CN114891295B - 高压直流电缆及其聚丙烯半导电屏蔽材料和制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压直流电缆及其聚丙烯半导电屏蔽材料和制备方法，涉及高压直流电缆材料技术领域。所述半导电屏蔽材料由按重量份计共100份的聚丙烯基料与弹性体基料、以及额外的20～30份的导电填料和0.3～0.4份的抗氧剂制成，其中，所述弹性体基料为丙烯基弹性体与聚乙烯辛烯共弹性体中的一种或两种，且不含有聚乙烯或乙烯，所述聚乙烯辛烯共弹性体在190℃、2.16kg测量条件下熔流率不低于25g/10min。本发明具有合理的原料组成和配比且不含有能发生交联的物料，有效减小了空间电荷注入和积聚，同时产品可回收利用，符合环境友好型电缆的需求。
Description
技术领域
本发明涉及高压直流电缆材料技术领域，具体来讲，涉及一种高压直流电缆的半导电屏蔽材料及其制备方法、使用该半导电屏蔽材料的半导电屏蔽层、以及包含该半导电屏蔽层的耐高温高压直流电缆。
背景技术
随着全球范围内高压直流输电工程的不断建设和运行，以XLPE为绝缘层的材料在生产和运行中暴露出来越来越多的问题：电缆运行最高温度可到90℃，但现有的XLPE电缆的最高工作温度仅为70℃、交联过程会产生副产物，加剧电荷积聚现象。
专利CN105131413A和专利CN109836686A在XLPE绝缘电缆材料中普遍存在甲基苯乙烯、苯乙酮、苯甲醇等影响空间电荷分布的交联副产物；专利CN113150438A将基体加入到溶剂—甲苯或二甲苯等的一种中进行共混，随后进行干燥、水冷切粒等，该类溶剂对皮肤、粘膜有刺激性，对中枢神经系统有麻醉作用，短时间内吸入较高浓度该品可出现眼及上呼吸道明显的刺激症状、眼结膜及咽部充血、头晕、头痛、恶心、呕吐、胸闷、四肢无力、步态蹒跚、意识模糊，重症者可有躁动、抽搐、昏迷；专利CN110591216A在材料配比中含有聚碳酸酯，由于制造聚碳酸酯中需要添加双酚A，而双酚A作为一种化工原料，2008年4月18日已经被加拿大联邦政府正式认定为有毒物质，因此，该制作方法在加工过程中可能会对加工者的身体健康产生一定的危害。
相对于聚乙烯，聚丙烯具有较高的熔点，可以满足较高的电缆运行温度。聚丙烯作为绝缘材料，不需要交联即可具备较好的力学强度和绝缘性能，且聚丙烯是典型的热塑性材料，可以对其进行回收利用，符合环境友好型电缆的需求，同时也满足当下国家提出的“碳中和”“碳达峰”目标。当电缆的绝缘材料发生变化，其相应的半导电屏蔽层以及绝缘屏蔽层也应该进行更迭。更好地与聚丙烯绝缘层相配合，减少空间电荷的注入与积聚。因此，本发明提供一种与聚丙烯绝缘层相匹配的半导电屏蔽层材料及其制备方法。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供了一种用于高压直流电缆的聚丙烯半导电屏蔽层的材料及制备方法。其具有良好的机械性能，耐热性能，导电性能稳定，非交联，空间电荷的注入与积聚现象减少，绿色环保，易于回收利用。
本发明的一方面提供了一种用于高压直流电缆的聚丙烯半导电屏蔽层的材料，按重量份计共100份的聚丙烯基料与弹性体基料、以及额外的20～30份的导电填料和0.3～0.4份的抗氧剂制成，其中，所述弹性体基料为丙烯基弹性体与聚乙烯辛烯共弹性体中的一种或两种，且不含有聚乙烯或乙烯，所述聚乙烯辛烯共弹性体在190℃、2.16kg测量条件下熔流率不低于25g/10min。
其中，根据相似相容原理，丙烯基弹性体能够与聚丙烯基料较好地结合，形成良好的晶体界面，从而提高材料的整体性能；熔流率不低于25g/10min的聚乙烯辛烯共弹性体展现出较为优异的加工流动性，而且与聚丙烯基料共混可增强其韧性、细化聚丙烯基料晶体。此外，本发明的上述配料不含有能够发生交联的聚乙烯或乙烯等物料，这有利于从原料源头减少交联发生的可能性，进而避免因交联过程而产生或加剧电荷积聚现象。
