CN112106150B - 电力电缆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电力电缆。具体而言，本发明涉及一种环保且耐热性和机械强度优异，同时与这些物理性质具有权衡关系(trade‑off)的柔韧性、弯曲性、耐冲击性、热稳定性、耐寒性、铺设性、作业性等优异的具有由绝缘材料构成的绝缘层的电力电缆。

Description

电力电缆
技术领域
本发明涉及一种电力电缆。具体而言，本发明涉及一种环保且耐热性和机械强度优异，同时与这些物理性质具有权衡关系(trade-off)的柔韧性、弯曲性、耐冲击性、热稳定性、耐寒性、铺设性、作业性等优异的具有由绝缘材料构成的绝缘层的电力电缆。
背景技术
通常的电力电缆可以包括导体和包围所述导体的绝缘层，尤其，在高电压电力电缆或超高电压电力电缆的情况下，在所述导体和所述绝缘层之间还可以包括内部半导电层、包围所述绝缘层的外部半导电层以及包围所述外部半导电层的护套层等。
近年来，随着增加的电力需求，需要开发出大容量电缆，为此，目前需要一种用于制造机械特性和电特性优异的绝缘层的绝缘材料。
以往，作为构成所述绝缘材料的基底树脂，通常使用对聚乙烯、乙烯-丙烯弹性共聚物(EPR)、乙烯-丙烯-二烯共聚物(EPDM)等聚烯烃系高分子进行交联的基底树脂。这是因为，这种以往的交联树脂甚至在高温条件下也能保持优异的柔韧性和令人满意的电强度和机械强度等。
但是，由于用作构成绝缘材料的基底树脂的所述交联聚乙烯(XLPE)等是交联形态，因此，如果包括由所述交联聚乙烯等树脂制造的绝缘层的电缆等达到使用寿命，则不能再生利用构成所述绝缘层的树脂，从而只能通过焚烧来废弃，因此并不环保。
另外，在作为护套层的材料使用聚氯乙烯(PVC)的情况下，难以从构成所述绝缘材料的交联聚乙烯(XLPE)等中分离该聚氯乙烯(PVC)，从而存在焚烧时产生有毒性氯化物等的不环保的缺点。
另一方面，对于非交联形态的高密度聚乙烯(HDPE)或低密度聚乙烯(LDPE)而言，如果包括由此制造的绝缘层的电缆等达到使用寿命，则能够再生利用构成所述绝缘层的树脂等，因此环保，但是与交联形态的聚乙烯(XLPE)相比耐热性差，从而存在因低运行温度而其用途非常受限的缺点。
另一方面，高分子本身的熔点为160℃以上，即使不交联也具有优异的耐热性，因此可以考虑将环保的聚丙烯树脂用作基底树脂。然而，对于所述聚丙烯树脂而言，由于其高刚性(rigidity)带来的柔韧性、弯曲性(flexibility)等不充分，从而在包括由此制造出的绝缘层的电缆的铺设作业时，存在作业性下降并且其用途受限的问题。
因此，目前迫切需要一种电力电缆，所述电力电缆不仅环保且制造费用低廉，而且能够同时满足耐热性和机械强度以及与这些具有权衡关系(trade-off)的柔韧性、弯曲性、耐冲击性、热稳定性、耐寒性、铺设性、作业性等。
发明内容
发明所要解决的问题
本发明的目的在于，提供一种环保的电力电缆。
另外，本发明的目的在于，提供一种能够同时满足耐热性和机械强度以及与这些具有权衡关系(trade-off)的柔韧性、弯曲性、耐冲击性、热稳定性、耐寒性、铺设性和作业性等的具有绝缘层的电力电缆。
解决问题的技术方案
为了解决上述问题，本发明提供一种电力电缆，所述电力电缆包括导体和包围所述导体的绝缘层，所述绝缘层由包含异相聚丙烯树脂的绝缘组合物形成，按照标准ASTMD790，在常温条件下测定的由所述绝缘组合物形成的绝缘试样的弯曲模量为50至1200MPa，根据下述数学式1的丙烯单体的峰值分数为0.3至2.0，根据下述数学式2的二甲苯不溶性为10％以下。
