CN114213747A - 一种绝缘电缆料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电缆料技术领域，尤其涉及一种绝缘电缆料及其制备方法。PP/SEBS共混材料体内存在大量的“海‑岛”界面结构，电极注入电荷与极化产生的电荷易于在“海‑岛”界面处积累，易造成空间电荷积聚，降低材料的耐电压击穿场强。基于上述问题，本发明提供一种绝缘电缆料，其材料体系中添加了长碳链改性的石墨烯，长碳链的存在使得纳米石墨烯片层结构之间不容易发生团聚；长碳链还可以充当“桥梁”作用，加快了SEBS中的载流子向各个方向迁移的速度，使得PP/SEBS共混材料“海‑岛”界面处极化过程中到达与离开的载流子数量的差值减小，有效改善了界面处的空间电荷积聚现象。

Description

一种绝缘电缆料及其制备方法
技术领域
本发明涉及电缆料技术领域，尤其涉及一种绝缘电缆料及其制备方法。
背景技术
环保节能理念成为全球性趋势，电线电缆行业也开始重视环保电缆的开发与推广。XLPE为热固性材料，其作为绝缘电缆材料在退役后无法被再次加工利用，焚烧或掩埋对环境造成严重的破坏。新形势下，交联聚乙烯为主的电线电缆已经不能代表绿色环保现代化可持续发展的全球性趋势。
目前，热塑性绝缘材料受到了电介质学术研究者的普遍关注。热塑性电绝缘材料，退役后可再次被回收利用，满足可持续发展的环保要求。聚丙烯是常见的热塑性材料，其熔融温度可以达到150℃以上，可连续在90℃的环境下工作。聚丙烯的短时击穿场强可达到300kV左右，体电阻率随着温度的升高变化不显著，空间电荷集聚的情况不明显，几乎不受环境湿度的影响，是一种潜在的高压电缆绝缘材料。
但是，聚丙烯的结晶度大，在工作温度范围内表现出模量高，使得聚丙烯分子刚性强、韧性差，低温环境中容易脆性开裂，在电线电缆制作、运输、安装、敷设及运行的过程中造成巨大的影响。利用弹性体增韧聚丙烯是最为常见的一种方式。但是应用弹性体改性聚丙烯后，共混材料的击穿强度显著降低，空间电荷集聚量增多，这种现象的原因是弹性体与聚丙烯交界面容易集聚电荷。研究表明，PP/SEBS共混材料体内存在大量的“海-岛”界面结构，电极注入电荷与极化产生的电荷易于在“海-岛”界面处积累。载流子在不同介质中的迁移速率各不相同，因而到达“海-岛”界面处的载流子数量与离开的载流子数量不能同步，因而空间电荷易于积聚在“海-岛”界面处。当弹性体SEBS引入PP基体时，PP球晶会变得松散，片晶变细、变短，PP分子链松弛活动能力增大，载流子在分子链间迁移的速率增大，极易在PP/SEBS共混材料体内存在大量的“海-岛”界面结处形成空间电荷集聚，使得PP/SEBS共混材料的介电性能低于PP。
研究表明，将纳米粒子引入到PP与弹性体共混体系中可以显著改善共混材料的介电性能，提高耐电压击穿场强，减少空间电荷集聚。原因是纳米粒子与聚丙烯基体熔融共混后，形成了大量的纳米粒子与基体界面，外加电压作用时界面处形成了大量深陷阱，抑制了材料内部空间电荷的形成。在PP/SEBS共混体系中引入纳米粒子后，可以在一定程度上改善共混材料的介电性能，PP/SEBS共混体系的介电性能还有待于进一步提高。
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：PP/SEBS共混材料体内存在大量的“海-岛”界面结构，电极注入电荷与极化产生的电荷易于在“海-岛”界面处积累，易造成空间电荷积聚，降低材料的耐电压击穿场强。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明提供一种绝缘电缆料，以重量份数计，包括以下成份：
PP 70-80份
弹性体 20-30份
抗氧剂 0.1-0.5份
改性石墨烯 0.5-2份
纳米二氧化硅 1-5份。
具体地，所述弹性体为SEBS。
具体地，所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1076或抗氧剂1035。
具体地，所述改性石墨烯按照以下步骤制备：
(1)称取200mg GO溶于100mL DMF中超声分散均匀，得到GO分散液；
