CN115223757A - 一种110kV国产交联聚乙烯绝缘材料电力电缆 - Google Patents
一种110kV国产交联聚乙烯绝缘材料电力电缆 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及电力电缆技术领域,具体为一种110kV国产交联聚乙烯绝缘材料电力电缆。所述电力电缆包括位于中心位置的导体,以及包裹在所述导体上向外依次排列的半导电尼龙带、导体屏蔽层、交联聚乙烯绝缘层、绝缘屏蔽层、半导电缓冲阻水带、皱纹铝护套、电缆沥青层、聚乙烯外护套和石墨涂层或石墨聚合物复合层;利用国产的电缆原料进行了工艺优化设计,以改变了之前采用国外的原料制备电缆受到国外的限制的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电力电缆技术领域,具体为一种110kV国产交联聚乙烯绝缘材料电力电缆。
背景技术
根据全球第三大研究机构平台Persistence Market Research近期发布全球电力电缆市场研究报告称,2018-2026年全球电力电缆市场年复合增率预计达到7.2%。报告中认为,发展中国家工业化、城镇化进程加快,发达国家的工业化成熟对电力电缆升级换代需求增加,再加之可再生能源不断发展是推动全球电力电缆市场稳定增长的主要原因。
高压电力电缆以其载流量大、不占用地上空间、使用寿命长等优点,在电力电缆市场上占据主导地位。特别是对于中国这个世界上最大的发展中国家来说,高压电力电缆需求量巨大。
交联聚乙烯(XLPE)凭借自身优良的电性能、加工性能和较高的运行温度受到高压电力电缆的青睐。据统计,XLPE是世界上高压电力电缆使用最多的绝缘材料。高压交联聚乙烯绝缘电力电缆的绝缘工艺目前就全球范围内常用的两种生产工艺业内人士都较为熟悉,即VCV(立式)交联生产工艺与CCV(悬链式)交联生产工艺。
早在上世纪八十年代,国外电缆制造业的科技人员利用CCV交联电缆生产线生产高压交联电线电缆,当时遇到的问题是由于XLPE绝缘材料在熔融状态下产生“下坠”而造成绝缘偏心超标,以致于人们想到了采用立式的方法(垂直的从上向下挤包XLPE绝缘料)以避免绝缘的偏心,于是产生了VCV立式交联生产工艺。然而,国外电缆行业与装备制造业的科技人员并未放弃用CCV交联电缆生产线生产高压电缆的工艺研究,科技人员们通过对高压电缆用绝缘材料流变性能的研究,对电缆制造设备进行改良、机头流道进行改进,尤其是对XLPE绝缘挤出生产线的进出牵引方式的改变、挤出机温控精度的提高、交联工艺温度的优化、生产线自动控制程度的提高,使得CCV交联电缆生产线生产高压交联电力电缆早已成为现实,绝缘同心度完全可以与VCV交联生产线工艺相媲美。
高压电力电缆以其载流量大、不占用地上空间、使用寿命长等优点,在电力电缆市场上占据主导地位。特别是对于中国这个世界上最大的发展中国家来说,高压电力电缆需求量巨大。我国是全球第一大电缆制造国,但目前市场上对于高端交联聚乙烯绝缘料的需求主要依赖于从北欧化工、韩国LG化学和美国陶氏化学等国外厂商进口,年进口量达10万余吨,而相关电缆产值超1000亿元,严重制约了我国高端电力装备的自主可控发展。高压电缆产业链涉及石化基料、绝缘料复配、电缆挤出、试验评价、安装运维等诸多上下游相关产业,产业链长,如未来能实现全产业链的国产化,将对上下游产业产生十分明显的拉动作用。
但是,目前,在制备高端的110kV交联聚乙烯绝缘材料电力电缆过程中,国产交联聚乙烯材料及所制备的交联聚乙烯电力电缆的抗击穿强度、材料洁净度等方面还存在差距,因此,需要针对目前与国外高端交联聚乙烯绝缘材料电力电缆的差距,对相关的电力电缆进行全新的产品开发。
发明内容
