CN112961437A - 一种聚丙烯基绝缘电缆及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种聚丙烯基绝缘电缆及其制备方法。绝缘电缆由基底组分和改性组分共混而成，基底组分包括PP、纳米复合材料和芳香族化合物；改性组分组分包括EPDM、偶联剂、硫化剂和聚四氟乙烯微粉。制备时利用双螺杆挤出机将上述组分的混合料挤出、冷却、干燥、造粒，即得。本发明中通过向聚丙烯中添加EPDM、纳米复合材料、芳香族化合物等组分，不仅能够改善绝缘电缆的加工性能，提升材料的力学性能，而且可以提高绝缘电缆的击穿强度和体电阻率，最终得到的材料抗拉强度和绝缘性能优良，可以用于制备电线电缆的外皮材料。
Description
技术领域
本发明属于绝缘材料技术领域，具体涉及一种聚丙烯基绝缘电缆及其制备方法。
背景技术
目前最为常用的直流塑料电缆的绝缘材料为交联聚乙烯，该材料不仅保持了聚乙烯良好的电气绝缘性能，还增强了聚乙烯的耐热性，交联过程还使乙烯分子由链状结构转变为网状结构，使得聚乙烯在高温下的机械特性有了极大的提高。然而，交联过程使得聚乙烯从热塑性材料转变成了热固性材料，因此在电缆寿命到期后无法直接回收再利用，不具备绿色环保的特性，将不可避免地产生大量的废弃交联聚乙烯电缆绝缘材料从而产生环保问题。因此，研究绿色环保的、可回收且避免了复杂交联过程的高性能直流电缆绝缘材料体系，实现电缆绝缘材料的创新，是大容量直流塑料电缆必须解决的重大关键问题，可为电力电缆的大规模应用解决环保问题。
热塑性聚烯烃是首选的环保型直流电缆绝缘材料，常见的有聚乙烯、乙丙橡胶、聚丙烯等聚合物材料。聚乙烯电气性能优异，绝缘电阻和耐电强度较高，介电损耗小，但其较低的软化温度使其不适合在高温下工作，同时存在机械强度不高和使用寿命较短的问题。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种聚丙烯基绝缘电缆及其制备方法，以得到一种具有良好绝缘性能的热塑性聚丙烯基绝缘电缆。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：提供一种聚丙烯基绝缘电缆及其制备方法。本发明中的聚丙烯基绝缘电缆由基底组分和改性组分共混而成；其中，
基底组分包括以下质量份的组分：
PP 15～25份，纳米复合材料0.5～1份和芳香族化合物0.1～0.5份；
改性组分组分包括以下质量份的组分：
EPDM 8～12份，偶联剂1～3份，硫化剂0.5～1.5份和聚四氟乙烯微粉0.5～1份；
基底组分和改性组分的质量之比为0.5～3:1。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，基底组分包括以下质量份的组分：
PP 20份，纳米复合材料1份和芳香族化合物0.2份；
改性组分组分包括以下质量份的组分：
EPDM 10份，偶联剂2份，硫化剂1份和聚四氟乙烯微粉0.5份；
基底组分和改性组分的质量比为2:1。
本发明采取上述技术方案的有益效果是：本发明中的聚丙烯基绝缘电缆除了支架材料PP和EPDM外，还包括纳米复合材料、芳香族化合、偶联剂、硫化剂、聚四氟乙烯微粉等组分。其中，纳米复合材料不仅可以增加最终材料的韧性，提升材料的力学性能，而且可以使制得的聚丙烯基绝缘电缆的陷阱能级密度增大，能够有效减少电荷的注入，抑制了空间电荷的聚集；并且，加入纳米材料后，得到的聚丙烯基绝缘电缆介电常数较小，击穿强度和体电阻率也得到提高。
组分中的芳香族化合物可以作为相容剂，能够促进PP和EPDM与偶联剂相容，所有组分混合更加均匀，共混效果更佳，最终制得产品性能优良。同时，芳香族化合物具有较高的电子亲和能，在强电场作用下，将先受到电子的冲击并被激发或电离，将保护聚合物的分子链不再被破坏，从而提高聚丙烯基绝缘电缆的耐电性能。
