CN113956565A - 一种基于高结构导电炭黑的超光滑高压电缆半导电屏蔽料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高结构导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料及制备方法，按重量份计包括基体树脂55～65份、导电炭黑28～35份、交联剂0.5～1.5份和功能助剂6～8份；基体树脂为乙烯丙烯酸丁酯树脂；导电炭黑为高结构导电炭黑，其DBP吸收值为148ml/100g；本发明高压电缆半导电屏蔽料中采用高结构导电炭黑，其颗粒细、分散性好，网状链堆积紧密，比表面积大，单位颗粒质量多，有利于在聚合物中形成链式导电结构；较低填充量的条件下即可达到导电性能要求，机械性能和加工性能更好，并且挤出表面更光滑，毛刺或突出物更少。

Description

一种基于高结构导电炭黑的超光滑高压电缆半导电屏蔽料及 制备方法

技术领域

本发明涉及高压电缆半导电屏蔽料材料领域，具体涉及一种基于高结构导电炭黑的超光滑高压电缆半导电屏蔽料及制备方法。

背景技术

半导电屏蔽层作为高压电缆重要组成部分，能够使电缆内部电场分布更均匀，并消除绝缘层与屏蔽层之间的气隙，从而降低绝缘层的电应力，防止电缆因局部放电导致击穿破坏。因此，半导电屏蔽层的品质将直接影响到电缆的寿命。半导电屏蔽料用材料主要由高分子基体树脂、导电炭黑和加工助剂熔融共混制备而成。其中导电炭黑作为半导电屏蔽料最为关键的材料组分，其品质将直接影响半导电屏蔽料的力学性能、电性能以及表面光洁度。

现有的常规导电炭黑可以满足中低半导电屏蔽料的应用需求，但无法满足高压半导电屏蔽料的应用指标，尤其是电阻稳定性和表面光洁度无法满足需求。这是因为目前应用的导电炭黑结构性较低，构建导电网络能力较低，通常需要更高添加量才能形成完善的导电通路，进而满足高压电缆屏蔽料对电阻率及电阻率稳定性的要求，这容易导致屏蔽料表面光洁度变差等问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题提供一种基于高结构导电炭黑的超光滑高压电缆半导电屏蔽料及制备方法。

本发明采用的技术方案是：

一种基于高结构导电炭黑的超光滑高压电缆半导电屏蔽料，按重量份计包括基体树脂55～65份、导电炭黑28～35份、交联剂0.5～1.5份和功能助剂6～8份；基体树脂为乙烯丙烯酸丁酯树脂；导电炭黑为高结构导电炭黑，其DBP吸收值为148ml/100g。

进一步的，所述功能助剂按重量份计包括偶联剂1～2份、抗氧剂0.5～1份、润滑剂1～2份和分散剂2～4份。

进一步的，所述乙烯丙烯酸丁酯树脂在190℃和2.16kg下的熔融指数8～10g/min，断裂伸长率≥750％。

进一步的，所述偶联剂为硅烷偶联剂KH550。

进一步的，所述抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168中的一种或两种。

进一步的，所述润滑剂硬脂酸锌和季戊四醇中的一种或两种。

进一步的，所述分散剂为油酸酰胺和乙撑双硬酯酰胺中的一种或两种。

进一步的，所述交联剂为双叔丁基过氧化二异丙基苯和双25硫化剂中的一种或两种。

一种基于高结构导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：按重量份数称取各组分，将导电炭黑、功能助剂中的分散剂和偶联剂混合均匀得到预处理物；其中功能助剂包括偶联剂、抗氧剂、润滑剂和分散剂；

步骤2：将步骤1得到的预处理物和抗氧剂、润滑剂、基体树脂在50～55℃条件下混合均匀；

步骤3：将步骤2得到的混合物通过双螺杆挤出机熔融挤出，依次经水下拉条、切粒、烘干得到颗粒料；

步骤4：将步骤3得到的颗粒料在60℃条件下预热5小时，加入交联剂混合均匀，在此温度下放置8小时后即可得到所需高压半导电屏蔽料。

进一步的，所述双螺杆挤出机从进料口到出料口六区温控分别为130℃、140℃、150℃、160℃、150℃、140℃，主机转速为120rpm。

本发明的有益效果是：

(1)本发明超光滑高压电缆半导电屏蔽料中采用高结构导电炭黑，其颗粒细、分散性好，网状链堆积紧密，比表面积大，单位颗粒质量多，有利于在聚合物中形成链式导电结构；较低填充量的条件下即可达到导电性能要求，机械性能和加工性能更好，并且挤出表面更光滑，毛刺或突出物更少；