[数学式1]
峰值分数＝CH3对称弯曲的峰值/CH2和CH3弯曲的峰值
在所述数学式1中，
所述CH3对称弯曲的峰值是，在对所述绝缘组合物进行FT-IR分析时，对存在于表示丙烯单体的波数1400cm-1至1340cm-1之间的CH3对称的吸收率的峰值，
所述CH2和CH3弯曲的峰值是，在对所述绝缘组合物进行FT-IR分析时，对存在于分别表示乙烯单体和丙烯单体的波数1500cm-1至1420cm-1之间的CH2和CH3的吸收率的峰值。
[数学式2]
二甲苯不溶性＝(二甲苯溶剂中溶出后的绝缘试样的质量/溶出前的绝缘试样的质量)×100
在所述数学式2中，
所述二甲苯溶剂中溶出后的绝缘试样的质量是，将绝缘试样的质量为0.3g的绝缘试样浸入二甲苯溶剂中之后，在沸点以上的条件下沸煮6小时，并冷却至常温之后，取出绝缘试样并重新在150℃的烤箱中干燥4小时并冷却至常温之后测定到的绝缘试样的质量。
在此，提供一种绝缘组合物，其特征在于，根据所述数学式1的丙烯单体的峰值分数为0.4至1.7。
另外，提供一种绝缘组合物，其特征在于，根据所述数学式2的二甲苯不溶性为8％以下。
并且，提供一种绝缘组合物，其特征在于，所述弯曲模量为200至1000MPa。
另一方面，提供一种电力电缆，其特征在于，所述异相聚丙烯树脂在结晶相聚丙烯基质内分散有橡胶相丙烯共聚物。
另外，提供一种电力电缆，其特征在于，所述结晶相聚丙烯基质包含丙烯均聚物或丙烯共聚物，或者，所述结晶相聚丙烯基质包含所述丙烯均聚物和所述丙烯共聚物。
此外，提供一种电力电缆，其特征在于，所述橡胶相丙烯共聚物包含选自于由乙烯和C4-12α-烯烃构成的组中的一种以上的共聚单体，C4-12α-烯烃为1-丁烯、1-戊烯、4-甲基-1-戊烯、1-己烯、1-庚烯以及1-辛烯等。
发明效果
本发明的电力电缆由于采用非交联丙烯聚合物作为绝缘层材料，因此表现出环保且耐热性和机械强度优异，能够同时满足与这些具有权衡关系的柔韧性、弯曲性、耐冲击性、热稳定性、耐寒性、铺设性、作业性等的优异效果。
附图说明
图1是示意性地表示本发明的电力电缆的一实施例的横截面结构的图。
图2是示意性地表示图1所示的电力电缆的纵截面结构的图。
图3是表示对本发明的电力电缆中的绝缘组合物进行FT-IR分析结果的曲线图。
具体实施方式
下面，对本发明的优选实施例进行详细说明。但是，本发明不限于在此说明的实施例，并且还可以以其他方式实施。相反，在此介绍的实施例是为了能够使公开的内容彻底和完整，并且是为了向本技术的技术人员充分传递本发明的思想而提供的。在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的构成要素。
图1和图2是分别表示本发明的电力电缆的一实施例的横截面结构和纵截面结构的图。
如图1和图2所示，本发明的电力电缆可以包括：导体10，由铜、铝等导电性物质构成；绝缘层30，由绝缘性高分子等构成；内部半导电层20，包围所述导体10，去除所述导体10和所述绝缘层30之间的空气层，起到缓解局部电场集中等的作用；外部半导电层40，起到电缆的屏蔽作用和绝缘层30中形成均匀的电场的作用；以及护套层50，用于保护电缆，等。
所述导体10、绝缘层30、半导电层20、40以及护套层50等的规格可以因电缆的用途、传输电压等的不同而不同，构成所述绝缘层30、所述半导电层20、40以及所述护套层50的材料可以相同或不同。
