CN114940784A - 一种阻水性电缆半导电屏蔽层材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种阻水性电缆半导电屏蔽材料及其制备方法，属于电缆阻水技术领域，所用原料包括乙烯‑醋酸乙烯共聚物、炭黑、交联剂、阻水填材、抗氧化剂，通过设定最佳的共混方式及条件，使得半导电层材料具备有效阻水能力。本材料能够满足行业标准规定的常用电缆半导电屏蔽材料的各项指标，同时阻水增料的加入、调控可使得半导电材料材料内部形成均匀的水分子陷阱，水的等效扩散路径增长、有效扩散面减小，减少渗入电缆的水分，可大大提升电缆半导电屏蔽层的阻水性，降低电缆因水分渗入而引起树枝状缺陷的几率，从而提升电缆运行寿命。本发明制作工艺简单，无需加装额外设备，材料成本低廉，具有良好的技术应用前景与较高的工业经济价值。

Description

一种阻水性电缆半导电屏蔽层材料及其制备方法
技术领域
本发明属于电缆加工技术领域，涉及一种阻水性电缆半导电屏蔽材料及其制备方法。
背景技术
电缆在长期使用过程中，尤其在湿度较大的地区，水分会随着时间推移逐渐渗入电缆，特别会渗入电缆绝缘缺陷部位，在电场和水分共同作用下，电缆绝缘层缺陷会引发水树枝缺陷，水树枝在局部场强的长期作用下会转变为电树枝，从而导致电缆绝缘击穿，严重影响电缆的使用寿命。水树枝产生的条件为局部场强和水分，二者缺一不可，目前防止水树枝的引发主要从阻水和绝缘材料两个方面进行研究。
现阶段电缆阻水的方式主要由横向阻水和纵向阻水，二者都是从电缆结构方面来进行改良，但这两种方法都需要单独的设备进行加工，成本过大，并且会导致电缆半径增大，散热困难，所以研究一种既不需要外加设备，也不需要增加电缆半径，同时又能够有效进行阻水的方法刻不容缓。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术下需要外加设备，成本较高，同时电缆半径增大，散热困难的问题，提供一种阻水性电缆半导电屏蔽材料及其制备方法，该方法无需外加设备，可依托于现有的电缆半导电层生产工艺，并且原料易于获取、市场价格低廉，成本上附增较少，整体上具备了成本低、加工方便的优势，由此方法制备的屏蔽层导电性能、机械性能良好，同时阻水性能大大增强，可阻碍湿润环境下电缆水树老化，提高电缆运行的工业价值。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一方面，本发明提供一种阻水性电缆半导电屏蔽材料，以重量份计，所述屏蔽材料包括以下组分：乙烯-醋酸乙烯共聚物基材100份，炭黑25-35份，交联剂0.7-1份，阻水填材1- 5份，抗氧化剂1-1.2份。
进一步，所述乙烯-醋酸乙烯共聚物为乙烯和醋酸乙烯共聚反应形成的复合材料基材；所述共聚反应中醋酸乙烯质量分数为15％-40％，MI值为2～6g/10min。与聚乙烯相比，乙烯 -醋酸乙烯共聚物在分子链中引入醋酸乙烯单体，降低高结晶度，提高柔韧性、抗冲击性、填料相溶性和热密封性能，被广泛应用于包装膜、热熔胶、电线电缆及玩具等领域。
进一步，所述炭黑为导电炭黑，粒径为20nm以下，体积电阻率≤0.5Ω·cm。整体需保持干燥，并无大量团聚。
进一步，所述交联剂为过氧化物交联剂，选自双叔丁基过氧化二异丙基苯、过氧化二异丙苯或过氧化月桂酰中的任意一种或几种的组合。
进一步，所述阻水填材具备局部锁水功能。所述阻水填材可以为吸水类树脂，其局部锁水特性可以增设吸水陷阱。
进一步，所述抗氧化剂选自四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(抗氧化剂1010)、4，4’-硫代双(6-叔丁基-3-甲基苯酚)(抗氧化剂300)、硫代二丙酸二硬脂醇酯 (抗氧剂DSTP)或硫代二丙酸二月桂酯(抗氧剂DLTP)中的任意一种或几种组合。