(2)将GO分散液转移至三口烧瓶中，在氮气保护下，依次加入0.3mL三乙胺和2.5g十六烷基三甲氧基硅烷，搅拌均匀后，在110℃下反应过夜，反应完成后，对反应产物进行过滤，再依次用无水乙醇、去离子水洗涤3-5次，最后置于80℃的真空干燥箱中真空干燥24h，即得到改性石墨烯。
具体地，所述的一种绝缘电缆料，按照以下步骤制备：
按照配方量，将弹性体与改性石墨烯置于转矩流变仪中，熔融共混8-10min，之后再加入PP和抗氧剂，熔融共混10-12min，然后再加入改性纳米粒子熔融共混3-5min，即得到绝缘电缆料。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用特殊的加料顺序，使得改性纳米粒子主要分布在PP/SEBS共混材料“海-岛”界面处，改性纳米粒子的引入可以在“海-岛”界面处形成深陷井，可有效提高共混材料的击穿场强，并抑制空间电荷积聚；
(2)PP/SEBS共混材料体内存在大量的“海-岛”界面结构，电极注入电荷与极化产生的电荷易于在“海-岛”界面处积累；SEBS的内部结构存在聚苯乙烯链段之间形成的物理交联网络降低了载流子的迁移速度；本发明采用十六烷基三甲氧基硅烷对石墨烯改性，在石墨烯片层结构中引入了长碳链，一方面增加了纳米石墨烯片层结构之间的接触距离，使其不容易发生团聚，更容易机械分散，另一方面，纳米石墨烯片层结构表面的长碳链还可以充当“桥梁”作用，使得纳米石墨烯片层之间更容易形成“接触长链”，加快了SEBS中载流子向各个方向迁移的速度，使得PP/SEBS共混材料“海-岛”界面处极化过程中到达与离开的载流子数量差值减小，有效改善了界面处的空间电荷积聚现象；
(3)在弹性体、抗氧剂、纳米粒子与改性石墨烯的多重作用下，本发明所制备的绝缘电缆料具有较大的直流击穿场强和优异的力学性能。
具体实施方式
现在结合实施例对本发明作进一步详细的说明。
本发明以下实施例所使用的PP为中国石油化工生产的等规聚丙烯，等规度为96％，密度为0.905g/cm3，熔体流动速率(MFR)为3.2g/10min，收缩率为1.8-2.5％，挤出温度：180-260℃。
本发明以下实施例所采用的纳米二氧化硅为德固赛疏水气相二氧化硅R812S，其粒径为8000目。
本发明以下实施例所采用的氧化石墨烯为改进hummers方法制备的氧化石墨烯。
实施例1
一种绝缘电缆料，以重量份数计，包括以下成份：
PP 70份
SEBS 20份
抗氧剂1010 0.1份
改性石墨烯 0.5份
纳米二氧化硅 1份；
所述改性石墨烯按照以下步骤制备：
(1)称取200mg GO溶于100mL DMF中超声分散均匀，得到GO分散液；
(2)将GO分散液转移至三口烧瓶中，在氮气保护下，依次加入0.3mL三乙胺和2.5g十六烷基三甲氧基硅烷，搅拌均匀后，在110℃下反应过夜，反应完成后，对反应产物进行过滤，再依次用无水乙醇、去离子水洗涤3次，最后置于80℃的真空干燥箱中真空干燥24h，即得到改性石墨烯。
所述绝缘电缆料，按照以下步骤制备：
按照配方量，将弹性体与改性石墨烯置于转矩流变仪中，熔融共混8min，之后再加入PP和抗氧剂，熔融共混10min，然后再加入改性纳米粒子熔融共混3min，即得到绝缘电缆料。
实施例2
一种绝缘电缆料，以重量份数计，包括以下成份：
PP 72份
SEBS 20份
抗氧剂1076 0.2份
改性石墨烯 0.5份
纳米二氧化硅 1份。
所述改性石墨烯按照以下步骤制备：
(1)称取200mg GO溶于100mL DMF中超声分散均匀，得到GO分散液；
(2)将GO分散液转移至三口烧瓶中，在氮气保护下，依次加入0.3mL三乙胺和2.5g十六烷基三甲氧基硅烷，搅拌均匀后，在110℃下反应过夜，反应完成后，对反应产物进行过滤，再依次用无水乙醇、去离子水洗涤3次，最后置于80℃的真空干燥箱中真空干燥24h，即得到改性石墨烯。
所述缘电缆料，按照以下步骤制备：
按照配方量，将弹性体与改性石墨烯置于转矩流变仪中，熔融共混10min，之后再加入PP和抗氧剂，熔融共混12min，然后再加入改性纳米粒子熔融共混5min，即得到绝缘电缆料。
实施例3
一种绝缘电缆料，以重量份数计，包括以下成份：
PP 75份
SEBS 22份
抗氧剂1035 0.2份
改性石墨烯 0.6份
纳米二氧化硅 2份。
所述改性石墨烯按照以下步骤制备：
(1)称取200mg GO溶于100mL DMF中超声分散均匀，得到GO分散液；
