CN115011027A - 一种具有弱ptc效应的高压电缆半导电屏蔽料及其制备方法和应用 - Google Patents
一种具有弱ptc效应的高压电缆半导电屏蔽料及其制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本申请属于电缆材料技术领域，尤其涉及一种具有弱PTC效应的高压电缆半导电屏蔽料及其制备方法和应用。本申请提供的高压电缆半导电屏蔽料包括树脂基体、复合导电填料和交联剂，其中，复合导电填料中纳米石墨片起到桥接作用将导电炭黑串联起来形成高效稳定导电网络，能够显著提高高压电缆半导电屏蔽料导电网络稳定性，进而抑制半导电内屏蔽料PTC效应，本申请提供的高压电缆半导电屏蔽料解决了现有半导体屏蔽料中只加入导电炭黑填料，在高温条件下电阻率难以满足性能要求的技术问题。
Description
技术领域
本申请属于电缆材料技术领域，尤其涉及一种具有弱PTC效应的高压电缆半导电屏蔽料及其制备方法和应用。
背景技术
随着城市化建设的迅猛发展，城市负荷日趋密集、电网结构日益复杂，国内主要城市已经形成了大容量集中性的电力负荷中心，亟需建设超高压大容量的输变电工程来实现大规模电能的集中输送。然而，城市土地资源非常有限，使用成本很高，同时又要满足现代城市对整洁美观的建设要求，传统的大容量架空线路输电已经无法满足现代城市输供电的各项需求。因此，用电量的增加、城市大规模电能的集中输送以及环境友好型转化等方面的要求为高电压大容量输电电缆的应用带来了新的发展机遇。高压电缆半导电屏蔽料作为生产高压电缆的关键原材料，半导电屏蔽料的品质对高压电缆的使用安全、运行寿命至关重要。
高压电缆半导电屏蔽料以乙烯-丙烯酸丁酯(EBA)或乙烯-丙烯酸乙酯(EEA)为基体树脂，添加导电炭黑、功能助剂等填料，通过双螺杆挤出机中进行熔融挤出造粒，并加入交联剂进行预交联制备而成。高压电缆半导电屏蔽料需添加大量的导电炭黑以满足电气性能要求，而大量的导电炭黑会减低半导电屏蔽料的拉伸强度和断裂生长率等力学性能，导致无法满足力学性能要求，同时也加大了半导电屏蔽料的加工难度和生产成本。而在高压电缆半导电屏蔽料中加入少量的导电炭黑难以形成连通的导电网络，无法满足电学性能要求，尤其是在高温下电阻率会出现显著增加的趋势，即呈现明显的PTC效应，进而可能导致高压电缆运行稳定性，引发安全事故。因此，如何削弱高压电缆半导电屏蔽料的PTC效应是需要解决的关键难题。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种具有弱PTC效应的高压电缆半导电屏蔽料及其制备方法和应用，用于解决现有高压电缆半导体屏蔽料中只加入导电炭黑填料，在高温条件下电阻率难以满足性能要求的技术问题。
本申请第一方面提供了一种具有弱PTC效应的高压电缆半导电屏蔽料，包括：树脂基体、复合导电填料和交联剂；
其中，所述复合导电填料包括：导电炭黑与纳米石墨片。
优选的，所述纳米石墨片的纯度>99.9％，厚度<40nm，片径为3～6um。
需要说明的是，纳米石墨片为多层结构，剥离后的单层石墨片由于只有一个碳原子，厚度与碳原子离子半径近似，在0.4nm左右，本申请提供的石墨片厚度小于40nm，纳米石墨片的层数小于100层，避免了纳米石墨片由于过厚导致导电性能下降，抑制PTC效应能力减弱。
优选的，所述导电炭黑的DBP吸收值为120-200ml/100g，灰分含量＜0.2％。
优选的，所述复合导电填料中，所述导电炭黑与所述纳米石墨片的质量比为25～29:1～5。
优选的，所述高压电缆半导电屏蔽料还包括：功能助剂。
优选的，以质量份计算，所述高压电缆半导电屏蔽料包括：