上述材料适用于电缆制造工业中绝缘-半导体共挤出工艺，无需对现有半导体制造产线提出格外修正要求。所述的阻水性电缆半导电材料的阻水原理为：基于吸水树脂微粒的锁水膨胀的特点，在半导电材料中增设了分布式锁水陷阱，进而有效的阻碍了水分从外往里扩散动力，增长了扩散路径，进而达到阻水效果。
另一方面，本发明提供一种阻水性电缆半导电屏蔽材料的制备方法，包括以下步骤：
A、将乙烯-醋酸乙烯基材、炭黑置于烘箱中，在预设温度下干燥若干小时，进行整体的密封保存备用；
B、将乙烯-醋酸乙烯基材、阻水填材、抗氧化剂、炭黑、交联剂按比例顺序加入到双螺杆挤出机中进行熔融混炼，混炼均匀后取出冷却，并切割成粒状；
C、将B中得到的母粒样品放入模具中，在平板硫化机中受热受压成型，加热交联得到阻水性电缆半导电屏蔽层，然后测试所述阻水性电缆半导电屏蔽层的电阻率、阻水性能、机械性能、热延伸性能等性能，以满足相关国标要求；
D、将电阻率、机械性能、热延伸性能等满足国标要求，同时阻水性能良好的阻水性半导电母粒放入电缆双螺旋挤出机中，与绝缘层共进三层挤出，进行整体的加热、挤压及冷却成形。
进一步，步骤A中干燥温度为：乙烯-醋酸乙烯基材为45～60℃，炭黑为80-90℃，阻水填材为80～100℃。
进一步，步骤B中所熔融混炼的温度为120℃～130℃，混炼时间在40min以下。
进一步，步骤C中所述在平板硫化机中受热受压成型的温度为115～120℃，成型时间为：先预热不加压10min以下，然后加热加压10min以下，所述平板硫化机的压力为 15MPa以上；所述加热交联的温度为170～180℃，交联时间为20min以下，压力为15MPa 以上。
进一步，步骤D所述的共进三层挤出工艺与现有高压绝缘电缆的制备相一致，所制备的材料可直接替换现有半导电基料，进行共进挤出。
本发明还提供一种对上述阻水性电缆半导电屏蔽材料的阻水性能进行测试的方法，测试过程如下：
采用增重法，将准备好的样品固定在测试平台上，样品上方容器中注入蒸馏水，下方容器中放入干燥剂，将装置放入干燥箱中，温度保持在25℃，测试时间为48h，按下式计算水分透过率：
Figure BDA0003549794010000031
式中：ρ表示水分透过率，单位为(g/m2·24h)；Δw表示实验前后干燥剂的增重量，单位为(g)；S表示样品与水的接触面积，单位为(m2)；t表示实验时间，单位为(h)。
本发明的有益效果在于：与现有技术相比，本发明克服了现有技术下需要外加设备，成本较高，同时电缆半径增大，散热困难的问题，无需外加设备，可依托于现有的电缆半导电层生产工艺，并且原料易于获取、市场价格低廉，成本上附增较少，整体上具备了成本低、加工方便的优势，由此方法制备的屏蔽层导电性能、机械性能良好，同时阻水性能大大增强，可阻碍湿润环境下电缆水树老化，提高电缆运行的工业价值。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明具体实施步骤流程图；
图2为本发明的屏蔽层阻水性能测试平台结构示意图。
附图标记：1—压力表；2—进气阀；3—紧固螺丝；4—装置内部空间；5—屏蔽层样品； 6—蒸馏水；7—支撑脚；8—干燥剂。
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，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。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，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的具体含义。
实施例1：
如图1所示，本发明提供了一种阻水性电缆半导电屏蔽材料，以重量份计，屏蔽材料包括以下组分：乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)基材100份，炭黑(CB)25份，双叔丁基过氧化二异丙基(BIBP)苯交联剂0.7份，吸水类树脂1份，四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(抗氧化剂1010)抗氧化剂1份。本材料由如下方法制备：