本发明基于上述中高端交联聚乙烯绝缘材料制备的电力电缆存在的诸多问题,提供一种110kV国产交联聚乙烯绝缘材料电力电缆。不仅是为了提供一种电缆,同时也是为了提供这种电缆的制备工艺,另外。针对目前高压电缆在实际使用过程中的散热问题,特别的,对其散热进行了优化改进,在其最外层通过涂覆或者挤压成型或者镀膜形成一层散热层,利用该散热层来及时将电缆产生的热量散发到空气中,从而降低电缆的温度,降低温度升高对电缆将性能影响。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种110kV国产交联聚乙烯绝缘高压电力电缆,所述电力电缆包括位于中心位置的导体,以及包裹在所述导体上向外依次排列的半导电尼龙带、导体屏蔽层、交联聚乙烯绝缘层、绝缘屏蔽层、半导电缓冲阻水带、皱纹铝护套、电缆沥青层、聚乙烯外护套和石墨涂层或石墨聚合物复合层;
导体、半导电尼龙带、导体屏蔽层、交联聚乙烯绝缘层、绝缘屏蔽层组成的绝缘线芯,在U型交联MAILLEFER(麦拉菲尔)进口生产线上制备,采用三层共挤、干式交联和冷却工艺,交联加热管道共4节,每节长4米。
优选的,导体前预热温度85℃,后预热加热80℃。
优选的,导体屏蔽层挤出机螺桶加热区各区的温度分别为:80℃、98℃、107℃、109℃,机头加热区各区的温度分别为112℃、112℃、112℃、112℃,模温机的温度为117℃。
优选的,交联聚乙烯绝缘层挤出机螺桶加热区各区的温度分别为:110℃、120℃、116℃、116℃,116℃、116℃;机头加热区各区的温度分别为121℃、121℃、121℃、121℃,模温机的温度为121℃,挤出机螺杆的的温度为108℃。
优选的,绝缘屏蔽层挤出机螺桶加热区各区的温度分别为:80℃、99℃、108℃、110℃,机头加热区各区的温度分别为112℃、112℃、112℃、112℃,模温机的温度为114℃。
优选的,电力电缆交联工艺中,开始阶段交联加热管道各区的温度为230-260℃,速度为0.61-0.81mpm,生产状态交联加热管道各区的温度为315-365℃、275-330℃、265-320℃、265-310℃,速度为1.00-1.32mpm;结束状态交联加热管道各区的温度为230-235℃;硫化时间为30-35min,冷却时间为50-70min,管道内的氮气压力为10-15bar,涨力为600-2000kg。
优选的,400mm2电力电缆交联工艺中,开始阶段交联加热管道各区的温度为260℃,速度为0.81mpm,生产状态交联加热管道各区的温度为365℃、330℃、320℃、310℃,速度为1.32mpm;结束状态交联加热管道各区的温度为235℃;硫化时间为30min,冷却时间为53min,管道内的氮气压力为10bar,涨力为700kg。
优选的,1200mm2电力电缆交联工艺中,开始阶段交联加热管道各区的温度为230℃,速度为0.61mpm,生产状态交联加热管道各区的温度为315℃、275℃、265℃、265℃,速度为1.08mpm;结束状态交联加热管道各区的温度为235℃;硫化时间为31min,冷却时间为64min,管道内的氮气压力为10bar,涨力为1750kg。
优选的,所述石墨聚合物复合层按重量份数计包括以下组分:
硅烷交联聚乙烯100份,石墨30-40份,乙烯丙烯共聚物5-10份,聚偏二氟乙烯5-10份,交联催化剂0.2-1.5份。
本案通过两种方式进行散热,一种是进行石墨涂层涂覆,另一种是采用石墨聚合物复合层,然后通过挤出复合。
石墨涂层涂覆存在的问题是容易出现裂纹,石墨涂层寿命较短。为了改善该问题,本案特别的设置了石墨聚合物复合层,该复合层通过共挤制备。
硅烷交联聚乙烯,具有耐老化、耐高温、抗变形的特点,而石墨作为主要的导热组分,提高导热系数,乙烯丙烯共聚物的目的是为了提高耐老化性和耐热性,提高耐寒性和韧性,从而赋予石墨聚合物复合层一定的韧性,确保电缆在热胀冷缩过程中,最外层的石墨聚合物复合层不会发生龟裂等现象。