(2)将GO分散液转移至三口烧瓶中，在氮气保护下，依次加入0.3mL三乙胺和2.5g十六烷基三甲氧基硅烷，搅拌均匀后，在110℃下反应过夜，反应完成后，对反应产物进行过滤，再依次用无水乙醇、去离子水洗涤3次，最后置于80℃的真空干燥箱中真空干燥24h，即得到改性石墨烯。
所述绝缘电缆料，按照以下步骤制备：
按照配方量，将弹性体与改性石墨烯置于转矩流变仪中，熔融共混9min，之后再加入PP和抗氧剂，熔融共混10min，然后再加入改性纳米粒子熔融共混4min，即得到绝缘电缆料。
实施例4
一种绝缘电缆料，以重量份数计，包括以下成份：
PP 70份
SEBS 20份
抗氧剂1010 0.1份
纳米二氧化硅 1.5份。
所述绝缘电缆料按照以下步骤制备：
按照配方量，将弹性体与PP和抗氧剂置于转矩流变仪中，熔融共混18min，然后再加入纳米二氧化硅，熔融共混3min，即得到绝缘电缆料。
实施例5
一种绝缘电缆料，以重量份数计，包括以下成份：
PP 70份
SEBS 20份
抗氧剂1010 0.1份
氧化石墨烯 0.5份
纳米二氧化硅 1份；
所述绝缘电缆料，按照以下步骤制备：
按照配方量，将弹性体与氧化石墨烯置于转矩流变仪中，熔融共混8min，之后再加入PP和抗氧剂，熔融共混10min，然后再加入改性纳米粒子熔融共混3min，即得到绝缘电缆料。
实施例6
一种绝缘电缆料，以重量份数计，包括以下成份：
PP 70份
SEBS 20份
抗氧剂1010 0.1份
KH570改性石墨烯 0.5份
纳米二氧化硅 1份；
所述KH570改性石墨烯，按照以下步骤制备：
(1)将100mg氧化石墨烯加入到去离子水中，超声分散均匀，得到30mg/mL的石墨烯分散液；
(2)在100mL石墨烯分散液中加入100g DMF中，超声分散均匀，得到G-DMF分散液；
(3)采用旋转蒸发仪将G-DMF分散液中的水蒸发掉，超声分散2h，之后转移至反应容器中置于65℃的水浴锅中加热；
(4)将15g pH＝5的KH570乙醇水溶液滴加至步骤(3)的反应容器中，1h内滴加完，之后恒温反应12h，之后对反应产物进行离心、干燥，即得到KH570改性石墨烯，其中，KH570乙醇水溶液中KH570与水、乙醇的质量比为3:1:10，pH调节剂为盐酸。
所述绝缘电缆料，按照以下步骤制备：
按照配方量，将弹性体与KH570改性石墨烯置于转矩流变仪中，熔融共混8min，之后再加入PP和抗氧剂，熔融共混10min，然后再加入改性纳米粒子熔融共混3min，即得到绝缘电缆料。
实施例7
一种绝缘电缆料，以重量份数计，包括以下成份：
PP 80份
SEBS 30份
抗氧剂1076 0.5份
改性石墨烯 2份
纳米二氧化硅 5份。
所述改性石墨烯按照以下步骤制备：
(1)称取200mg GO溶于100mL DMF中超声分散均匀，得到GO分散液；
(2)将GO分散液转移至三口烧瓶中，在氮气保护下，依次加入0.3mL三乙胺和2.5g十六烷基三甲氧基硅烷，搅拌均匀后，在110℃下反应过夜，反应完成后，对反应产物进行过滤，再依次用无水乙醇、去离子水洗涤4次，最后置于80℃的真空干燥箱中真空干燥24h，即得到改性石墨烯。
所述绝缘电缆料，按照以下步骤制备：
按照配方量，将弹性体与改性石墨烯置于转矩流变仪中，熔融共混9min，之后再加入PP和抗氧剂，熔融共混11min，然后再加入改性纳米粒子熔融共混4min，即得到绝缘电缆料。
实施例8
一种绝缘电缆料，以重量份数计，包括以下成份：
PP 75份
SEBS 26份
抗氧剂1035 0.4份
改性石墨烯 1.2份
纳米二氧化硅 3份。
所述改性石墨烯按照以下步骤制备：
(1)称取200mg GO溶于100mL DMF中超声分散均匀，得到GO分散液；
(2)将GO分散液转移至三口烧瓶中，在氮气保护下，依次加入0.3mL三乙胺和2.5g十六烷基三甲氧基硅烷，搅拌均匀后，在110℃下反应过夜，反应完成后，对反应产物进行过滤，再依次用无水乙醇、去离子水洗涤5次，最后置于80℃的真空干燥箱中真空干燥24h，即得到改性石墨烯。
所述绝缘电缆料，按照以下步骤制备：
按照配方量，将弹性体与改性石墨烯置于转矩流变仪中，熔融共混8min，之后再加入PP和抗氧剂，熔融共混12min，然后再加入改性纳米粒子熔融共混4min，即得到绝缘电缆料。
实施例9
