺杆挤出机的长径比为50:1，待温度稳定后，将LDPE通过原喂料口加入双螺杆挤出机腔体清洗5min；之后，将1份粒径为7nm的纳米二氧化硅与97.5份LDPE加入双螺杆挤出机上原喂料口前端设置的高速搅拌机中，搅拌均匀；
(2)将0.5份抗氧剂168和0.5份DCP混合均匀，加入到双螺杆挤出机上增设的第二喂料口，第二喂料口与原喂料口在双螺杆挤出机材料行进方向上的水平距离为10cm；
(3)将原喂料口中的原料和第二喂料口中的原料同时加入到双螺杆挤出机腔体中，原喂料口和第二喂料口的喂料速度相同，经双螺杆挤出机挤出后，经过冷却水槽冷却，再经过风机吹干后，进行切粒、烘干，即得到基于纳米二氧化硅的聚乙烯高压电缆绝缘粒料。
实施例2
(1)首先将双螺杆挤出机挤出段各区的温度设置为118℃，双螺杆挤出机的长径比为55:1，待温度稳定后，将LDPE通过原喂料口加入双螺杆挤出机腔体清洗5min；之后，将1份粒径为15nm的纳米二氧化硅与98份LDPE加入双螺杆挤出机上原喂料口前端设置的高速搅拌机中，搅拌均匀；
(2)将0.5份抗氧剂1010和0.5份DCP混合均匀，加入到双螺杆挤出机上增设的第二喂料口，第二喂料口与原喂料口在双螺杆挤出机材料行进方向上的水平距离为15cm；
(3)将原喂料口中的原料和第二喂料口中的原料同时加入到双螺杆挤出机腔体中，原喂料口和第二喂料口的喂料速度相同，经双螺杆挤出机挤出后，经过冷却水槽冷却，再经过风机吹干后，进行切粒、烘干，即得到基于纳米二氧化硅的聚乙烯高压电缆绝缘粒料。
实施例3
(1)首先将双螺杆挤出机挤出段各区的温度设置为120℃，双螺杆挤出机的长径比为60:1，待温度稳定后，将LDPE通过原喂料口加入双螺杆挤出机腔体清洗5min；之后，将1份粒径为20nm的纳米二氧化硅与98.5份LDPE加入双螺杆挤出机上原喂料口前端设置的高速搅拌机中，搅拌均匀；
(2)将0.5份抗氧剂300和0.5份DCP混合均匀，加入到双螺杆挤出机上增设的第二喂料口，第二喂料口与原喂料口在双螺杆挤出机材料行进方向上的水平距离为20cm；
(3)将原喂料口中的原料和第二喂料口中的原料同时加入到双螺杆挤出机腔体中，原喂料口和第二喂料口的喂料速度相同，经双螺杆挤出机挤出后，经过冷却水槽冷却，再经过风机吹干后，进行切粒、烘干，即得到基于纳米二氧化硅的聚乙烯高压电缆绝缘粒料。
对比例1同实施例2，不同之处在于：
(1)首先将双螺杆挤出机挤出段各区的温度设置为118℃，双螺杆挤出机的长径比为55:1，待温度稳定后，将LDPE通过原喂料口加入双螺杆挤出机腔体清洗5min；之后，将1份纳米二氧化硅、98份LDPE、0.5份抗氧剂和0.5份交联剂加入双螺杆挤出机上原喂料口前端设置的高速搅拌机中，搅拌均匀，然后通过原喂料口加入到双螺杆挤出机挤出腔内；
(2)经双螺杆挤出机挤出后，经过冷却水槽冷却，再经过风机吹干后，进行切粒、烘干，即得到基于纳米二氧化硅的聚乙烯高压电缆绝缘粒料。
对比例2同实施例2，不同之处在于：
(1)首先将双螺杆挤出机挤出段各区的温度设置为118℃，双螺杆挤出机的长径比为55:1，待温度稳定后，将LDPE通过原喂料口加入双螺杆挤出机腔体清洗5min；之后，将1份纳米二氧化硅、98份LDPE加入双螺杆挤出机上原喂料口前端设置的高速搅拌机中，搅拌均匀，然后加入0.5份抗氧剂和0.5份交联剂搅拌均匀，通过原喂料口加入到双螺杆挤出机挤出腔内；
(2)经双螺杆挤出机挤出后，经过冷却水槽冷却，再经过风机吹干后，进行切粒、烘干，即得到基于纳米二氧化硅的聚乙烯高压电缆绝缘粒料。