聚偏二氟乙烯的熔点相对较低,能够在较低的温度与硅烷交联聚乙烯以及乙烯丙烯共聚物进行熔融混合,聚偏二氟乙烯的目的是为了提高复合层的弹性以及耐高温性能,同样降低复合层在电缆热胀冷缩过程中的龟裂现象。
本发明的有益效果是:利用国产的电缆原料进行了工艺优化设计,以改变了之前采用国外的原料制备电缆受到国外的限制的问题,同时为了制备得到优化的电缆,特别的设计了一种针对110kv的电缆制备工艺,通过这种工艺,制备得到性能指数均达标的国产110kv电力电缆。此外,本案还对电力电缆的散热问题进行了探讨,通过在电力电缆的外层设计额外的散热层,从而有效地将电力电缆的余热散发至空气中,从而降低温度升高对电缆的不利影响。
附图说明
图1是本发明电缆的结构示意图。
图中:1导体,2半导电尼龙带,3导体屏蔽层4交联聚乙烯绝缘层5绝缘屏蔽层6半导电缓冲阻水带7皱纹铝护套8电缆沥青9聚乙烯外护套和10石墨涂层或石墨聚合物复合层;
具体实施方式
下面通过具体实施例,对本发明的技术方案作进一步的具体说明。本发明中,若非特指,所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法,如无特别说明,均为本领域的常规方法。
本发明提供了一种110kV国产交联聚乙烯绝缘高压电力电缆,关于该电力电缆的结构,具体如下:
所述电力电缆包括位于中心位置的导体,以及包裹在所述导体上向外依次排列的半导电尼龙带、导体屏蔽层、交联聚乙烯绝缘层、绝缘屏蔽层、半导电缓冲阻水带、皱纹铝护套、电缆沥青层、聚乙烯外护套和石墨涂层或石墨聚合物复合层;
特别的,石墨聚合物复合层按重量份数计包括以下组分:硅烷交联聚乙烯100份,石墨30-40份,乙烯丙烯共聚物5-10份,聚偏二氟乙烯5-10份,交联催化剂0.2-1.5份。
关于该电缆的制备工艺:
导体、半导电尼龙带、导体屏蔽层、交联聚乙烯绝缘层、绝缘屏蔽层组成的绝缘线芯,在U型交联MAILLEFER(麦拉菲尔)进口生产线上制备,采用三层共挤、干式交联和冷却工艺,交联加热管道共4节,每节长4米。
导体前预热温度85℃,后预热加热80℃;
导体屏蔽层挤出机螺桶加热区各区的温度分别为:80℃、98℃、107℃、109℃,机头加热区各区的温度分别为112℃、112℃、112℃、112℃,模温机的温度为117℃。
交联聚乙烯绝缘层挤出机螺桶加热区各区的温度分别为:110℃、120℃、116℃、116℃,116℃、116℃;机头加热区各区的温度分别为121℃、121℃、121℃、121℃,模温机的温度为121℃,挤出机螺杆的的温度为108℃。
绝缘屏蔽层挤出机螺桶加热区各区的温度分别为:80℃、99℃、108℃、110℃,机头加热区各区的温度分别为112℃、112℃、112℃、112℃,模温机的温度为114℃。
电力电缆交联工艺中,开始阶段交联加热管道各区的温度为230-260℃,速度为0.61-0.81mpm,生产状态交联加热管道各区的温度为315-365℃、275-330℃、265-320℃、265-310℃,速度为1.00-1.32mpm;结束状态交联加热管道各区的温度为230-235℃;硫化时间为30-35min,冷却时间为50-70min,管道内的氮气压力为10-15bar,涨力为600-2000kg。
在400mm2电力电缆交联工艺中,开始阶段交联加热管道各区的温度为260℃,速度为0.81mpm,生产状态交联加热管道各区的温度为365℃、330℃、320℃、310℃,速度为1.32mpm;结束状态交联加热管道各区的温度为235℃;硫化时间为30min,冷却时间为53min,管道内的氮气压力为10bar,涨力为700kg。
在1200mm2电力电缆交联工艺中,开始阶段交联加热管道各区的温度为230℃,速度为0.61mpm,生产状态交联加热管道各区的温度为315℃、275℃、265℃、265℃,速度为1.08mpm;结束状态交联加热管道各区的温度为235℃;硫化时间为31min,冷却时间为64min,管道内的氮气压力为10bar,涨力为1750kg。
