CN114539669A - 一种纳米改性共混聚丙烯、制备方法和高压电缆 - Google Patents

一种纳米改性共混聚丙烯、制备方法和高压电缆 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纳米改性共混聚丙烯、制备方法和高压电缆,属于聚丙烯材料技术领域。本发明针对现有聚丙烯材料应用范围窄,无法满足高压电缆的良好的机械性能和良好的介电性能的需求。本发明由按重量百分比的组分组成:聚丙烯75‑80份;POE弹性体15‑20份;纳米蒙脱土0.5‑1份;抗氧剂0.3份;增容剂0‑5份,聚丙烯、POE弹性体和增容剂的重量分数之和为100份。本发明使聚丙烯满足机械强度的要求的同时具有良好的介电性能。

Description

一种纳米改性共混聚丙烯、制备方法和高压电缆
技术领域
本发明涉聚丙烯材料领域,特别是涉及一种纳米改性共混聚丙烯、制备方法和高压电缆。
背景技术
聚丙烯是常见的热塑性材料,熔融温度可以达到150℃以上,相比聚乙烯材料高出40%以上,可连续在90℃环境工作,聚丙烯这种优良的耐高温性能,对提高电力电缆工作温度及提升电压等级具有重要意义。然而,纯聚丙烯韧性差,无法满足高压直流电缆对绝缘材料机械韧性的要求。国内厂商大多利用弹性体增韧聚丙烯,但是使用弹性体改性聚丙烯后,共混材料的击穿强度显著降低,共混物结晶度大幅下降,导致其介电性能降低,需要对其进行进一步的介电补偿。
发明内容
为了解决上述问题,本发明提供了一种纳米改性共混聚丙烯、制备方法和高压电缆,使聚丙烯满足机械强度的要求的同时具有良好的介电性能。
一种纳米改性共混聚丙烯,由按重量比的以下组分组成:
聚丙烯 75-80份;
POE弹性体 15-20份;
纳米蒙脱土 0.5-1份;
抗氧剂 0.3份;
增容剂 0-5份;
所述聚丙烯、POE弹性体和增容剂的重量分数之和为100份。
所述聚丙烯为均聚聚丙烯,所述均聚聚丙烯在使用前需要在60℃的条件下烘干24小时;所述抗氧剂为抗氧剂1010。
所述增溶剂采用马来酸酐接枝聚丙烯(PPMA),在使用前需要在60℃的条件下烘干24小时,所述马来酸酐接枝聚丙烯的接枝率0.9%以上。
上述组合中,聚丙烯作为基料,用以保证共混聚丙烯具有良好的耐高温性能,POE弹性体用改善聚丙烯的机械强度,用以满足共混聚丙烯对机械性能的要求;蒙脱土(MMT)是一种一维纳米结构的片层状硅酸盐矿物质,固体绝缘在长时间的电场条件下会容易产生不可逆转的电树枝,电树枝会持续发展直到绝缘材料完全破坏,对绝缘结构使用寿命造成巨大影响,电树枝发展至片层状MMT时无法穿透发展,只能改变方向绕过片层发展,抑制了电树枝沿电场方向的蔓延,并且MMT会改善聚合物材料的结晶形态,减小材料的结晶尺寸,形成更致密的结晶,有效的改善了共混物的介电性能,并且,纳米蒙脱土的自然储量丰富,价格低廉,在工业应用中,相对于使用商用纳米材料,使用MMT材料作为纳米改性材料可以明显降低使用成本,改善产品性能,提高产品的使用寿命。
本发明采用POE弹性体作为增韧剂,相对于现有技术中的SEBS,EVA等共混物相比,POE弹性体具有更好的加工性能,耐热耐寒性能优异,价格低廉,并且POE弹性体与PP材料的相容性更好,在PP材料中POE可以均匀分散。POE的种类众多,在工业上根据不同需求使用不同型号的POE,在PP中加入适合的POE既提高了熔融指数,也不会明显增加共混物的硬度,可以有效的改善共混物材料的加工性能,提高共混物的加工效率,使共混物材料具有大规模工业生产的潜力。
制备本发明所述的一种纳米改性共混聚丙烯的制备方法,包括如下步骤:
先将聚丙烯、纳米蒙脱土、抗氧剂和增容剂在60℃烘箱中烘干24小时,再将聚丙烯75-80份,纳米蒙脱土0.5-1份,抗氧剂0.3份和增容剂0-5份加入转矩流变仪中以190℃,40r/min熔融共混10分钟;
将POE弹性体20份加入所述转矩流变仪中熔融共混10分钟。
本发明使纳米蒙脱土颗粒在聚丙烯中的分散性较好,使制备的纳米改性共混聚丙烯具有更好的介电性能。
所述纳米蒙脱土的制备方法包括:
取适量蒙脱土加入一定量的去离子水,在酸性条件下80°水浴加热搅拌一小时;
将搅拌后的蒙脱土溶液离心去除杂质,添加适量十八烷基三甲基氯化铵进行插层,随后再水浴加热搅拌两小时;
将搅拌后的蒙脱土溶液倒入分液漏斗中,静止一天,取悬浊液中上层溶液加入去离子水多次抽滤,直到加入AgNO3无沉淀析出,将溶液倒入培养皿,烘箱60°烘干后研磨,过200目筛子得到沉淀。
本发明的蒙脱土经过有机化处理后,其相邻层间距得到进一步增大,通过熔融插层法将纳米无机相MMT引入聚丙烯中,片层状的MMT分散在基体中,可以有效的阻挡高能电子对聚合物的轰击,降低共混物材料内部的电荷集聚,有效的提高共混物的击穿性能,而常用的针状/球状SIO2,Tio2等小尺寸改性纳米材料对交流击穿的提升作用不大。
一种高压电缆,包括所述的纳米改性共混聚丙烯。
如上所述,本发明与现有技术相比,具有如下有益效果:
本发明的纳米改性共混聚丙烯不仅具有良好的机械性能,还能提高其介电性能,使聚丙烯能够应用在高压电缆领域,增大聚丙烯材料的使用范围,并且,本发明的制备方法简单,材料易得,成本低,具有较好的经济价值,解决了目前国内的成品高压电缆料大多依赖进口,成本过高的问题。而本发明的高压电缆用高击穿场强纳米改性共混聚丙烯在满足高压电缆在添加弹性体改善机械强度的情况下,提升了材料的介电性能,并且制备简单,材料易得,成本较低。
附图说明
图1为本发明一具体实施例的纳米改性共混聚丙烯的交流击穿场强的威布尔分布图;
图2为本发明一具体实施例的纳米改性共混聚丙烯的电导图;
图3为本发明一具体实施例的纳米改性共混聚丙烯的介电常数谱图;
图4为为本发明一具体实施例的纳米改性共混聚丙烯的介电损耗谱图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是,在不冲突的情况下,以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是,以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例1-3
在常温和常压下,分别按下表1中指定的各组分将均聚聚丙烯(牌号T30S)和纳米蒙脱土、抗氧剂1010和增溶剂PPMA加入转矩流变仪中,以190℃,40r/min熔融共混10分钟,再将POE弹性体(牌号engage8150)加入转矩流变仪中熔融共混10分钟。
所述聚丙烯为结晶相与非晶相共存的半结晶聚合物,添加的弹性体在其非晶相上分布,在外力作用下,非晶相上的弹性体颗粒与基体自身产生空洞,从而有利于基体周围剪切应力向四周扩散,并使整个基体发生塑性变形,阻止裂纹进一步扩展,从而提高材料的韧性,所述聚丙烯中添加弹性体会随着添加含量的提升显著降低其拉伸屈服应力,并且共混物的断裂伸长率也会随着弹性体的加入而提升。
对比例A
在常温和常压下,按照下表1中指定的各组分含量将均聚聚丙烯、抗氧剂1010加入转矩流变仪中,以190℃,40r/min熔融共混20分钟。
对比例B
在常温和常压下,按照下表1中指定的各组分含量将均聚聚丙烯、抗氧剂1010加入转矩流变仪中,以190℃,40r/min熔融共混10分钟,再将POE弹性体(牌号engage8150)加入转矩流变仪中熔融共混10分钟。
对比例C
在常温和常压下,按照下表1中指定的各组分含量将均聚聚丙烯、纳米蒙脱土、抗氧剂1010加入转矩流变仪中,以190℃,40r/min熔融共混10分钟,再将POE弹性体(牌号engage8150)加入转矩流变仪中熔融共混10分钟。
对比例D
在常温和常压下,按照下表1中指定的各组分含量将均聚聚丙烯、纳米蒙脱土、抗氧剂1010和增溶剂PPMA加入转矩流变仪中,以190℃,40r/min熔融共混10分钟,再将POE弹性体(牌号engage8150)加入转矩流变仪中熔融共混10分钟。
表1
Figure BDA0003535787670000041
将上述实施例和对比例得到的聚丙烯进行如下实验:
1)试样制备