1、首先将各组分进行干燥处理，将乙烯-醋酸乙烯基材放入温度为45℃的烘箱中干燥小于24h，将炭黑入温度为80℃的烘箱中干燥小于24h，将吸水类树脂放入80℃的烘箱中干燥小于24h，将干燥后的组分密封保存备用。
2、按比例称取组分，先将乙烯-醋酸乙烯基材加入120℃的开放式炼胶机中进行混炼， 2min后加入阻水填材与抗氧剂，然后再分三次加入炭黑，混炼小于38min后加入交联剂，薄通5次以上出片，冷却后切成颗粒。
3、将步骤2中得到的颗粒，先在115℃的平板硫化机中不加压预热小于10min，然后加压10min后成型，平板硫化机压力大于15MPa。将成型的材料放入小于170℃的平板硫化机中加压20min进行交联，压力为15MPa，制成片状的电缆屏蔽料。
4、将步骤3中得到的片状屏蔽料按不同测试项目制成相应形状的试样，按照相应的标准与方法对试样各项性能进行测试并记录。
在本实施例中，乙烯-醋酸乙烯共聚物为乙烯和醋酸乙烯共聚反应形成的复合材料基材；所述共聚反应中醋酸乙烯质量分数为15％-40％，MI值为2～6g/10min。炭黑为导电炭黑，粒径小于20nm，体积电阻率≤0.5Ω·cm。整体需保持干燥，并无大量团聚。
在本实施例中，双叔丁基过氧化二异丙基苯可以替换为过氧化二异丙苯或过氧化月桂酰中的任意一种或几种的组合，作为过氧化物交联剂，能达到相似的技术效果。
在本实施例中，吸水类树脂属于阻水填材，其具备局部锁水功能，以增设吸水陷阱。
在本实施例中，四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯可以替换成4，4’-硫代双(6-叔丁基-3-甲基苯酚)(抗氧化剂300)、硫代二丙酸二硬脂醇酯(抗氧剂DSTP)或硫代二丙酸二月桂酯(抗氧剂DLTP)中的任意一种或几种组合，能达到相似的技术效果。
实施例2：
一种阻水性电缆半导电屏蔽材料，以重量份计，屏蔽材料包括以下组分：乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)基材100份，炭黑(CB)35份，双叔丁基过氧化二异丙基(BIBP)苯交联剂1份，吸水类树脂2份，四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯抗氧化剂1.2份。
本材料由如下方法制备：
1、首先将各组分进行干燥处理，将乙烯-醋酸乙烯基材放入温度为60℃的烘箱中干燥小于24h，将炭黑入温度为90℃的烘箱中干燥小于24h，将吸水类树脂放入100℃的烘箱中干燥小于24h，将干燥后的组分密封保存备用。
2、按比例称取组分，先将乙烯-醋酸乙烯基材加入130℃的开放式炼胶机中进行混炼， 2min后加入阻水填材与抗氧剂，然后再分三次加入炭黑，混炼小于20min后加入交联剂，薄通5次以上出片，冷却后切成颗粒。
3、将步骤2中得到的颗粒，先在120℃的平板硫化机中不加压预热小于10min，然后加压10min后成型，平板硫化机压力大于15MPa。将成型的材料放入小于180℃的平板硫化机中加压4min进行交联，压力为15MPa，制成片状的电缆屏蔽料。
4、将步骤3中得到的片状屏蔽料按不同测试项目制成相应形状的试样，按照相应的标准与方法对试样各项性能进行测试并记录。
在本实施例中，乙烯-醋酸乙烯共聚物为乙烯和醋酸乙烯共聚反应形成的复合材料基材；所述共聚反应中醋酸乙烯质量分数为15％-，MI值为2g/10min。炭黑为导电炭黑，粒径为20nm，体积电阻率为0.5Ω·cm。整体需保持干燥，并无大量团聚。
在本实施例中，双叔丁基过氧化二异丙基苯可以替换为过氧化二异丙苯或过氧化月桂酰中的任意一种或几种的组合，作为过氧化物交联剂，能达到相似的技术效果。