交联聚乙烯绝缘材料采用由国产厂家万马材料生产的YJ-110型号的可交联聚乙烯绝缘材料。所述电力电缆的绝缘线芯制造方法包括:在U型交联MAILLEFER(麦拉菲尔)进口生产线上制造所述绝缘线芯,交联加热管道共4节,每节长4米,采用三层共挤,干式硫化和冷却工艺,工艺参数由NCC硫化计算程序模拟计算,使用西科拉在线进行测厚和测径步骤,在线进行应力消除、导体预热及后加热、净化上料,使内屏蔽、绝缘、外屏蔽层间界面光滑以及绝缘内、中、外层热延伸基本一致。
实施例1:一种400mm2的110kV交联聚乙烯绝缘材料电力电缆,1×400mm2电力电缆绝缘线芯生产工艺:
导体屏蔽层挤出机螺桶加热区各区的温度分别为:80℃、98℃、107℃、109℃,机头加热区各区的温度分别为112℃、112℃、112℃、112℃,模温机的温度为117℃。
交联聚乙烯绝缘层挤出机螺桶加热区各区的温度分别为:110℃、120℃、116℃、116℃,116℃、116℃;机头加热区各区的温度分别为121℃、121℃、121℃、121℃,模温机的温度为121℃,挤出机螺杆的的温度为108℃。
绝缘屏蔽层挤出机螺桶加热区各区的温度分别为:80℃、99℃、108℃、110℃,机头加热区各区的温度分别为112℃、112℃、112℃、112℃,模温机的温度为114℃。
通过NCC软件计算,前预热温度85℃,后预热加热80℃,硫化管温度及生产速度设置如下表:
上述是针对圆形导体(400mm2)的生产工艺。
对比例1:采用实施例1相同的上述制备工艺,其绝缘材料选用LG(LG:8080UCS)进口绝缘材料。
实施例2:一种1200mm2的110kV交联聚乙烯绝缘材料电力电缆,110kV,1×1200mm2电力电缆绝缘线芯生产工艺:
导体屏蔽层挤出机螺桶加热区各区的温度分别为:80℃、98℃、107℃、109℃,机头加热区各区的温度分别为112℃、112℃、112℃、112℃,模温机的温度为117℃。
交联聚乙烯绝缘层挤出机螺桶加热区各区的温度分别为:110℃、120℃、116℃、116℃,116℃、116℃;机头加热区各区的温度分别为121℃、121℃、121℃、121℃,模温机的温度为121℃,挤出机螺杆的的温度为108℃。
绝缘屏蔽层挤出机螺桶加热区各区的温度分别为:80℃、99℃、108℃、110℃,机头加热区各区的温度分别为112℃、112℃、112℃、112℃,模温机的温度为114℃。
通过NCC软件计算,前预热温度85℃,后预热加热80℃,硫化管温度及生产速度设置如下表:
上述是针对圆形导体(1200mm2)的生产工艺。
对比例2:采用与实施例2相同的制备工艺,其区别是采用LG的绝缘材料。
对应用如上工艺所生产出的绝缘线芯各项性能指标进行检测,将检测结果同进口材料(LG:8080UCS)及国家标准GB/T11017要求的各项指标进行对比,对比结果如下:
实施例1与对比例1制备的110kV,1×400mm2电力电缆绝缘线芯圆整度与微平面对比结果为:
实施例2与对比例2制备的110kV,1×1200mm2电力电缆绝缘线芯圆整度与微平面对比结果:
对上述两种规格的电缆绝缘线芯进行硅油透视试验以及微孔杂质测量,结果如下表所示:
实施例1 | 实施例2 | |||
规格 | 400mm<sup>2</sup> | 1200mm<sup>2</sup> | ||
材料 | 实施例1 | LG料 | 实施例2 | LG料 |
硅油情况 | 无异常 | 无异常 | 有少许气泡 | 有少许气泡 |
绝缘厚度最大最小/mm | 16.94-17.43 | 16.97-17.41 | 16.06-16.59 | 15.86-16.42 |
偏心度/% | 2.811 | 2.527 | 3.195 | 3.410 |