优选的，所述树脂基体为乙烯-丙烯酸丁酯和/或乙烯-丙烯酸乙酯树脂。
优选的，所述交联剂为过氧化二异丙基苯和/或过氧化二异丙苯。
优选的，功能助剂包括：分散剂、偶联剂、润滑剂和抗氧剂。
优选的，所述分散剂为乙撑双硬脂酰胺和/或油酸酰胺。
优选的，所述偶联剂为硅烷偶联剂KH550。
优选的，所述润滑剂为硬脂酸锌。
优选的，所述抗氧剂为抗氧剂1010和/或抗氧剂168。
本申请第二方面提供了上述高压电缆半导电屏蔽料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将干燥的树脂基体、复合导电填料以及功能助剂混合均匀，得到未交联高压电缆半导电屏蔽混合物；
步骤2、将所述未交联高压电缆半导电屏蔽混合物熔融挤出、切粒，得到未交联高压电缆半导电屏蔽料颗粒；
步骤3、将所述未交联高压电缆半导电屏蔽料颗粒与交联剂混合后，静置反应，得到交联高压电缆半导电屏蔽料；
步骤3中，所述静置反应的温度为60～80℃，时间为6～12h。步骤3中，所述静置反应的温度为60～80℃，时间为6～12h。
优选的，步骤1中，所述混合为高速混合机混合，混合转速为120～200rpm，时间为5～20min，温度为45℃。
优选的，步骤2中，所述熔融挤出为双螺杆挤出机熔融挤出，熔融挤出的转速为80～120rpm，温度为160℃。
优选的，所述树脂基体、复合导电填料以及功能助剂的干燥方法包括：将树脂基体、复合导电填料以及功能助剂置于烘箱中干燥；
所述干燥的温度为60℃，时间为12～24h。
优选的，所述复合导电填料的制备方法包括：将导电石墨和纳米石墨片置于高速混合机中，开启高速混合机混合，得到复合导电填料；
所述高速混合机混合的转速为120～200rpm，时间为5～20min。
本申请第三方面提供了上述高压电缆半导电屏蔽料在高压电缆、超高压电缆或特高压电缆半导电缆屏蔽层中的应用。
需要说明的是，本申请提供的高压电缆半导电屏蔽料不仅能抑制半导电屏蔽料PTC效应，而且保持了优异电气性能和力学性能，可作为高压电缆、超高压电缆或特高压电缆半导电屏蔽层应用。
综上所述，本申请提供了一种具有弱PTC效应的高压电缆半导电屏蔽料及其制备方法和应用；高压电缆半导电屏蔽料包括树脂基体、复合导电填料和交联剂，其中，复合导电填料由导电炭黑与纳米石墨片组成，纳米石墨片的空间结构为片状结构，具有较大的径厚比，可以在导电炭黑颗粒之间起到桥接作用，在树脂基体中形成稳定导电网络，并且纳米石墨片导电性能好，使得导电网络能够高效导电，进而降低半导电屏蔽层的电阻率。相比于单一导电炭黑填充体系，纳米石墨片的引入能够起到桥接作用，显著提高导电网络连通性，抑制高压电缆半导电屏蔽料PTC效应，电气性能优异，同时保持良好的力学性能，本申请提供的一种具有弱PTC效应的高压电缆半导电屏蔽料及其制备方法和应用，解决了现有高压电缆半导体屏蔽料中只加入导电炭黑填料，在高温条件下电阻率难以满足性能要求的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本申请实施例提供的一种电缆半导电内屏蔽料的制备流程示意图；
图2为本申请实施例3提供的高压电缆半导电屏蔽料的扫描电镜图。
具体实施方式
本申请提供了一种电缆半导电内屏蔽料及其制备方法和应用，用于解决解决了现有半导体屏蔽料中只加入导电炭黑填料无法满足高温条件下电阻率难以满足性能要求的技术问题。
下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
其中，以下实施例所用试剂或原料均为市售或自制。
实施例1
本实施例1提供了一种高压电缆半导电屏蔽料的制备方法，用于制备具有弱PTC效应的高压电缆半导电屏蔽料，包括以下步骤：