从提高电力电缆的柔韧性、弯曲性、铺设性和作业性等方面来看，所述导体10可以由复数个裸线绞合而成的绞线构成，尤其是可以包括通过复数个裸线沿所述导体10的圆周方向排列而形成的复数个导体层。
本发明的电力电缆的绝缘层30可以由包含非交联热塑性树脂的绝缘组合物形成，所述非交联热塑性树脂包含聚丙烯共聚物，例如包含两种以上的相，具体而言包含结晶相树脂和橡胶相树脂的异相聚丙烯，具体而言在结晶相聚丙烯基质内分散有橡胶相丙烯共聚物的异相聚丙烯树脂。
在此，所述结晶相聚丙烯基质可以包含丙烯均聚物和/或丙烯共聚物，优选可以包含丙烯均聚物，更优选可以仅包含丙烯均聚物。所述丙烯均聚物是指，以单体总重量为基准，99重量％以上，优选为99.5重量％以上的丙烯的聚合而形成的聚丙烯。
所述结晶相聚丙烯基质可以在常规的立体定向齐格勒-纳塔催化剂、茂金属催化剂、限制几何催化剂、其他有机金属或配位催化剂的条件下聚合，优选可以在齐格勒-纳塔催化剂或茂金属催化剂的条件下聚合。在此，所述茂金属是环戊二烯和过渡金属以夹层结构结合的新的有机金属化合物、即双(环戊二烯基)金属的总称，最简单的结构的通式为M(C5H5)2(其中，M为Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Ru、Zr、Hf等)。在所述茂金属催化剂的条件下聚合的聚丙烯的催化剂残留量低至约200至700ppm，因此能够抑制或者最小化因所述催化剂残留量导致的包含所述聚丙烯的绝缘组合物的电特性的下降。
另一方面，在所述结晶相聚丙烯基质内分散的橡胶相丙烯共聚物实质上为无定形。所述橡胶相丙烯共聚物可以包含选自于由乙烯和1-丁烯、1-戊烯、4-甲基-1-戊烯、1-己烯、1-庚烯以及1-辛烯等C4-12α-烯烃构成的组中的一种以上的共聚单体。
所述橡胶相丙烯共聚物可以是单体丙烯-乙烯橡胶(PER)或丙烯-乙烯-二烯橡胶(EPDM)。
在本发明中，所述橡胶相丙烯共聚物的粒子尺寸可以是微米级或纳米级。所述橡胶相丙烯共聚物的这种粒子尺寸能够确保所述橡胶相丙烯共聚物在所述结晶相聚丙烯基质中的均匀分散，并且能够改善包含所述橡胶相丙烯共聚物的绝缘层的冲击强度。并且，所述粒子尺寸能够减小由所述粒子引起的龟裂的风险因素，并且提高可阻止已形成的龟裂或裂纹的可能性。
尽管所述异相聚丙烯树脂是非交联形态，但是因其自身的高熔点而发挥充分的耐热性，因此不仅能够提供改善了连续使用温度的电力电缆，而且由于是非交联形态，因此表现出能够再生利用等环保的优异效果。相反，以往的交联形态的树脂难以再生利用，从而不仅不环保，而且如果在形成绝缘层30时过早发生交联结合或烧焦(scorch)，则可能会引起长期的挤出性能下降，例如不能发挥均匀的生产能力等。
在本发明中，形成所述绝缘层30的绝缘组合物还可以包含成核剂(nucleatingagent)。所述成核剂可以是山梨醇系成核剂。即，作为山梨醇系成核剂，所述成核剂例如可以是1,3:2,4-双(3,4-二甲基二苄基)山梨醇(1,3:2,4-Bis(3,4-dimethyldibenzylidene)Sorbitol)、双(对甲基二苄基)山梨醇(Bis(p-methyldibenzylidene)Sorbitol)、取代的二苄基山梨醇(Substituted Dibenzylidene Sorbitol)、它们的混合物。