热延伸/% | 75、70、70 | 75、70、65 | 80、70、65 | 75、65、65 |
热收缩/% | 3.5 | 3.5 | 3.5 | 3.5 |
大于0.05mm的微孔/个 | 0 | 0 | 0 | 0 |
0.025~0.05mm的微孔(个/16.4cm<sup>3</sup>) | 0 | 0 | 0 | 0 |
大于0.125mm的不透明杂质/个 | 0 | 0 | 0 | 0 |
大于0.25mm的半透明棕色物质/个 | 0 | 0 | 0 | 0 |
通过表中数据对比可以看出,按照本案中的生产工艺使用本案的材料所生产的电缆技术指标略优于进口材料。
对使用本案的绝缘材料的两种规格电缆的绝缘线芯分别取样进行绝缘老化前后的机械性能试验,结果如下表:
通过对上表的数据分析,本发明的绝缘材料老化前的机械性能均高于标准要求(GB/T11017),老化后的变化率比标准要求小得多,可以满足使用要求。
通过上各项据对比结果可以看出,应用上述工艺使用本发明的绝缘材料所生产的110kV电缆绝缘线芯部分的各项指标与进口材料的性能相当且均满足标准要求。
电缆的其它部分还包括在绝缘屏蔽层与皱纹铝护套之间采用半导电缓冲阻水带结构,皱纹铝套层采用双焊枪技术进行焊接,非金属护套采用高电性能PVC或阻燃PE,外层均匀涂敷石墨。
对使用本发明的绝缘材料的绝缘线芯制造完成的电缆进行后续相应试验,该电缆还具有如下性能指标:
(1)局部放电试验:在96kV下,无超过申明灵敏度的可检测的放电;
(2)交流耐压试验:在160kV下30min,电缆不击穿;
(3)热循环电压试验:在128kV下,导体加温到95℃~100℃,加温8小时后冷却16小时,完成20个热循环电压试验周期内,电缆不击穿;
(4)雷电冲击试验及随后的工频电压试验:导体加温到95℃~100℃,±550kV各10次,电缆不击穿或闪络;160kV,15min,电缆不击穿或闪络;
(5)tanδ试验(导体温度95℃~100℃,64kV下,要求≤10×10-4),实测2.0×10-4;
(6)半导电屏蔽电阻率(90℃)老化前,导体屏蔽要求≤1000Ω·m,实测6.5Ω·m,绝缘屏蔽要求≤500Ω·m,实测4.5Ω·m;
(7)成品电缆段老化后(100℃,168h),导体屏蔽要求≤1000Ω·m,实测16.5Ω·m,绝缘屏蔽要求≤500Ω·m,实测8.6Ω·m。
对比例3:具体制备同实施例2。但是比实施例2的少一层石墨层。
对比例4:具体制备同实施例2。与比实施例2的,在外层没有涂覆石墨层,通过挤出成型设置一层石墨聚合物复合层。
对实施例1和实施例2制备的电缆在环境温度-30℃-80℃下,对电缆进行极端环境处理,在-30℃下以及80℃下保持1h,电缆的最外层的石墨层未发生龟裂现象。电缆保持完好。在经过30℃骤冷至-30℃,表面石墨层发生裂纹。
对于对比例3,由于未涂覆石墨,其散热性能较差。
对于对比例4,采用挤出成型的石墨聚合物复合层替代涂覆的石墨层。在环境温度-30℃-80℃下,对电缆进行极端环境处理,在-30℃下以及80℃下保持1h,电缆的最外层的石墨层未发生龟裂现象。电缆保持完好。在经过30℃骤冷至-30℃,表面复合层保持完好未发生裂纹。
另外,对石墨涂层和复合层的导热系数,分别进行了多次测试。复合层的导热系数只达到了石墨层的80-90%左右。但是其耐候性及防裂性显然提高了很多。这使得复合层的使用寿命更久远。综合评估,在300%以上。
通过对各项数据指标的分析,本发明给出的生产工艺所生产的电缆性能良好,技术指标同进口材料相当,可满足大规模批量化生产需要。
综上所述,应用上述工艺,使用本发明的交联聚乙烯绝缘材料制造的110kV高压交联聚乙烯绝缘电力电缆能够满足相同电压等级下用于输送电能的使用要求,其电性能和机械性能等与使用进口材料所生产的电缆性能相当且满足或高于标准要求。本发明的应用可以有效缓解国内高端电缆市场对国外进口材料的依赖,为我国电缆行业实现全产业链国产化进程提供可靠方法。