步骤1、先将干燥后的30质量份复合导电填料和干燥后的4.5质量份功能助剂在高速混合机下继续混合均匀，再加入干燥后的63.5质量份乙烯-丙烯酸丁酯在45℃继续混合均匀，得到未交联半导电屏蔽混合物，其中，高速混合机的转速控制在160rpm，混合10min；
步骤2、将未交联半导电内屏蔽混合物通过双螺杆挤出机中进行熔融挤出，挤出温度160℃，主机转速100rpm，然后再经水下切粒、80℃烘箱烘干，得到未交联半导电屏蔽料颗粒；
步骤3、将未交联半导电内屏蔽料颗粒置于60℃的恒温箱中4h后，加入研磨机研磨10min后的1质量份交联剂混合，在60℃烘箱中放置8h使交联剂被充分吸收，最终得到高压电缆半导电屏蔽料。
本实施例1中，30质量份复合导电填料为29质量份的导电炭黑和1质量份的纳米石墨片，4.5质量份功能助剂包括偶联剂2质量份、润滑剂份2质量份、抗氧剂0.5质量份，偶联剂为硅烷偶联剂KH550，润滑剂为硬脂酸锌，抗氧剂为质量比为2：1的抗氧剂1010和抗氧剂168。
实施例2
本实施例2提供了一种高压电缆半导电屏蔽料的制备方法，用于制备具有弱PTC效应的高压电缆半导电屏蔽料，制备步骤与实施例1的区别在于，30质量份复合导电填料为28质量份的导电炭黑和2质量份的纳米石墨片。
实施例3
本实施例3提供了一种高压电缆半导电屏蔽料的制备方法，用于制备具有弱PTC效应的高压电缆半导电屏蔽料，制备步骤与实施例1的区别在于，30质量份复合导电填料为27质量份的导电炭黑和3质量份的纳米石墨片。
实施例4
本实施例4提供了一种高压电缆半导电屏蔽料的制备方法，用于制备具有弱PTC效应的高压电缆半导电屏蔽料，制备步骤与实施例1的区别在于，30质量份复合导电填料为26质量份的导电炭黑和4质量份的纳米石墨片。
对比例1
本对比例1提供了一种高压电缆半导电屏蔽料的制备方法，用于制备高压电缆半导电屏蔽料，制备步骤与实施例1的区别在于，复合导电填料为30质量份的导电炭黑。
对比例2
本对比例2提供了一种高压电缆半导电屏蔽料的制备方法，用于制备高压电缆半导电屏蔽料，制备步骤与实施例1的区别在于，复合导电填料为32质量份的导电炭黑，乙烯-丙烯酸丁酯为61.5质量份。
对比例3
本对比例1提供了一种高压电缆半导电屏蔽料的制备方法，用于制备高压电缆半导电屏蔽料，制备步骤与实施例1的区别在于，复合导电填料为35质量份的导电炭黑，乙烯-丙烯酸丁酯为58.5质量份。
实施例5
本实施例5提供了实施例1-4以及对比例1-3中所用乙烯-丙烯酸丁酯共聚物、复合导电填料以及功能助剂的干燥方法，干燥方法包括步骤：将乙烯-丙烯酸丁酯共聚物导电填料、复合导电填料以及功能助剂放入60℃烘箱24h去除水分。
实施例6
本实施例6提供了实施例1-4所用复合导电填料的制备方法，制备方法包括步骤：将导电炭黑与纳米石墨片在高速混合机下继续混合均匀，得到导电填料，其中，高速混合机的转速控制在160rpm，混合时间为10min。
实施例7
本实施例7对实施例1-4以及对比例1-3制备的高压电缆半导电屏蔽料进行电气性能测试和力学性能测试，测试结果如表1所示。
表1高压电缆半导电屏蔽料的性能
从表1可以看出，与对比例1-3采用的导电炭黑相比，实施例1-4采用的导电炭黑和纳米石墨片复配，纳米石墨片的引入提高了高压电缆半导电屏蔽料电学性能，且保持了良好的力学性能，在导电炭黑与纳米石墨片比例为26：4时电阻率最低，力学性能满足国标要求，PTC效应从14.7降低为9.1，表明纳米石墨片在导电炭黑之间起到桥接作用，使导电填料在基体树脂中形成高度连通的导电网络，显著抑制PTC效应；且纳米石墨片导电性能好可赋予高压电缆半导电屏蔽料更优异导电性。