同时，本申请无需添加抗铜剂、润滑分散剂，抗铜剂广泛用于以聚乙烯、聚丙稀等为绝缘材料的铜芯电线电缆中，具有与树脂相溶性好，提高分散性的作用。润滑分散剂可吸附在炭黑粒子表面以达到导电炭黑改性和分散的目的，如若分散剂的型号选择不合适或者剂量不足，结果会适得其反，不能使其达到分散状态，因此润滑分散剂的加入不仅需要严格的控制，同时也在一定程度上提高了生产成本。本发明通过合理控制物料类型、配比以及熔流率，并使所有原料在密炼机中充分混合，达到分散均匀的目的，从而可不用加入抗铜剂和润滑分散剂，这有利于降低操作复杂性和成本。
所述聚丙烯基料为35～45份，进一步为38～43份。相应地，作为弹性体基料的丙烯基弹性体和/或聚乙烯辛烯共弹性体占65～55份，进一步为62～57份。
所述丙烯基弹性体在230℃、2.16kg测量条件下熔流指数为2～5g/10min，所述聚乙烯辛烯共弹性体在190℃、2.16kg测量条件下熔流指数为30～40g/10min，进一步，所述丙烯基弹性体在230℃、2.16kg测量条件下熔流指数为2～5g/10min，所述聚乙烯辛烯共弹性体在190℃、2.16kg测量条件下熔流指数为33～37g/10min。
所述导电填料为导电炭黑，电阻率为0.8～1.0Ω·cm，吸碘值800～1000g/kg，DBP吸油值≥300ml/100g，灰分≤1.5％，颗粒尺寸≤20nm，外观为柔软的片状颗粒。
所述半导电屏蔽层通过上述任一半导电屏蔽材料制成。
一种耐高温高压直流电缆，包括由内到位依次设置的导电芯、包裹上述导电芯的半导电屏蔽层以及包裹所述半导电屏蔽层的聚丙烯绝缘层，且不含有聚乙烯。
所述耐高温高压直流电缆的半导电屏蔽层在80～100℃的电荷注入量相对于聚乙烯电缆屏蔽层降低40％以上。
本发明的另一方面提供了一种高压直流电缆的半导电屏蔽材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
S1、设置密炼机温度，加入所述聚丙烯基料，所述温度能够使所述聚丙烯基料熔融；
S2、添加所述弹性体基料共混；
S3、缓慢加入所述导电填料共混；
S4、加入抗氧剂，继续共混；
S5、共混完成，得到所述半导电屏蔽材料。
所述密炼机的温度设置范围为180℃～275℃。
其中，本申请直接采用熔融共混法将母料与炭黑顺次加入密炼机中，密炼过程封闭，减少了与外界的接触，防止了高温下的氧化与其他杂质的进入。
本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：
1、本申请提供的半导电屏蔽层材料能够更好地与聚丙烯绝缘材料相匹配，且不含有聚乙烯或乙烯，因此减少交联的发生，且本申请提供的半导电屏蔽层材料熔点高、刚性强、耐磨性能好、介电性能好，同时，本申请使用的原料无害无毒，在加工、使用或运行过程中，都是环境友好型、对人友好的材料；
2、本申请上述所有的半导电屏蔽层材料的制备过程，相较于XLPE半导电屏蔽层材料的制备，无交联现象的发生，因此不必考虑交联过程产生的副产物，这也大大减小了绝缘层与屏蔽层内的杂质进入，有效减小了空间电荷注入和积聚，同时，不进行交联也意味着可以回收利用，符合环境友好型电缆的需求；
3、本申请利用上述方法制得的半导电屏蔽层材料得到的半导电屏蔽层均通过了变温电阻率的测试，其体积电阻率25℃小于50Ω·cm、90℃小于80Ω·cm，符合国家标准中对于高压直流电缆半导电屏蔽层体积电阻率的要求，即体积电阻率25℃小于100Ω·cm、90℃小于1000Ω·cm。半导电屏蔽层材料的体积电阻率在更高温度如100℃～140℃下也表现出较低的电阻率(例如，小于80Ω·cm)，具有良好的电学性能且电阻率随温度变化不大，温度依赖性小。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1示出了本发明的示例性实施例制得的半导电屏蔽层的变温电阻率性能。