(2)本发明高压电缆半导电屏蔽料中采用硅烷偶联剂和油酸酰胺作为炭黑的表面活性剂，硅烷偶联剂可以增强炭黑和基体树脂界面结合力，同时油酸酰胺包覆炭黑表面，降低炭黑的团聚现象，最终使炭黑在基体树脂中分布更加均匀；

(3)本发明采用EBA树脂，其晶点数量极少，保证了挤出半导电屏蔽层表面超光滑，表面没有大于50μm的凸起物。

附图说明

图1为本发明实施例1、对比例1、对比例2得到的高压电缆半导电屏蔽层的表面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

一种基于高结构导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料，按重量份计包括基体树脂55～65份、导电炭黑28～35份、交联剂0.5～1.5份和功能助剂6～8份；基体树脂为乙烯丙烯酸丁酯树脂；导电炭黑为高结构导电炭黑，其DBP吸收值为148ml/100g。

功能助剂按重量份计包括偶联剂1～2份、抗氧剂0.5～1份、润滑剂1～2份和分散剂2～4份。乙烯丙烯酸丁酯树脂在190℃和2.16kg下的熔融指数8～10g/min，断裂伸长率≥750％。偶联剂为硅烷偶联剂KH550。抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168中的一种或两种。润滑剂硬脂酸锌和季戊四醇中的一种或两种。分散剂为油酸酰胺和乙撑双硬酯酰胺中的一种或两种。交联剂为双叔丁基过氧化二异丙基苯和双25硫化剂中的一种或两种。

一种基于高结构导电炭黑的超光滑高压电缆半导电屏蔽料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：按重量份数称取各组分，将导电炭黑、功能助剂中的分散剂和偶联剂混合均匀得到预处理物；其中功能助剂包括偶联剂、抗氧剂、润滑剂和分散剂。

步骤2：将步骤1得到的预处理物和抗氧剂、润滑剂、基体树脂在50～55℃条件下混合均匀。

步骤3：将步骤2得到的混合物通过双螺杆挤出机熔融挤出，依次经水下拉条、切粒、烘干得到颗粒料；双螺杆挤出机从进料口到出料口六区温控分别为130℃、140℃、150℃、160℃、150℃、140℃，主机转速为120rpm。

步骤4：将步骤3得到的颗粒料在60℃条件下预热5小时，加入交联剂混合均匀，在此温度下放置8小时，使颗粒料对交联剂进行充分吸收，即可得到所需高压半导电屏蔽料。

导电炭黑的结构性是影响导电炭黑品质的重要因素，导电炭黑的结构性指炭黑粒子间聚成链状或葡萄状的程度，常采用DBP吸收值来表征结构性，DBP越大，炭黑结构性越高。高结构导电炭黑由较多链枝状炭黑聚集体组成，分散性好、孔隙多，更易于形成导电通道，形成的导电网络结构的完善程度和稳定性更高，从而可以满足在高压半导电屏蔽料对电阻稳定性的严格要求。

为了提高高压半导电屏蔽料的性能，可以在上述组分的基础上添加其他组分，使得其具有其他性能，比如可以添加阻燃剂，阻燃剂的质量份数可以根据实际情况调整。阻燃剂采用超微细化氢氧化铝颗粒。可以高压半导电屏蔽料具有一定的防火性与阻燃性。避免使用过程中温度过高或者受到外界火的灼烧，保证了电缆的使用寿命，确保整个电缆的正常使用。此外，还可以将导电炭黑部分替换为石墨烯，具体添加量可以根据实验确定，例如导电炭黑20～28份、石墨烯8～15份。可以大幅降低半导电屏蔽料的体积电阻率，减少了电缆运行中可能出现的局部放电现象，提高了电缆的使用寿命。