组分中的偶联剂能够使PP和EPDM相互胶结在一起，两者共混所形成的材料热形变稳定性和机械强度均显著提升，同时可以改善材料的湿态电气性能，并且可以改善材料的加工性能。
进一步，纳米复合材料由纳米氧化锌和纳米蒙脱土按2～6：1～3的质量比混合而成。
本发明采取上述进一步技术方案的有益效果是：本发明中的纳米复合材料由纳米氧化锌和纳米蒙脱土复配而成，不仅最终材料的耐热性能得以提升，而且复配物在与聚合物的混合过程中剥离为纳米尺度的结构片层，并均匀穿插分散到聚合物中，从而形成纳米聚合物插层，能够更好的提升聚丙烯基绝缘电缆的击穿强度。
进一步，芳香族化合物为芳香酮。
进一步，芳香酮为苯乙酮。
本发明采取上述进一步技术方案的有益效果是：苯乙酮为最简单的芳香酮，具有较高的稳定性，其不仅可以作为增塑剂和相容剂，而且能保护聚合物的分子链不被破坏，所制备的材料力学性能和电学性能均显著提升。
进一步，偶联剂为KH550、KH560、KH570和KH590中的至少一种。
进一步，硫化剂为双二五硫化剂。
本发明中的动态硫化EPDM/PP热塑性弹性体材料经过以下步骤制得：
S1：将配方量的PP于180～200℃下加热至熔化，然后加入配方量的纳米复合材料和芳香族化合物，以25～30r/min的转速搅拌30～45min，得基底组分；
S2：将偶联剂与EPDM于80～100℃下混合均匀，得混料；
S3：将基底组分、混料、硫化剂和聚四氟乙烯微粉混合，经双螺杆挤出机在170～200℃，剪切速率为500～550s-1下动态硫化挤出、冷却、干燥、造粒，即得。
制备方法在上述技术方案的基础上还可以做如下进一步的改进。
进一步，S3中双螺杆挤出机的挤出温度为180℃，剪切速率为520s-1。
本发明的有益效果是：本发明中通过向PP和EPDM添加纳米复合材料、芳香族化合物等组分，不仅能够聚丙烯基绝缘电缆的加工性能，提升材料的力学性能，而且可以提高绝缘电缆的击穿强度和体电阻率，最终得到的绝缘电缆抗拉强度和绝缘性能优良，可以用于制备电线电缆的外皮材料。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例1
一种聚丙烯基绝缘电缆，由基底组分和改性组分共混而成；其中，基底组分包括以下质量份的组分：
PP 20份，纳米复合材料1份和苯乙酮0.2份；纳米复合材料由纳米氧化锌和纳米蒙脱土按2：1的质量比混合而成；
改性组分组分包括以下质量份的组分：
EPDM 10份，KH550 2份，双二五硫化剂1份和聚四氟乙烯微粉0.5份；
基底组分和改性组分的质量比为2:1。
本实施例中的聚丙烯基绝缘电缆经过以下步骤制得：
S1：将配方量的PP于180℃下加热至熔化，然后加入配方量的纳米复合材料和苯乙酮，以30r/min的转速搅拌30min，得基底组分；
S2：将KH550与EPDM于90℃下混合均匀，得混料；
S3：将基底组分、混料、双二五硫化剂和聚四氟乙烯微粉混合，经双螺杆挤出机在180℃，剪切速率为520s-1下动态硫化挤出、冷却、干燥、造粒，即得。
实施例2
一种聚丙烯基绝缘电缆，由基底组分和改性组分共混而成；其中，基底组分包括以下质量份的组分：
PP 15份，纳米复合材料0.5份和苯乙酮0.5份；纳米复合材料由纳米氧化锌和纳米蒙脱土按6：1的质量比混合而成；
改性组分组分包括以下质量份的组分：
EPDM 8份，KH570 1份，双二五硫化剂0.5份和聚四氟乙烯微粉1份；
基底组分和改性组分的质量比为1:1。
本实施例中的聚丙烯基绝缘电缆经过以下步骤制得：
S1：将配方量的PP于200℃下加热至熔化，然后加入配方量的纳米复合材料和苯乙酮，以25r/min的转速搅拌45min，得基底组分；