在本实施例中，吸水类树脂属于阻水填材，其具备局部锁水功能，以增设吸水陷阱。
在本实施例中，四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯可以替换成4，4’-硫代双(6-叔丁基-3-甲基苯酚)(抗氧化剂300)、硫代二丙酸二硬脂醇酯(抗氧剂DSTP)或硫代二丙酸二月桂酯(抗氧剂DLTP)中的任意一种或几种组合，能达到相似的技术效果。
实验例1
以重量份计，一种阻水性电缆半导电屏蔽材料组分原料配方如下：乙烯-醋酸乙烯共聚物 (EVA)基材为100份，炭黑(CB)为32份，双叔丁基过氧化二异丙基苯(BIBP)为0.7份，吸水类树脂为1份，四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(抗氧化剂1010) 为1.070份。
实验例2
以重量份计，一种阻水性电缆半导电屏蔽材料组分原料配方如下：乙烯-醋酸乙烯共聚物 (EVA)基材为100份，炭黑(CB)为32份，双叔丁基过氧化二异丙基苯(BIBP)为0.7份，吸水类树脂为2份，四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(抗氧化剂1010) 为1.078份。
实验例3
以重量份计，一种阻水性电缆半导电屏蔽材料组分原料配方如下：乙烯-醋酸乙烯共聚物 (EVA)基材为100份，炭黑(CB)为32份，双叔丁基过氧化二异丙基苯(BIBP)为0.7份，吸水类树脂为3份，四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(抗氧化剂1010) 为1.086份。
实验例4
以重量份计，一种阻水性电缆半导电屏蔽材料组分原料配方如下：乙烯-醋酸乙烯共聚物 (EVA)基材为100份，炭黑(CB)为32份，双叔丁基过氧化二异丙基苯(BIBP)为0.7份，吸水类树脂为4份，四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(抗氧化剂1010) 为1.094份。
实验例5
以重量份计，一种阻水性电缆半导电屏蔽材料组分原料配方如下：乙烯-醋酸乙烯共聚物 (EVA)基材为100份，炭黑(CB)为32份，双叔丁基过氧化二异丙基苯(BIBP)为0.7份，吸水类树脂为5份，四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(抗氧化剂1010) 为1.102份。
对比例1
以重量份计，一种阻水性电缆半导电屏蔽材料组分原料配方如下：乙烯-醋酸乙烯共聚物 (EVA)基材为100份，炭黑(CB)为32份，双叔丁基过氧化二异丙基苯(BIBP)为0.7份，吸水类树脂为0份，四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(抗氧化剂1010) 为1.062份。
对实验例和对比例得到的屏蔽层对照相关标准进行拉伸强度、断裂伸长率、热延伸率、永久变形率以及体积电阻率的测试，测试标准与方法如表1所示：
表1测试项目与标准
检验项目 试验条件 单位 标准值 测试方法
拉伸强度 —— Mpa ≥10 GB/T 528-2009
断裂伸长率 —— ％ ≥200 GB/T 528-2009
热延伸率 200℃、0.2MPa、15min ％ ≤100 GB/T 2951-2008
冷却后永久变形率 热延伸后冷却至室温 ％ ≤15 GB/T 2951-2008
体积电阻率 20℃ Ω·cm ≤100 GB/T 3048-2008
体积电阻率 90℃ Ω·cm ≤1000 GB/T 3048-2008
得到的测试结果如表2所示：
表2测试结果
Figure BDA0003549794010000071
由上述表2中数据可知，本发明的屏蔽层物理机械性能和导电性能都比较好，能够满足行业标准。