所述成核剂即使在电缆的挤出工序中不进行骤冷，也能促进所述非交联热塑性树脂的固化，从而不仅能够提高电缆的生产率，而且通过将固化所述非交联热塑性树脂时生成的结晶的尺寸限制为较小，优选限制为1至10μm，从而能够提高所制造出的绝缘层的电特性，此外，通过形成复数个生成所述结晶的结晶化部位来增加结晶度，发挥同时提高所述绝缘层的耐热性、机械强度等的优异效果。
由于所述成核剂的熔融温度高，因此需要在约230℃的高温条件下进行注塑加工和挤出加工，优选将两种以上的山梨醇系成核剂组合后使用。在将两种以上的互不相同的山梨醇系成核剂组合后使用的情况下，成核剂的表达性在低温下也能提高。
以所述非交联热塑性树脂100重量份为基准，可以包含0.1至0.5重量份的所述成核剂。在所述成核剂的含量小于0.1重量份的情况下，因大结晶尺寸，例如，超过10μm的结晶尺寸和不均匀的结晶分布会使所述非交联热塑性树脂及包含所述非交联热塑性树脂的绝缘层的耐热性、电强度和机械强度可能会下降，相反，在所述成核剂的含量超过0.5重量份的情况下，因过小的结晶尺寸，例如，因小于1μm的结晶尺寸导致所述结晶和所述树脂的无定形部分之间的表面界面面积增加，会使所述非交联热塑性树脂和包含所述非交联热塑性树脂的绝缘层的交流绝缘击穿(AC dielectric breakdown；ACBD)特性、脉冲(impulse)特性等下降。
在本发明中，形成所述绝缘层30的绝缘组合物还可以包含绝缘油。
所述绝缘油可以使用矿物油、合成油等。尤其是，所述绝缘油可以使用由二苄基甲苯、烷基苯、烷基二苯乙烷这样的芳香族碳氢化合物构成的芳香族系油；由链烷烃系碳氢化合物构成的链烷烃系油；由环烷烃系碳氢化合物构成的环烷烃系油；以及硅油等。
另一方面，以所述非交联热塑性树脂100重量份为基准，所述绝缘油的含量可以是1至10重量份，可以优选为1至7.5重量份，在所述绝缘油的含量超过10重量份的情况下，在导体10上形成绝缘层30的挤出过程中发生所述绝缘油溶出的现象，从而可能会发生电缆的加工变得困难的问题。
如前所述，所述绝缘油通过进一步改善将因高刚性(rigidity)而柔韧性(flexibility)稍差的聚丙烯树脂作为基底树脂的绝缘层30的柔韧性、弯曲性等，从而使电缆的铺设作业变得容易，同时表现出保持或改善所述聚丙烯树脂本质上具有的优异的耐热性、机械特性和电特性的优异效果。尤其是，在所述聚丙烯树脂在茂金属催化剂下聚合的情况下，所述绝缘油表现出补充因较窄的分子量分布而有所下降的作业性的优异效果。
在本发明中，就形成所述绝缘层30的绝缘组合物而言，由所述绝缘组合物形成的绝缘试样在常温条件下的弯曲模量可以为50至1200MPa(按照标准ASTM D790测定)，可以优选为200至1000MPa，丙烯单体的FT-IR峰值分数(peak ratio)可以为0.3至2.0，优选为0.4至1.7，二甲苯不溶性(Xylene Insolubility)可以为10％以下，可以优选为8％以下。
在此，按照标准ASTM D790测定的弯曲模量，可以通过如下的方式来测定，将长方体形状的绝缘试样放置于两个支撑台上，并且在所述两个支撑台之间的所述绝缘试样的中间部分施加荷重，并测定绝缘试样表面发生破裂时施加的荷重或者发生5.0％的变形时施加的荷重。另外，在所述绝缘试样在常温条件下的弯曲模量小于50MPa的情况下，所述绝缘层30的耐热性、机械特性等可能会不充分，相反，在弯曲模量超过1200MPa的情况下，所述绝缘层30的柔韧性、耐寒性、铺设性以及作业性等可能会显著下降。
另外，所述丙烯单体的FT-IR峰值分数(peak ratio)可以通过下述的数学式1来计算。
[数学式1]
