CN115312271A - 一种中压聚丙烯绝缘线芯的三层共挤生产方法 - Google Patents
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Abstract
一种中压聚丙烯绝缘线芯的三层共挤生产方法，根据聚丙烯绝缘及屏蔽材料热塑性的属性，提出了一种PP专用三层共挤生产线的设计方案，用于聚丙烯基半导电导体屏蔽料、聚丙烯绝缘料以及聚丙烯基半导电绝缘屏蔽料的三层共挤，并结合材料配方设计及装备改进方案，给出了基于不同材料组合的中压聚丙烯绝缘线芯制备工艺。三层共挤结构包括步骤：1)在导体外包裹半导电导体屏蔽层；2)再包裹绝缘层；3)再包裹半导电绝缘屏蔽层；步骤1)～3)中，半导电导体屏蔽层、绝缘层和半导电绝缘屏蔽层通过三层共挤实现。
Description
技术领域
本发明创造涉及电缆技术领域，具体是有关于一种中压聚丙烯绝缘线芯的三层共挤生产方法。
背景技术
由环保要求提高，应该考虑电缆到达寿期后或者过程中替换之后随之而来的材料污染问题。XLPE分解速度慢，基本无法达到工业级的回收再加工利用。虽然现在采用TR-XLPE绝缘的电缆也越来越多，其增强电缆抗水树性能，延长电缆的使用寿命，但是仍无法解决材料回收再加工利用的问题。
传统XLPE绝缘电缆已经应用多年，加工过程中需专门的硫化管道进行交联，设备费用昂贵，安装成本高；生产工艺复杂，绝缘料易产生预交联颗粒，交联度控制难度大；长期在潮湿环境下使用易产生水树枝、电树枝，通常使用寿命为15～20年。
聚丙烯材料环保可回收，不需要交联，材料成本及生产设备成本投入较XLPE低，生产中能耗减少，生产周期缩短，可以大幅度的降低碳排放。聚丙烯材料用于电缆会对电缆行业产生革命性的变化。
由于聚丙烯材料用于中压电力电缆生产国内尚无研究公开，无经验可循。如何采用聚丙烯类电缆料生产中压电力电缆绝缘线芯，是所要解决的技术问题。
发明内容
经研究，聚丙烯类电缆料包裹在导体外的制造过程中，主要存在如下技术困难：
(1)提供适宜聚丙烯材料的高温挤出环境；目前XLPE绝缘挤出温度在80℃到120℃之间，而聚丙烯绝缘及屏蔽材料的挤出温度在80℃到240℃之间；
(2)保证聚丙烯类电缆料在高温挤出条件下，稳定、均匀挤出，即热态外径的稳定性；
(3)设备需具备聚丙烯绝缘线芯高温挤出后冷却定形功能，冷却效率可根据材料配方进行调节；
(4)需实现材料挤出过程的在线监测，保证绝缘线芯结构尺寸的实时记录及调整。
本发明创造首先对用于挤出聚丙烯绝缘料的挤出设备进行改造，其挤出螺杆等结构可使绝缘料的熔融充分。还对挤出设备的温区参数进行针对性设计，使三层共计得到的三层结构稳定。同时，对冷却设备的冷却温度、电缆料配方以及生产线速度进行匹配，使产品充分冷却，不再发生收缩变形。
最后，设计特定的聚丙烯类电缆料，配以特定的挤出工艺，制成高性能、高质量的绝缘线芯。
综上，本发明创造提出了用于聚丙烯类电缆料的通用的三层共挤生产方案，用于聚丙烯基半导电导体屏蔽料、聚丙烯绝缘料以及聚丙烯基半导电绝缘屏蔽料的三层共挤。还结合聚丙烯电缆料，立足于既有生产设备装备特点，设计了可行的加工工艺。
聚丙烯基半导电导体屏蔽料、聚丙烯绝缘料和聚丙烯基半导电绝缘屏蔽料，这些材料均为热塑性材料，具有环保、能耗少，生产周期短，可回收再利用等特点。
本发明的一种中压聚丙烯绝缘线芯的三层共挤生产方法，步骤包括：1)在导体外包裹半导电导体屏蔽层；2)包裹绝缘层；3)包裹半导电绝缘屏蔽层；
所述步骤1)在导体外包裹半导电导体屏蔽层：
半导电导体屏蔽层是由挤包的聚丙烯基半导电(导体屏蔽)料构成；
或者，半导电导体屏蔽层是先在导体外先绕包半导电带，再在半导电带外包裹聚丙烯基半导电导体屏蔽料构成；
所述步骤2)包裹绝缘层：
绝缘层是由聚丙烯绝缘料挤包构成；
所述步骤3)包裹半导电绝缘屏蔽层：
半导电绝缘屏蔽层是挤包可剥离或不可剥离的聚丙烯基半导电绝缘屏蔽料构成；
所述步骤1)～3)中，半导电导体屏蔽层的聚丙烯基半导电导体屏蔽料、聚丙烯绝缘料和聚丙烯基半导电绝缘屏蔽料是通过三层共挤工艺包覆在导体上；三层共挤工装及工艺要求为：
聚丙烯基半导电导体屏蔽料、聚丙烯绝缘料以及聚丙烯基半导电绝缘屏蔽料三层共挤系统是在现有XLPE绝缘三层共挤系统的基础上，根据聚丙烯绝缘及屏蔽料性能，特殊设计及制造的PP专用三层共挤生产线，它包括：放线架、储线器、3台配有独立供料系统的挤塑机、配有独立加温系统的三层共挤机头、在线测偏系统、冷却系统、搓线机、收线器和牵引系统；