对实验例和对比例得到的屏蔽层进行阻水测试，测试方法采用增重法，测试平台如附图 2所示，包括箱体4，箱体4内盛有蒸馏水6，在箱体内的底部设有凹槽，其中放置有干燥剂 8，在箱体4上端安装有压力表1和进气阀2，在箱体6底部放置屏蔽层样品5，在箱体6下方设有支撑脚，通过箱体上方和下方的紧固螺丝3紧固箱体4。
将准备好的测试平台放入干燥箱中，温度为25℃，测试时间为48h，按相关公式计算，测试结果如表3所示：
表3屏蔽料阻水性能测试结果
Figure BDA0003549794010000081
由上述表3中数据可知，本发明的屏蔽层的阻水效果明显，屏蔽层中吸水类树脂的添加比例会影响屏蔽层的阻水效果，总体而言，阻水效果随添加份数增加而增强。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种阻水性电缆半导电屏蔽材料，其特征在于：以重量份计，所述屏蔽材料包括以下组分：乙烯-醋酸乙烯共聚物基材100份，炭黑25-35份，交联剂0.7-1份，阻水填材1-5份，抗氧化剂1-1.2份。
2.根据权利要求1所述的阻水性电缆半导电屏蔽材料，其特征在于：所述乙烯-醋酸乙烯共聚物为乙烯和醋酸乙烯共聚反应形成的复合材料基材；所述共聚反应中醋酸乙烯质量分数为15％-40％，MI值为2～6g/10min。
3.根据权利要求1所述的阻水性电缆半导电屏蔽材料，其特征在于：所述炭黑为导电炭黑，粒径为20nm以下，体积电阻率≤0.5Ω·cm。
4.根据权利要求1所述的阻水性电缆半导电屏蔽材料，其特征在于：所述交联剂为过氧化物交联剂，选自双叔丁基过氧化二异丙基苯、过氧化二异丙苯或过氧化月桂酰中的任意一种或几种的组合。
5.根据权利要求1所述的阻水性电缆半导电屏蔽材料，其特征在于：所述阻水填材具备局部锁水功能。
6.根据权利要求1所述的阻水性电缆半导电屏蔽材料，其特征在于：所述抗氧化剂选自四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯、4，4’-硫代双(6-叔丁基-3-甲基苯酚)、硫代二丙酸二硬脂醇酯或硫代二丙酸二月桂酯中的任意一种或几种的组合。
7.一种如权利要求1-6任一所述阻水性电缆半导电屏蔽材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、将乙烯-醋酸乙烯基材、炭黑置于烘箱中，在预设温度下干燥若干小时，进行整体的密封保存备用；
B、将乙烯-醋酸乙烯基材、阻水填材、抗氧化剂、炭黑、交联剂按比例顺序加入到双螺杆挤出机中进行熔融混炼，混炼均匀后取出冷却，并切割成粒状；
C、将B中得到的母粒样品放入模具中，在平板硫化机中受热受压成型，加热交联得到阻水性电缆半导电屏蔽层，然后测试所述阻水性电缆半导电屏蔽层的电阻率、阻水性能、机械性能、热延伸性能等性能，以满足相关国标要求；
D、将电阻率、机械性能、热延伸性能等满足国标要求，同时阻水性能良好的阻水性半导电母粒放入电缆双螺旋挤出机中，与绝缘层共进三层挤出，进行整体的加热、挤压及冷却成形。
8.根据权利要求7所述的阻水性电缆半导电屏蔽材料的制备方法，其特征在于：步骤A中干燥温度为：乙烯-醋酸乙烯基材为45～60℃，炭黑为80-90℃，阻水填材为80～100℃。
9.根据权利要求7所述的阻水性电缆半导电屏蔽材料的制备方法，其特征在于：步骤B中所熔融混炼的温度为120℃～130℃，混炼时间在40min以下。
10.根据权利要求7所述的阻水性电缆半导电屏蔽材料的制备方法，其特征在于：步骤C中所述在平板硫化机中受热受压成型的温度为115～120℃，成型时间为：先预热不加压10min以下，然后加热加压10min以下，所述平板硫化机的压力为15MPa以上；所述加热交联的温度为170～180℃，交联时间为20min以下，压力为15MPa以上。
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