对于本领域技术人员而言显而易见的是,上述实施方案并非在于穷举或将实施方案限制到所公开的具体精确形式。对于本领域技术人员而言显而易见的是,在上述教导内容的基础,还能够进行一定的修改、组合和以及变型。
Claims (9)
1.一种110kV国产交联聚乙烯绝缘高压电力电缆,其特征在于:所述电力电缆包括位于中心位置的导体,以及包裹在所述导体上向外依次排列的半导电尼龙带、导体屏蔽层、交联聚乙烯绝缘层、绝缘屏蔽层、半导电缓冲阻水带、皱纹铝护套、电缆沥青层、聚乙烯外护套和石墨涂层或石墨聚合物复合层;
导体、半导电尼龙带、导体屏蔽层、交联聚乙烯绝缘层、绝缘屏蔽层组成的绝缘线芯,在U型交联生产线上制备,采用三层共挤、干式交联和冷却工艺,交联加热管道共4节,每节长4米。
2.根据权利要求1所述的一种110kV国产交联聚乙烯绝缘高压电力电缆,其特征在于:导体前预热温度85℃,后预热加热80℃。
3.根据权利要求1所述的一种110kV国产交联聚乙烯绝缘高压电力电缆,其特征在于:导体屏蔽层挤出机螺桶加热区各区的温度分别为:80℃、98℃、107℃、109℃,机头加热区各区的温度分别为112℃、112℃、112℃、112℃,模温机的温度为117℃。
4.根据权利要求1所述的一种110kV国产交联聚乙烯绝缘高压电力电缆,其特征在于:交联聚乙烯绝缘层挤出机螺桶加热区各区的温度分别为:110℃、120℃、116℃、116℃,116℃、116℃;机头加热区各区的温度分别为121℃、121℃、121℃、121℃,模温机的温度为121℃,挤出机螺杆的的温度为108℃。
5.根据权利要求1所述的一种110kV国产交联聚乙烯绝缘高压电力电缆,其特征在于:绝缘屏蔽层挤出机螺桶加热区各区的温度分别为:80℃、99℃、108℃、110℃,机头加热区各区的温度分别为112℃、112℃、112℃、112℃,模温机的温度为114℃。
6.根据权利要求1所述的一种110kV国产交联聚乙烯绝缘高压电力电缆,其特征在于:电力电缆交联工艺中,开始阶段交联加热管道各区的温度为230-260℃,速度为0.61-0.81mpm,生产状态交联加热管道各区的温度为315-365℃、275-330℃、265-320℃、265-310℃,速度为1.00-1.32mpm;结束状态交联加热管道各区的温度为230-235℃;硫化时间为30-35min,冷却时间为50-70min,管道内的氮气压力为10-15bar,涨力为600-2000kg。
7.根据权利要求6所述的一种110kV国产交联聚乙烯绝缘高压电力电缆,其特征在于:400mm2电力电缆交联工艺中,开始阶段交联加热管道各区的温度为260℃,速度为0.81mpm,生产状态交联加热管道各区的温度为365℃、330℃、320℃、310℃,速度为1.32mpm;结束状态交联加热管道各区的温度为235℃;硫化时间为30min,冷却时间为53min,管道内的氮气压力为10bar,涨力为700kg。
8.根据权利要求6所述的一种110kV国产交联聚乙烯绝缘高压电力电缆,其特征在于:1200mm2电力电缆交联工艺中,开始阶段交联加热管道各区的温度为230℃,速度为0.61mpm,生产状态交联加热管道各区的温度为315℃、275℃、265℃、265℃,速度为1.08mpm;结束状态交联加热管道各区的温度为235℃;硫化时间为31min,冷却时间为64min,管道内的氮气压力为10bar,涨力为1750kg。
9.根据权利要求1所述的一种110kV国产交联聚乙烯绝缘高压电力电缆,其特征在于:所述石墨聚合物复合层按重量份数计包括以下组分:硅烷交联聚乙烯100份,石墨30-40份,乙烯丙烯共聚物5-10份,聚偏二氟乙烯5-10份,交联催化剂0.2-1.5份。
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