峰值分数＝CH3对称弯曲的峰值/CH2和CH3弯曲的峰值
在所述数学式1中，
如图3所示，所述CH3对称弯曲(symmetric bend，或umbrella mode)的峰值是，在对所述绝缘组合物进行FT-IR分析时，对存在于表示丙烯单体的波数1400cm-1至1340cm-1之间的CH3对称弯曲的吸收率的峰值(在该波数内的最大值)，如图3所示，所述CH2和CH3弯曲的峰值是，在对所述绝缘组合物进行FT-IR分析时，对存在于分别表示乙烯单体和丙烯单体的波数1500cm-1至1420cm-1之间的CH2和CH3的吸收率的峰值(在该波数内的最大值)。
在此，由于所述波数(wave number)有波动，因此表示每单位长度发生变化的相位的大小。
即，在所述丙烯峰值分数小于0.3的情况下，由所述绝缘组合物形成的所述绝缘层30的耐热性、机械特性等会不充分，相反，在所述丙烯峰值分数超过2.0的情况下，所述绝缘层30以及包括该绝缘层30电缆的柔韧性、耐寒性、铺设性、作业性等会显著下降。
另一方面，所述二甲苯不溶性(Xylene Insolubility)可以通过下述数学式2来计算。
[数学式2]
二甲苯不溶性＝(二甲苯溶剂中溶出后的绝缘试样的质量/溶出前的绝缘试样的质量)×100
在所述数学式2中，二甲苯溶剂中溶出后的绝缘试样的质量是，将绝缘试样的质量为0.3g的绝缘试样浸入二甲苯溶剂中之后，在沸点以上的条件下，例如在150℃以上的条件下沸煮6小时，并冷却至常温之后，取出绝缘试样并重新在150℃的烤箱中干燥4小时并冷却至常温之后测定到的绝缘试样的质量。
即，二甲苯溶剂中溶出后的绝缘试样的质量是，从该绝缘试样中去除被二甲苯溶剂溶出的橡胶相聚丙烯共聚物而剩下的结晶相聚丙烯基质以及其它添加剂的总质量，因此，在所述二甲苯不溶性超过10％的情况下，即在所述绝缘试样内的结晶相部分的含量过量的情况下，所述绝缘层30的柔韧性、耐寒性、铺设性、作业性等会显著下降。
[实施例]
1.制造例
分别制出了，具有下述表1中记载的峰值分数、弯曲模量以及二甲苯不溶性的绝缘组合物，由该绝缘组合物形成的绝缘试样以及具有由该绝缘试样形成的绝缘层的电缆试样。
[表1]
Figure BDA0002751844310000091
2.物理性质评价
1)柔韧性评价
在将各个实施例和比较例的电缆试样配置为与地面垂直，并使其两侧与试验气缸(test cylinder；直径：25(D+d)，D：电缆外径，d：导体直径)接触的状态下，沿着所述试验气缸(test cylinder)的圆周曲面以两个方向180°反复弯折三次所述电缆试样之后，利用肉眼观察电缆绝缘层外观时，确认弯折、裂纹、破损、白化现象等。只要观察到弯折、裂纹、破损以及白化现象中的一种现象，则为不良。
2)常温机械特性评价
按照标准KS C IEC 60811-501，分别测定了各个实施例和比较例的绝缘试样的抗拉强度和伸长率。抗拉强度应该是1.27kg/mm2以上，伸长率应该是350％以上。
3)加热后的机械特性评价
按照标准NEN-HD 620S2，在135±3℃的条件下对各个实施例和比较例的绝缘试样进行加热240小时，然后按照标准KS C IEC 60811-501测定了抗拉强度和伸长率。加热后的抗拉强度应该是1.27kg/mm2以上，加热后的伸长率应该是350％以上。
4)耐寒性评价
按照标准ASTM D746，测定了各个实施例和比较例的绝缘试样的脆性温度。脆性温度应该是-35℃以下。
所述物理性质评价结果如下表2所示。
[表2]