实施例1

一种基于高结构导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料，按重量份计包括极性聚烯烃共聚物63.5份、导电炭黑30份、交联剂1份、润滑剂1份、分散剂1份、抗氧剂0.5份、偶联剂2份。基体树脂为EBA树脂，其在190℃和2.16kg下的熔融指数8.7g/min，断裂伸长率750％。导电炭黑为高结构导电炭黑，DBP吸收值为148ml/100g。偶联剂为硅烷偶联剂KH550，抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168的混合物，重量比为2:1。润滑剂为硬脂酸锌和季戊四醇的复配物，重量比为1:1。分散剂为油酸酰胺。

按照以下步骤制备高压电缆半导电屏蔽料：

步骤1：按照上述重量比称取各组分，导电炭黑、分散剂和偶联剂在高速混合机中混合均匀。

步骤2：将步骤1得到的预处理物与其他功能助剂、EBA树脂在50～55℃继续混合均匀。

步骤3：将得到的混合物在双螺杆挤出机中进行熔融挤出，然后经水下拉条、切粒、烘干得到颗粒料。双螺杆挤出工艺参数为，从进料口到出料口六区温控分别为130℃，140℃，150℃，160℃，150℃，140℃，主机转速120rpm。

步骤4：将步骤3得到的颗粒料在60℃的烘箱中静置预热5小时，然后加入交联剂混合均匀并在此温度下继续放置8小时使颗粒料对交联剂进行充分吸收，即得高压半导电屏蔽料。

实施例2

一种基于高结构导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料，按重量份计包括极性聚烯烃共聚物63份、导电炭黑30份、交联剂1.5份、润滑剂1份、分散剂2份、抗氧剂0.5份、偶联剂2份。基体树脂为EBA树脂，其在190℃和2.16kg下的熔融指数8.7g/min，断裂伸长率750％。导电炭黑为高结构导电炭黑，DBP吸收值为148ml/100g。偶联剂为硅烷偶联剂KH550，抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168的混合物，重量比为2:1。润滑剂为硬脂酸锌和季戊四醇的复配物，重量比为1:1。分散剂为油酸酰胺。

按照以下步骤制备高压电缆半导电屏蔽料：

步骤1：按照上述重量比称取各组分，导电炭黑、分散剂和偶联剂在高速混合机中混合均匀。

步骤2：将步骤1得到的预处理物与其他功能助剂、EBA树脂在50～55℃继续混合均匀。

步骤3：将得到的混合物在双螺杆挤出机中进行熔融挤出，然后经水下拉条、切粒、烘干得到颗粒料。双螺杆挤出工艺参数为，从进料口到出料口六区温控分别为130℃，140℃，150℃，160℃，150℃，140℃，主机转速120rpm。

步骤4：将步骤3得到的颗粒料在60℃的烘箱中静置预热5小时，然后加入交联剂混合均匀并在此温度下继续放置8小时使颗粒料对交联剂进行充分吸收，即得高压半导电屏蔽料。

实施例3

一种基于高结构导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料，按重量份计包括极性聚烯烃共聚物59.5份、导电炭黑34份、交联剂1份、润滑剂1份、分散剂2份、抗氧剂0.5份、偶联剂2份。基体树脂为EBA树脂，其在190℃和2.16kg下的熔融指数8.7g/min，断裂伸长率750％。导电炭黑为高结构导电炭黑，DBP吸收值为148ml/100g。偶联剂为硅烷偶联剂KH550，抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168的混合物，重量比为2:1。润滑剂为硬脂酸锌和季戊四醇的复配物，重量比为1:1。分散剂为油酸酰胺。

按照以下步骤制备高压电缆半导电屏蔽料：

步骤1：按照上述重量比称取各组分，导电炭黑、分散剂和偶联剂在高速混合机中混合均匀。

步骤2：将步骤1得到的预处理物与其他功能助剂、EBA树脂在50～55℃继续混合均匀。

步骤3：将得到的混合物在双螺杆挤出机中进行熔融挤出，然后经水下拉条、切粒、烘干得到颗粒料。双螺杆挤出工艺参数为，从进料口到出料口六区温控分别为130℃，140℃，150℃，160℃，150℃，140℃，主机转速120rpm。