为进一步研究引入纳米石墨片使高压电缆半导电屏蔽料具有弱PTC效应的机理，本申请还对实施例3制备得到的高压电缆半导电屏蔽料进行了显微结构分析，如图2所示，从扫描电子显微镜图中可以清晰看出纳米石墨片在复合材料中均匀分散，且其大的径厚比能更好的连接导电炭黑颗粒，形成高效导电网络，证明其良好桥接作用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种具有弱PTC效应的高压电缆半导电屏蔽料，其特征在于，包括：树脂基体、复合导电填料和交联剂；
其中，所述复合导电填料包括：导电炭黑与纳米石墨片。
2.根据权利要求1所述的一种具有弱PTC效应的高压电缆半导电屏蔽料，其特征在于，所述纳米石墨片的厚度小于40nm，片径为3～6um。
3.根据权利要求1所述的一种具有弱PTC效应的高压电缆半导电屏蔽料，其特征在于，所述复合导电填料中，所述导电炭黑与所述纳米石墨片的质量比为25～29:1～5。
4.根据权利要求1所述的一种具有弱PTC效应的高压电缆半导电屏蔽料，其特征在于，所述电缆半导电内屏蔽料还包括：功能助剂。
5.根据权利要求1所述的一种具有弱PTC效应的高压电缆半导电屏蔽料，其特征在于，以质量份计算，所述高压电缆半导电屏蔽料包括：
6.根据权利要求1所述的一种具有弱PTC效应的高压电缆半导电屏蔽料，其特征在于，所述树脂基体为乙烯-丙烯酸丁酯和/或乙烯-丙烯酸乙酯树脂。
7.根据权利要求1所述的一种具有弱PTC效应的高压电缆半导电屏蔽料，其特征在于，所述交联剂为过氧化二异丙基苯和/或过氧化二异丙苯。
8.根据权利要求1所述的一种具有弱PTC效应的高压电缆半导电屏蔽料，其特征在于，所述功能助剂包括：分散剂、偶联剂、润滑剂和抗氧剂。
9.权利要求1-8任一项所述的一种具有弱PTC效应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、将干燥的树脂基体、复合导电填料以及功能助剂混合均匀，得到未交联高压电缆半导电屏蔽混合物；
步骤2、将所述未交联高压电缆半导电屏蔽混合物熔融挤出、切粒，得到未交联高压电缆半导电屏蔽料颗粒；
步骤3、将所述未交联高压电缆半导电屏蔽料颗粒与交联剂混合后，静置反应，得到交联高压电缆半导电屏蔽料；
步骤3中，所述静置反应的温度为60～80℃，时间为6～12h。
10.权利要求1-8任一项所述的一种具有弱PTC效应的高压电缆半导电屏蔽料或权利要求9所述制备方法制备得到的高压电缆半导电屏蔽料在高压电缆、超高压电缆或特高压电缆半导电屏蔽层中的应用。
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| CN117903518A (zh) * | 2023-12-11 | 2024-04-19 | 四川大学 | 一种高压半导电屏蔽材料及其制备方法 |
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| CN113150438A (zh) * | 2021-04-09 | 2021-07-23 | 西安交通大学 | 一种石墨烯掺杂的热塑性电缆用半导电屏蔽料及制备方法 |
| CN113956565A (zh) * | 2021-11-18 | 2022-01-21 | 南方电网科学研究院有限责任公司 | 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 |
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