Figure BDA0002751844310000101
如上述表2所示，确认到了，使用本发明的绝缘组合物的实施例1至4，在精密地调节峰值分数、弯曲模量以及二甲苯不溶性的情况下，常温机械特性、耐热性、热稳定性、耐寒性、柔韧性等同时优异。
但是，确认到了，比较例1的绝缘组合物的峰值分数低，从而丙烯含量不充分，进而熔点(Tm)变低，由此耐热性显著下降，比较例2因绝缘组合物的二甲苯不溶性超过基准而橡胶相成分含量变低，因此耐寒性、柔韧性等显著下降，并且由于树脂状态不稳定，从而加热后的伸长率显著下降。
另外，确认到了，比较例3和比较例4，由于绝缘组合物的峰值分数和弯曲模量超过了基准或者峰值分数、弯曲模量以及二甲苯不溶性均超过了基准，从而耐热性、耐寒性以及柔韧性显著下降。
本说明书参照本发明的优选实施例进行了说明，但是，对于本领域的技术人员而言，可以在不脱离权利要求书中所记载的本发明的思想和范围内对本发明进行多种修改和变更。因此，当变形的实施方式基本上包括本发明的权利要求书的构成要素时，应当视为均属于本发明的技术范畴。

Claims (7)

1.一种绝缘组合物，其中，
包含异相聚丙烯树脂，
所述异相聚丙烯树脂在结晶相聚丙烯基质内分散有橡胶相丙烯共聚物，
按照标准ASTM D790，在常温条件下测定的由所述绝缘组合物形成的绝缘试样的弯曲模量为50至1200MPa，根据下述数学式1计算得到的丙烯单体的峰值分数为0.3至2.0，根据下述数学式2计算得到的二甲苯不溶性为10％以下，
数学式1：
峰值分数＝CH3对称弯曲的峰值/CH2和CH3弯曲的峰值
在所述数学式1中，所述CH3对称弯曲的峰值是，在对所述绝缘组合物进行FT-IR分析时，对存在于表示丙烯单体的波数1400cm-1至1340cm-1之间的CH3对称的吸收率的峰值，所述CH2和CH3弯曲的峰值是，在对所述绝缘组合物进行FT-IR分析时，对存在于分别表示乙烯单体和丙烯单体的波数1500cm-1至1420cm-1之间的CH2和CH3的吸收率的峰值，
数学式2：
二甲苯不溶性＝(二甲苯溶剂中溶出后的绝缘试样的质量/溶出前的绝缘试样的质量)×100
在所述数学式2中，所述二甲苯溶剂中溶出后的绝缘试样的质量是，将绝缘试样的质量为0.3g的绝缘试样浸入二甲苯溶剂中之后，在沸点以上的条件下沸煮6小时，并冷却至常温之后，取出绝缘试样并重新在150℃的烤箱中干燥4小时并冷却至常温之后测定到的绝缘试样的质量。
2.根据权利要求1所述的绝缘组合物，其特征在于，
根据所述数学式1的丙烯单体的峰值分数为0.4至1.7。
3.根据权利要求2所述的绝缘组合物，其特征在于，
根据所述数学式2的二甲苯不溶性为8％以下。
4.根据权利要求3所述的绝缘组合物，其特征在于，
所述弯曲模量为200至1000MPa。
5.根据权利要求1所述的绝缘组合物，其特征在于，
所述结晶相聚丙烯基质包含丙烯均聚物或丙烯共聚物，或者，所述结晶相聚丙烯基质包含所述丙烯均聚物和所述丙烯共聚物。
6.根据权利要求1所述的绝缘组合物，其特征在于，
所述橡胶相丙烯共聚物包含选自于由乙烯和C4-12α-烯烃构成的组中的一种以上的共聚单体，所述C4-12α-烯烃为1-丁烯、1-戊烯、4-甲基-1-戊烯、1-己烯、1-庚烯以及1-辛烯。
7.一种电力电缆，包括导体和包围所述导体的绝缘层，其中，
所述绝缘层由权利要求1至4中任一项所述的绝缘组合物形成。
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