具体实施方式
为了更清楚的阐释本发明的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本实发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
另外，在发明的描述中，需要理解的是，术语“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
实施例1、高压直流电缆的半导电屏蔽材料的制备方法
本实施例制备了一种高压直流电缆的半导电屏蔽材料，所述材料采用以下方法制备：
聚丙烯基料与聚乙烯辛烯共弹性体共100份，其中，聚丙烯基料与聚乙烯辛烯共弹性体的重量比为40：60，聚丙烯基料为等规聚丙烯，聚乙烯辛烯共弹性体在190℃、2.16kg测量条件下熔流指数为35g/10min。例如，聚乙烯辛烯共弹性体可以为来自美国陶氏公司的POE-8401。
导电炭黑占25份，其相关特性满足：电阻率为0.8～1.0Ω·cm，吸碘值800～1000g/kg，DBP吸油值≥300ml/100g，灰分≤1.5％，颗粒尺寸≤20nm，外观为柔软的片状颗粒。
抗氧剂300占0.3份。
根据总混料质量取适量烘干的料进行熔融共混，具体步骤如下：
S1、将密炼机1#、2#、3#区温度设置为180℃，将40份聚丙烯基料加入；
S2、5min后，添加60份聚乙烯辛烯共弹性体使其共混6.5min；
S3、缓慢加入25份导电炭黑，熔融共混10min使其混合充分均匀；
S4、而后加入0.3份抗氧剂300，继续共混5min；
S5、共混完成，停止运行，取料剪料以备后续使用。
实施例2
本实施例制备了另一种高压直流电缆的半导电屏蔽材料，所述材料采用以下方法制备：
聚丙烯基料与丙烯基弹性体共100份，其中，聚丙烯基料与丙烯基弹性体的重量比为38：62，聚丙烯基料为等规聚丙烯，丙烯基弹性体在230℃、2.16kg测量条件下熔流指数为2.0g/10min。例如，丙烯基弹性体可以为来自美国陶氏生产的VERSIFY 2200型号。
导电炭黑占25份，其相关特性满足：电阻率为0.8～1.0Ω·cm，吸碘值800～1000g/kg，DBP吸油值≥300ml/100g，灰分≤1.5％，颗粒尺寸≤20nm，外观为柔软的片状颗粒。
抗氧剂300占0.3份。
根据总混料质量取适量烘干的料进行熔融共混，具体步骤如下：
S1、将密炼机1#、2#、3#区温度设置为180℃，将38份聚丙烯基料加入；
S2、5min后，添加62份丙烯基弹性体使其共混6.5min；
S3、缓慢加入25份导电炭黑，熔融共混10min使其混合充分均匀；
S4、而后加入0.3份抗氧剂300，继续共混5min；
S5、共混完成，停止运行，取料剪料以备后续使用。
实施例3、一种高压直流电缆的半导电屏蔽层
将实施例1制得的半导电屏蔽层材料在平板硫化机中以190℃进行6min预热，继而在190℃，10MPa条件下热压成10*10*1mm的半导电片，进行电学性能测试。
实施例4
将实施例2制得的半导电屏蔽层材料在平板硫化机中以190℃进行6min预热，继而在190℃，10MPa条件下热压成10*10*1mm的半导电片，进行电学性能测试。
对比例1
将购买的聚乙烯半导电屏蔽层材料在平板硫化机中以190℃进行6min预热，继而在190℃，10MPa条件下热压成10*10*1mm的半导电片，进行电学性能测试。