一种绝缘电缆料，以重量份数计，包括以下成份：
PP 74份
SEBS 25份
抗氧剂1035 0.3份
改性石墨烯 1.5份
纳米二氧化硅 4份。
所述改性石墨烯按照以下步骤制备：
(1)称取200mg GO溶于100mL DMF中超声分散均匀，得到GO分散液；
(2)将GO分散液转移至三口烧瓶中，在氮气保护下，依次加入0.3mL三乙胺和2.5g十六烷基三甲氧基硅烷，搅拌均匀后，在110℃下反应过夜，反应完成后，对反应产物进行过滤，再依次用无水乙醇、去离子水洗涤5次，最后置于80℃的真空干燥箱中真空干燥24h，即得到改性石墨烯。
所述绝缘电缆料，按照以下步骤制备：
按照配方量，将弹性体与改性石墨烯置于转矩流变仪中，熔融共混8min，之后再加入PP和抗氧剂，熔融共混12min，然后再加入改性纳米粒子熔融共混3min，即得到绝缘电缆料。
对比例1同实施例1，不同之处在于，对比例1中的绝缘电缆料，按照以下步骤制备：
按照配方量，将PP、抗氧剂、改性纳米粒子置于转矩流变仪中，熔融共混10min，然后加入SEBS，熔融共混8min，再加入改性石墨烯，熔融共混3min，即得到绝缘电缆料。
对比例2同实施例1，不同之处在于，对比例2中的绝缘电缆料，按照以下步骤制备：
按照配方量，将PP、抗氧剂、改性石墨烯置于转矩流变仪中，熔融共混10min，然后加入SEBS，熔融共混8min，再加入改性纳米粒子，熔融共混3min，即得到绝缘电缆料。
对比例3同实施例1，不同之处在于，对比例3中的绝缘电缆料，按照以下步骤制备：
按照配方量，将PP、抗氧剂、改性石墨烯、SEBS、改性纳米粒子置于转矩流变仪中，熔融共混21min，即得到绝缘电缆料。
性能测试：
(1)力学性能测试
拉伸强度和断裂伸长率按照GB/T1040规定进行，试样为II型哑铃片，厚度为1.0mm，用CMT系列温控万能材料实验机进行测试，拉伸速度采用250mm/min；
(2)电性能测试
介电常数测试按GB/T1409规定进行，频率为50Hz，环境温度为20℃，试样厚度为1.0mm。直流击穿场强测试采用上海惠东电气设备有限公司的ZGF便携式直流高压发生器，直径25mm的球–球电极，测试温度为常温和90℃，试样浸在耐高温且型号为RAPO的植物油中。90℃时，将浸泡电极的植物油放入90℃烘箱中，通过烘箱对油加热，在试验过程中要时刻关注油温并保持在90℃。升压速率为1kV/s，直至试样击穿。
实施例1-9以及对比例1-3所获绝缘电缆料按照上述方法进行测试，其性能测试结果见表1。
表1
Figure BDA0003333557870000111
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 (5)

1.一种绝缘电缆料，其特征在于，以重量份数计，包括以下成份：
PP 70-80份
弹性体 20-30份
抗氧剂 0.1-0.5份
改性石墨烯 0.5-2份
纳米二氧化硅 1-5份。
2.根据权利要求1所述的一种绝缘电缆料，其特征在于，所述弹性体为SEBS。
3.根据权利要求1所述的一种绝缘电缆料，其特征在于，所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1076或抗氧剂1035。
4.根据权利要求1所述的一种绝缘电缆料，其特征在于，所述改性石墨烯按照以下步骤制备：
（1）称取200mg GO溶于100mL DMF中超声分散均匀，得到GO分散液；
（2）将GO分散液转移至三口烧瓶中，在氮气保护下，依次加入0.3mL 三乙胺和2.5g 十六烷基三甲氧基硅烷，搅拌均匀后，在110℃下反应过夜，反应完成后，对反应产物进行过滤，再依次用无水乙醇、去离子水洗涤3-5次，最后置于80℃的真空干燥箱中真空干燥24h，即得到改性石墨烯。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种绝缘电缆料，其特征在于，按照以下步骤制备：
按照配方量，将弹性体与改性石墨烯置于转矩流变仪中，熔融共混8-10min，之后再加入PP和抗氧剂，熔融共混10-12min，然后再加入改性纳米粒子熔融共混3-5min，即得到绝缘电缆料。
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