对比例3同实施例2，不同之处在于：交联剂为2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧)-乙炔。
对比例4同实施例2，不同之处在于：第二喂料口与原喂料口在双螺杆挤出机材料行进方向上的水平距离为30cm。
性能测试：
实施例1所制备的聚乙烯绝缘电缆材料内部注入的电荷量较少，内电场的最大值为-6.752×107V/mm，电场畸变率为12％。
实施例2所制备的聚乙烯绝缘电缆材料内部注入的电荷量较少，内电场的最大值为-7.152×107V/mm，电场畸变率为15％。
实施例3所制备的聚乙烯绝缘电缆材料内部注入的电荷量较少，内电场的最大值为-6.732×107V/mm，电场畸变率为13％。
对比例1所制备的聚乙烯绝缘电缆材料内电场的最大值为-8.452×107V/mm，电场畸变率为42％。
对比例2所制备的聚乙烯绝缘电缆材料内电场的最大值为-8.112×107V/mm，电场畸变率为35％。
对比例3所制备的聚乙烯绝缘电缆材料内电场的最大值为-7.852×107V/mm，电场畸变率为21％。
对比例4所制备的聚乙烯绝缘电缆材料内电场的最大值为-7.352×107V/mm，电场畸变率为17％。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种基于纳米二氧化硅的聚乙烯电缆绝缘料的制备方法，其特征在于，以重量份数计，按照以下步骤制备：
（1）首先将双螺杆挤出机挤出段各区的温度设置为115-120℃，双螺杆挤出机的长径比为50-60:1，待温度稳定后，将LDPE通过原喂料口加入双螺杆挤出机腔体清洗5min；之后，将1份纳米二氧化硅与97.5-98.5份LDPE加入双螺杆挤出机上原喂料口前端设置的高速搅拌机中，搅拌均匀；
（2）将0.5份抗氧剂和0.5份交联剂混合均匀，加入到双螺杆挤出机上增设的第二喂料口，第二喂料口与原喂料口在双螺杆挤出机材料行进方向上的水平距离为10-20cm；
（3）将原喂料口中的原料和第二喂料口中的原料同时加入到双螺杆挤出机腔体中，原喂料口和第二喂料口的喂料速度相同，经双螺杆挤出机挤出后，经过冷却水槽冷却，再经过风机吹干后，进行切粒、烘干，即得到基于纳米二氧化硅的聚乙烯高压电缆绝缘粒料。
2.根据权利要求1所述的一种基于纳米二氧化硅的聚乙烯电缆绝缘料的制备方法，其特征在于：所述LDPE的熔融指数为1-3g/10min，结晶度小于10%，催化剂残留小于1/1000。
3.根据权利要求1所述的一种基于纳米二氧化硅的聚乙烯电缆绝缘料的制备方法，其特征在于：所述纳米二氧化硅的粒径为7-20nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于纳米二氧化硅的聚乙烯电缆绝缘料的制备方法，其特征在于：所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂168或抗氧剂300。
5.根据权利要求1所述的一种基于纳米二氧化硅的聚乙烯电缆绝缘料的制备方法，其特征在于：所述交联剂为DCP。
6.根据权利要求1所述的一种基于纳米二氧化硅的聚乙烯电缆绝缘料的制备方法，其特征在于：所述双螺杆挤出机的转速为100-200rpm。
7.根据权利要求1所述的一种基于纳米二氧化硅的聚乙烯电缆绝缘料的制备方法，其特征在于：所述双螺杆挤出机的双螺杆同向啮合。
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