如图1所示为上述示例性实施例3-4制得的半导电屏蔽层的变温电阻率性能测试结果，相关测试的实验条件为：选取115*50*1mm规格的半导电片，采用半导电电阻率测试仪测试半导电复合材料电阻率，测试温度范围为30～140℃，在每升10℃后保持该温度30min，取第24min分钟的电阻率值作为该温度下半导电复合材料的体积电阻率。从图中可以看出，聚乙烯电缆所用半导电屏蔽层在30℃时电阻率在32.7Ω·cm，但当温度不断升高，该屏蔽层的电阻率也不断升高，最高可达370Ω·cm。由此可见，聚乙烯电缆所用半导电屏蔽层的电阻率随温度变化较大，具有很高的温度依赖性。当观察实施例3与实施例4复合材料制得的半导电屏蔽层变温电阻率时，可以看出这两种半导电屏蔽层在高温下也可以保持较低的电阻率，随温度变化小，具备更好的电气性能。例如，本发明的半导电屏蔽层材料的体积电阻率25℃小于50Ω·cm、90℃小于80Ω·cm、100℃～140℃小于80Ω·cm。
将上述示例性实施例3-4制成的聚丙烯电缆屏蔽层及对比例1的聚乙烯电缆屏蔽层分别与聚丙烯绝缘层进行界面匹配，研究对绝缘层的空间电荷注入情况，如表1所示。表1对应的相关实验条件为：半导电层和绝缘层均选取0.3mm厚度的试样，利用硅油使试样与上下电极接触紧密，在90℃恒温箱中采用PEA空间电荷测试系统进行实验。
表1
从表1可以看出，本申请制得的半导电屏蔽层与聚丙烯绝缘层复合都拥有较小的电荷注入，相较于聚乙烯电缆屏蔽层的匹配来看，减小了40％以上的电荷注入。由此可知，本申请制得的半导电屏蔽层与聚丙烯绝缘层具有良好的匹配性能，有效减小了对绝缘层空间电荷的注入，可以提高电缆的使用寿命。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (8)
1.一种高压直流电缆的半导电屏蔽材料，其特征在于，所述半导电屏蔽材料由按重量份计共100份的聚丙烯基料与弹性体基料、以及额外的20~30份的导电填料和0.3~0.4份的抗氧剂制成，其中，
所述弹性体基料为丙烯基弹性体，且不含有聚乙烯或乙烯；
所述聚丙烯基料为35~45份；
所述丙烯基弹性体在230℃、2.16 kg测量条件下熔流指数为2~5g/10min；
所述导电填料为导电炭黑，电阻率为0.8～1.0 Ω/cm，吸碘值800～1000 g/kg，DBP吸油值≥300 ml/100g，灰分≤1.5％，颗粒尺寸≤20 nm，外观为柔软的片状颗粒。
2.根据权利要求1所述的半导电屏蔽材料，其特征在于，所述聚丙烯基料为为38~43份。
3.一种高压直流电缆的半导电屏蔽层，其特征在于，所述半导电屏蔽层通过如权利要求1~2中任一所述的半导电屏蔽材料制成。
4.一种耐高温高压直流电缆，其特征在于，所述耐高温高压直流电缆包括由内到外依次设置的导电芯、包裹所述导电芯的如权利要求3所述的半导电屏蔽层以及包裹所述半导电屏蔽层的聚丙烯绝缘层，且不含有聚乙烯。
5.根据权利要求4所述的耐高温高压直流电缆，其特征在于，所述耐高温高压直流电缆的半导电屏蔽层在80~100℃的电荷注入量相对于聚乙烯电缆屏蔽层降低40%以上。
6.一种如权利要求1所述的高压直流电缆的半导电屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法将按重量份计共100份的聚丙烯基料与弹性体基料、以及额外的20~30份的导电填料和0.3~0.4份的抗氧剂熔融共混，制得所述半导电屏蔽材料。
7.根据权利要求6所述的半导电屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
S1、设置密炼机温度，加入所述聚丙烯基料，所述温度能够使所述聚丙烯基料熔融；
S2、添加所述弹性体基料共混；
S3、缓慢加入所述导电填料共混；
S4、加入抗氧剂，继续共混；
S5、共混完成，得到所述半导电屏蔽材料。
8.根据权利要求7所述的半导电屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述密炼机的温度设置范围为180℃~275℃。
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