步骤4：将步骤3得到的颗粒料在60℃的烘箱中静置预热5小时，然后加入交联剂混合均匀并在此温度下继续放置8小时使颗粒料对交联剂进行充分吸收，即得高压半导电屏蔽料。

为了说明本发明效果，设置对比例

对比例1

实施例2

一种基于高压电缆半导电屏蔽料，按重量份计包括极性聚烯烃共聚物63份、导电炭黑30份、交联剂1.5份、润滑剂1份、分散剂2份、抗氧剂0.5份、偶联剂2份。基体树脂为EBA树脂，其在190℃和2.16kg下的熔融指数8.7g/min，断裂伸长率750％。导电炭黑为低结构导电炭黑，DBP吸收值为140ml/100g。偶联剂为硅烷偶联剂KH550，抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168的混合物，重量比为2:1。润滑剂为硬脂酸锌和季戊四醇的复配物，重量比为1:1。分散剂为油酸酰胺。

按照以下步骤制备高压电缆半导电屏蔽料：

步骤1：按照上述重量比称取各组分，导电炭黑、分散剂和偶联剂在高速混合机中混合均匀。

步骤2：将步骤1得到的预处理物与其他功能助剂、EBA树脂在50～55℃继续混合均匀。

步骤3：将得到的混合物在双螺杆挤出机中进行熔融挤出，然后经水下拉条、切粒、烘干得到颗粒料。双螺杆挤出工艺参数为，从进料口到出料口六区温控分别为130℃，140℃，150℃，160℃，150℃，140℃，主机转速120rpm。

步骤4：将步骤3得到的颗粒料在60℃的烘箱中静置预热5小时，然后加入交联剂混合均匀并在此温度下继续放置8小时使颗粒料对交联剂进行充分吸收，即得高压半导电屏蔽料。

实施例2

一种基于高结构导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料，按重量份计包括极性聚烯烃共聚物63份、导电炭黑30份、交联剂1.5份、润滑剂1份、分散剂2份、抗氧剂0.5份、偶联剂2份。基体树脂为EBA树脂，其在190℃和2.16kg下的熔融指数8.7g/min，断裂伸长率750％。导电炭黑为低结构导电炭黑，DBP吸收值为130ml/100g。偶联剂为硅烷偶联剂KH550，抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168的混合物，重量比为2:1。润滑剂为硬脂酸锌和季戊四醇的复配物，重量比为1:1。分散剂为油酸酰胺。

按照以下步骤制备高压电缆半导电屏蔽料：

步骤1：按照上述重量比称取各组分，导电炭黑、分散剂和偶联剂在高速混合机中混合均匀。

步骤2：将步骤1得到的预处理物与其他功能助剂、EBA树脂在50～55℃继续混合均匀。

步骤3：将得到的混合物在双螺杆挤出机中进行熔融挤出，然后经水下拉条、切粒、烘干得到颗粒料。双螺杆挤出工艺参数为，从进料口到出料口六区温控分别为130℃，140℃，150℃，160℃，150℃，140℃，主机转速120rpm。

步骤4：将步骤3得到的颗粒料在60℃的烘箱中静置预热5小时，然后加入交联剂混合均匀并在此温度下继续放置8小时使颗粒料对交联剂进行充分吸收，即得高压半导电屏蔽料。

实施例3

一种基于高结构导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料，按重量份计包括极性聚烯烃共聚物63份、导电炭黑30份、交联剂1.5份、润滑剂1份、抗氧剂0.5份、偶联剂2份。基体树脂为EBA树脂，其在190℃和2.16kg下的熔融指数8.7g/min，断裂伸长率750％。导电炭黑为高结构导电炭黑，DBP吸收值为148ml/100g。偶联剂为硅烷偶联剂KH550，抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168的混合物，重量比为2:1。润滑剂为硬脂酸锌和季戊四醇的复配物，重量比为1:1。分散剂为油酸酰胺。

按照以下步骤制备高压电缆半导电屏蔽料：

步骤1：按照上述重量比称取各组分，导电炭黑和偶联剂在高速混合机中混合均匀。

步骤2：将步骤1得到的预处理物与其他功能助剂、EBA树脂在50～55℃继续混合均匀。

步骤3：将得到的混合物在双螺杆挤出机中进行熔融挤出，然后经水下拉条、切粒、烘干得到颗粒料。双螺杆挤出工艺参数为，从进料口到出料口六区温控分别为130℃，140℃，150℃，160℃，150℃，140℃，主机转速120rpm。