S2：将KH570与EPDM于100℃下混合均匀，得混料；
S3：将基底组分、混料、双二五硫化剂和聚四氟乙烯微粉混合，经双螺杆挤出机在200℃，剪切速率为500s-1下动态硫化挤出、冷却、干燥、造粒，即得。
实施例3
一种聚丙烯基绝缘电缆，由基底组分和改性组分共混而成；其中，基底组分包括以下质量份的组分：
PP 25份，纳米复合材料1份和苯乙酮0.1份；纳米复合材料由纳米氧化锌和纳米蒙脱土按2：3的质量比混合而成；
改性组分组分包括以下质量份的组分：
EPDM 12份，KH590 3份，双二五硫化剂1.5份和聚四氟乙烯微粉0.5份；
基底组分和改性组分的质量比为3:1。
本实施例中的聚丙烯基绝缘电缆经过以下步骤制得：
S1：将配方量的PP于180℃下加热至熔化，然后加入配方量的纳米复合材料和苯乙酮，以30r/min的转速搅拌45min，得基底组分；
S2：将KH570与EPDM于80℃下混合均匀，得混料；
S3：将基底组分、混料、双二五硫化剂和聚四氟乙烯微粉混合，经双螺杆挤出机在170℃，剪切速率为550s-1下动态硫化挤出、冷却、干燥、造粒，即得。
对比例1
一种聚丙烯基绝缘电缆，由基底组分和改性组分共混而成；其中，基底组分包括以下质量份的组分：
PP 20份和苯乙酮0.2份；纳米复合材料由纳米氧化锌和纳米蒙脱土按2：1的质量比混合而成；
改性组分组分包括以下质量份的组分：
EPDM 10份，KH550 2份，双二五硫化剂1份和聚四氟乙烯微粉0.5份；
基底组分和改性组分的质量比为2:1。
制备方法同实施例1
对比例2
一种聚丙烯基绝缘电缆，由基底组分和改性组分共混而成；其中，基底组分包括以下质量份的组分：
PP 20份，纳米氧化锌1份和苯乙酮0.2份；
改性组分组分包括以下质量份的组分：
EPDM 10份，KH550 2份，双二五硫化剂1份和聚四氟乙烯微粉0.5份；
基底组分和改性组分的质量比为2:1。
制备方法同实施例1
对比例3
一种聚丙烯基绝缘电缆，由基底组分和改性组分共混而成；其中，基底组分包括以下质量份的组分：
PP 20份，纳米蒙脱土1份和苯乙酮0.2份；
改性组分组分包括以下质量份的组分：
EPDM 10份，KH550 2份，双二五硫化剂1份和聚四氟乙烯微粉0.5份；
基底组分和改性组分的质量比为2:1。
制备方法同实施例1
对比例4
一种聚丙烯基绝缘电缆，由基底组分和改性组分共混而成；其中，基底组分包括以下质量份的组分：
PP 20份和纳米复合材料1份；纳米复合材料由纳米氧化锌和纳米蒙脱土按2：1的质量比混合而成；
改性组分组分包括以下质量份的组分：
EPDM 10份，双二五硫化剂1份和聚四氟乙烯微粉0.5份；
基底组分和改性组分的质量比为2:1。
本对比例中的聚丙烯基绝缘电缆经过以下步骤制得：
S1：将配方量的PP于180℃下加热至熔化，然后加入配方量的纳米复合材料，以30r/min的转速搅拌30min，得基底组分；
S2：将KH550与EPDM于90℃下混合均匀，得混料；
S3：将基底组分、混料、双二五硫化剂和聚四氟乙烯微粉混合，经双螺杆挤出机在180℃，剪切速率为520s-1下动态硫化挤出、冷却、干燥、造粒，即得。
结果分析
按照国家有关标准检测上述各实施例和对照例制备得到的聚丙烯基绝缘电缆的力学性能和电学性能，结果列于表1。
表1聚丙烯基绝缘电缆的力学性能和电学性能
| 拉伸强度(MPa) | 断裂伸长率(％) | 撕裂强度(kN/m) | 工频击穿场强(kV/mm) | |
| 实施例1 | 14.1 | 320 | 78 | 44 |
| 实施例2 | 13.8 | 315 | 76 | 45 |