取出适量改性共混聚丙烯材料,在平板硫化机中以190℃的温度,将原料在模具中0Mpa加热五分钟,使其充分熔融,减少气泡产生,随后按照每五分钟上升5Mpa,阶梯升压,直到15Mpa进行压片,压片结束后在平板硫化机中以室温15Mpa的压力充分冷却。
2)击穿实验
击穿实验采用工频交流击穿装置,实验选取试样厚度为200μm±10μm,采用非对称圆柱电极使电场分布均匀,高压圆柱电极直径为25mm,电极表面保证光滑,两电极中心垂直对齐。测试容器中盛放长城45号变压器油,其绝缘强度在30kV左右,一组击穿换一次变压器油,并且用砂纸打磨电极,保证其光滑,交流击穿实验以600V/s的速度平稳线性升压直到击穿,每组试样12个击穿点,得到图1所示的交流击穿场强的威布尔分布图,如图所示,本实施例的改性共混聚丙烯的交流击穿场强要高于对比例A-D中的聚丙烯材料,由图可见,对比例D击穿性能很差,所以没必要做后边实验。
3)电导率
介质电导率测试采用电极直径为50mm的三电极系统,调压范围为0.3kV~3kV的直流电源提供直流电压,随后使用皮安表对流经试样的直流电流进行测试,测试电场强度从1到9kV/mm,为保证测试准确度,测试前置于烘箱中短路24h处理,得到图2所示电导图,如图可见,本申请的聚丙烯试样具有更好的绝缘性能。
4)宽频介电谱
宽频介电谱实验采用介电谱实验采用宽频介电谱分析仪Concept 80进行测试,测试所用上下电极大小为均为20mm的铜电极,测试试样为300μm的圆形薄片,在室温条件下测试,得到聚丙烯材料的介电常数ε,介电损耗角正切值tanδ,得到图3和图4所示的介电常数曲线和介电损耗曲线,由图可见,本申请的聚丙烯试样具有较低的介电常数和较低的介电损耗。
由图可见,本发明的材料主要的目的是达到一个高的击穿场强,并且有良好的介电性能,加入MMT后可以提升12%的击穿场强,其他的介电性能参数均能保持较低水准就可以。图1达到最高的耐交流击穿性能,图2绝缘电导率最低,电阻率最高,当加入了具有极性侧基的增容剂PPMA时,虽使介电常数略微上升,但是对比其他组还是处于较低地位。图3和图4中,在10-1~101频段,此频段内共混物材料内界面极化具有较大影响,添加MMT和增容剂均会增加材料界面极化,从而会在低频段出现明显的弛豫峰即略高的介电损耗。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种纳米改性共混聚丙烯,其特征在于,由按重量份数的以下组分组成:
聚丙烯 75-80份;
POE弹性体 15-20份;
纳米蒙脱土0.5-1份;
抗氧剂0.3份;
增容剂0-5份;
所述聚丙烯、POE弹性体和增容剂的重量分数之和为100份。
2.根据权利要求1所述一种纳米改性共混聚丙烯,其特征在于,所述聚丙烯为均聚聚丙烯。
3.根据权利要求1所述一种纳米改性共混聚丙烯,其特征在于,所述增溶剂为马来酸酐接枝聚丙烯。
4.根据权利要求1所述一种纳米改性共混聚丙烯,其特征在于,所述抗氧剂为抗氧剂1010。
5.一种纳米改性共混聚丙烯的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
先将聚丙烯、纳米蒙脱土、抗氧剂和增容剂在60℃烘箱中烘干24小时,再将聚丙烯75-80份,纳米蒙脱土0.5-1份,抗氧剂0.3份和增容剂0-5份加入转矩流变仪中以190℃,40r/min熔融共混10分钟;
将POE弹性体20份加入所述转矩流变仪中熔融共混10分钟。
6.根据权利要求5所述一种纳米改性共混聚丙烯的制备方法,其特征在于,纳米蒙脱土的制备方法包括:
取适量蒙脱土加入一定量的去离子水在酸性条件下80°水浴加热搅拌一小时;
将搅拌后的蒙脱土溶液离心去除杂质,添加适量十八烷基三甲基氯化铵进行插层,随后再水浴加热搅拌两小时;
将搅拌后的蒙脱土溶液倒入分液漏斗中,静止一天,取悬浊液中上层溶液加入去离子水多次抽滤,直到加入AgNO3无沉淀析出,将溶液倒入培养皿,烘箱60°烘干后研磨,过200目筛子得到沉淀。
7.一种高压电缆,其特征在于,包括权利要求1-3任意权利要求所述的纳米改性共混聚丙烯。
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