步骤4：将步骤3得到的颗粒料在60℃的烘箱中静置预热5小时，然后加入交联剂混合均匀并在此温度下继续放置8小时使颗粒料对交联剂进行充分吸收，即得高压半导电屏蔽料。

为了说明本发明效果，采用万能拉伸实验机和电阻率测试仪分别对实施例1～3和对比例1～3得到的高压半导电屏蔽料进行拉伸性能和电性能测试，测试结果如表1所示。采用光学显微镜对实施例1、对比例1和对比例2的表面光洁度进行观察，结果如图1所示。

表1.高压电缆半导电屏蔽料的物理机械性能及电性能

从表1中可以看出，与低结构导电炭黑填充体系相比，采用高结构导电炭黑得到的电缆屏蔽料具有更优异的机械性能和电性能，且表面光洁度更为优异。从图1可以看出实施例1得到的电缆料表面更光洁。

本发明提供一种高结构性导电炭黑制备得到高压电缆半导电屏蔽料的方法，高结构性导电炭黑颗粒细，分散性好，网状链堆积紧密，比表面积大，单位质量颗粒多，有利于在聚合物中形成链式导电结构，将其应用于高压电缆半导电屏蔽料中，可以克服普通低结构炭黑应用于高压半导电屏蔽料填充量大，材料的机械性能和加工性能差，半导电屏蔽料表面不光滑，凸起点多等缺点。EBA中的“晶点”，也就是俗称树脂中的“鱼眼”大小尺寸，存在数量与半导电屏蔽料的质量息息相关，电缆的运作寿命息息相关。选用的EBA树脂晶点数量极少，保证了挤出半导电屏蔽层表面超光滑，表面没有大于50μm的凸起物。并且选择硅烷偶联剂和油酸酰胺作为炭黑的表面活性剂，硅烷偶联剂可以增强炭黑和基体树脂界面结合力，同时油酸酰胺包覆炭黑表面，降低炭黑的团聚现象，最终使炭黑在基体树脂中分布更加均匀。

Claims (10)

1.一种基于高结构导电炭黑的超光滑高压电缆半导电屏蔽料，其特征在于，按重量份计包括基体树脂55～65份、导电炭黑28～35份、交联剂0.5～1.5份和功能助剂6～8份；基体树脂为乙烯丙烯酸丁酯树脂；导电炭黑为高结构导电炭黑，其DBP吸收值为148ml/100g。

2.根据权利要求1所述的一种基于高结构导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料，其特征在于，所述功能助剂按重量份计包括偶联剂1～2份、抗氧剂0.5～1份、润滑剂1～2份和分散剂2～4份。

3.根据权利要求1所述的一种基于高结构导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料，其特征在于，所述乙烯丙烯酸丁酯树脂在190℃和2.16kg下的熔融指数8～10g/min，断裂伸长率≥750％。

4.根据权利要求2所述的一种基于高结构导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料，其特征在于，所述偶联剂为硅烷偶联剂KH550。

5.根据权利要求2所述的一种基于高结构导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料，其特征在于，所述抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168中的一种或两种。

6.根据权利要求2所述的一种基于高结构导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料，其特征在于，所述润滑剂硬脂酸锌和季戊四醇中的一种或两种。

7.根据权利要求2所述的一种基于高结构导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料，其特征在于，所述分散剂为油酸酰胺和乙撑双硬酯酰胺中的一种或两种。

8.根据权利要求1所述的一种基于高结构导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料，其特征在于，所述交联剂为双叔丁基过氧化二异丙基苯和双25硫化剂中的一种或两种。

9.如权利要求1～8所述任一种基于高结构导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：按重量份数称取各组分，将导电炭黑、功能助剂中的分散剂和偶联剂混合均匀得到预处理物；其中功能助剂包括偶联剂、抗氧剂、润滑剂和分散剂；

步骤2：将步骤1得到的预处理物和抗氧剂、润滑剂、基体树脂在50～55℃条件下混合均匀；

步骤3：将步骤2得到的混合物通过双螺杆挤出机熔融挤出，依次经水下拉条、切粒、烘干得到颗粒料；

步骤4：将步骤3得到的颗粒料在60℃条件下预热5小时，加入交联剂混合均匀，在此温度下放置8小时后即可得到所需高压半导电屏蔽料。

10.根据权利要求9所述制备方法，其特征在于，所述双螺杆挤出机从进料口到出料口六区温控分别为130℃、140℃、150℃、160℃、150℃、140℃，主机转速为120rpm。

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