| 实施例3 | 13.9 | 318 | 76 | 43 |
| 对比例1 | 12.8 | 301 | 68 | 22 |
| 对比例2 | 13.0 | 310 | 69 | 23 |
| 对比例3 | 13.1 | 305 | 71 | 24 |
| 对比例4 | 13.0 | 298 | 65 | 24 |
从表中可以看出，采用本发明中的配方和方法制备得到的聚丙烯基绝缘电缆力学性能和电学性能均较好，可以直接用作电线电缆的表层材料。
对比例1与实施例1相比，配方中缺少了纳米复合材料，绝缘电缆的力学性能和电学性能均下降，表明纳米复合材料不仅对绝缘电缆的电学性能具有较大的影响，而且也会影响绝缘电缆的力学性能。
对比例2和对比例3与实施例1相比，配方中的纳米材料有两种纳米材料复配变为一种纳米材料单独存在，最终所得绝缘电缆的性能与对比文件1所得绝缘电缆的性能相比略有上升，但与实施例所得绝缘电缆相比，性能大幅下降，表明单一的纳米材料并不能有效改善绝缘电缆的性能，只有两种纳米材料进行复配才能得到综合性能优良的绝缘电缆。
对比例4与实施例1相比，配方中缺少芳香族化合物，最终所得绝缘电缆的综合性能变差，表明芳香族化合物在改善绝缘电缆综合性能中具有不可或缺的作用。
虽然结合实施例对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。
Claims (9)
1.一种聚丙烯基绝缘电缆，其特征在于，由基底组分和改性组分共混而成；其中，
基底组分包括以下质量份的组分：
PP 15～25份，纳米复合材料0.5～1份和芳香族化合物0.1～0.5份；
改性组分组分包括以下质量份的组分：
EPDM 8～12份，偶联剂1～3份，硫化剂0.5～1.5份和聚四氟乙烯微粉0.5～1份；
所述基底组分和改性组分的质量之比为0.5～3:1。
2.根据权利要求1所述的聚丙烯基绝缘电缆，其特征在于，所述基底组分包括以下质量份的组分：
PP 20份，纳米复合材料1份和芳香族化合物0.2份；
所述改性组分组分包括以下质量份的组分：
EPDM 10份，偶联剂2份，硫化剂1份和聚四氟乙烯微粉0.5份；
所述基底组分和改性组分的质量比为2:1。
3.根据权利要求1或2所述的聚丙烯基绝缘电缆，其特征在于：所述纳米复合材料由纳米氧化锌和纳米蒙脱土按2～6：1～3的质量比混合而成。
4.根据权利要求1或2所述的聚丙烯基绝缘电缆，其特征在于：所述芳香族化合物为芳香酮。
5.根据权利要求4所述的聚丙烯基绝缘电缆，其特征在于：所述芳香酮为苯乙酮。
6.根据权利要求1或2所述的聚丙烯基绝缘电缆，其特征在于：所述偶联剂为KH550、KH560、KH570和KH590中的至少一种。
7.根据权利要求1或2所述的聚丙烯基绝缘电缆，其特征在于：所述硫化剂为双二五硫化剂。
8.如权利要求1～7任一项所述的聚丙烯基绝缘电缆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将配方量的PP于180～200℃下加热至熔化，然后加入配方量的纳米复合材料和芳香族化合物，以25～30r/min的转速搅拌30～45min，得基底组分；
S2：将偶联剂与EPDM于80～100℃下混合均匀，得混料；
S3：将基底组分、混料、硫化剂和聚四氟乙烯微粉混合，经双螺杆挤出机在170～200℃，剪切速率为500～550s-1下动态硫化挤出、冷却、干燥、造粒，即得。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：S3中双螺杆挤出机的挤出温度为180℃，剪切速率为520s-1。
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