3台配有独立供料系统的挤塑机分别是用于挤出聚丙烯基半导电导体屏蔽料的第一挤塑机(机筒、螺杆)、用于挤出聚丙烯绝缘料的第二挤塑机(机筒、螺杆)、用于挤出聚丙烯基半导电绝缘屏蔽料的的第三挤塑机(机筒、螺杆)；
其中第二挤塑机用于改性聚丙烯绝缘料的挤出，受聚丙烯材料本身性能影响，为使改性聚丙烯绝缘，达到更好的出胶稳定性，设计了聚丙烯绝缘料专用挤出螺杆。根据材料挤出性能，选用分离型螺杆，此螺杆是根据熔融理论，从促进塑料熔融出发而设计的。在螺杆熔融段的螺棱旁再加一道辅助螺棱，于是将螺槽主螺棱的前缘一边分为熔体槽，而将其后缘一边分为固体槽。辅助螺棱与机筒的间隙为0.38mm～0.76mm，只能容许固体槽中由固体床生成的熔体流进熔体槽，而不能使未熔化的塑料进入。同样，辅助螺棱不仅能使熔体受到少量的高剪切作用而使其进一步融化，同时也有助于内压力的增加。螺杆结构的几何形状如图2所示。其主要参数有螺杆的直径、长径比、压缩比等。
用于本改性聚丙烯绝缘料挤出的专用螺杆主要参数设定如下：
螺杆的直径Ds：150mm，为目前中压电缆绝缘挤出机常用螺杆直径。
螺杆长径比L/DS:25～28，较大的螺杆长径比利于改性聚丙烯绝缘料的混合和塑化，使绝缘料在机筒中受热的时间增长，使绝缘料的塑化将更充分、更均匀，从而提高挤塑质量。但大的螺杆长径比，对螺杆与机筒的加工和装配要求较高，螺杆及机筒的加工精度应严格控制。
螺杆的几何压缩比：ε＝2.5～4，取值由聚丙烯绝缘材料的物理压缩比——即制品的密度与进料的表观密度之比来决定。选用较大的压缩，目的是为了使绝缘粒子能充分塑化、压实。
螺距、螺槽宽度、螺槽深度、螺旋角、螺杆与机筒之间的间隙等参数设定，可以根据绝缘材料性能及机筒尺寸，在保证螺杆主要参数设定符合要求的前提下，进行正常设计。另外螺杆材质的选择，应充分考虑聚丙烯绝缘挤出的高温特性(＞200℃)及螺杆本身的热膨胀情况，避免螺杆在高温环境下使用时，由于耐温性能不过关，从而发生变形及膨胀系数考虑不到位，造成螺杆及料筒损坏。上述的螺杆设计保证了聚丙烯材料在高温挤出条件下，较好地出胶稳定性，从而保证了聚丙烯绝缘线芯热态外径的稳定性；
本三层共挤系统的3台聚丙烯类电缆料挤塑机料筒机身温度在70℃～280℃稳定且可调。
配有独立加温系统的三层共挤机头，通过3台高温模温仪，实现机头部位的加热，加热温度最高可以达到300℃，提供了适宜聚丙烯材料的高温挤出环境。
冷却系统为三层共挤后的热态绝缘线芯提供冷却。所述的冷却系统包括两种冷却系统：第1冷却系统，第2冷却系统；所述的第1冷却系统，分为第1冷却段和第2冷却段，第1冷却段通过加压氮气进行冷却，冷却氮气压力不少于8Mpa,氮气温度设定从100℃～20℃，第 2冷却段通过冷却水进行再降温，冷却水的水温是10℃～40℃。第1冷却系统可兼顾较宽绝缘厚度范围聚丙烯绝缘的挤出，绝缘厚度范围：2.5mm～19.0mm；
所述的第2冷却系统,是绝缘线芯挤出后直接进入冷却水管，此时，第1冷却系统的第1 冷却段被冷却水充满，第2冷却段与第1冷却系统一致，冷却水的水温是10℃～40℃。第2 冷却系统适宜挤出的绝缘厚度范围较第1冷却系统窄，绝缘厚度范围：2.5mm～10.5mm；
绝缘线芯挤出后，经过在线测偏仪后，先进行氮气冷却，再进入冷却水管，冷却水管提供循环的冷却水，保证水温在一个可控的范围，使水温不低于10℃，不高于40℃。另根据冷却水管的长度，调节不同型号规格的绝缘线芯生产速度，以保证聚丙烯绝缘线芯出冷却水管后，已充分冷却，不再发生收缩变形。使设备具备了聚丙烯绝缘线芯高温挤出后冷却定形功能，且冷却效率可根据材料配方进行调节。
三层共挤系统的放线架、储线器、在线测偏系统、搓线机、收线器和牵引系统与现有绝缘料挤出用的悬链式化学交联生产线(CCV)基本一致。在线测偏系统的使用，实现了材料挤出过程的在线监测，保证绝缘线芯结构尺寸的实时记录及调整。
第一挤塑机：导体屏蔽料通过供料系统到达挤塑机，挤塑机自进料到出料方向，挤塑机的机身温度设定：80℃～200℃；挤塑机的机颈段温度为190℃～200℃；
第二挤塑机：绝缘料通过供料系统到达挤塑机，挤塑机自进料到出料方向，对于共混改性聚丙烯绝缘料挤出时，挤塑机的机身温度设定：80℃～210℃；对于共聚改性聚丙烯绝缘料挤出时，挤塑机的机身温度设定：80℃～240℃；挤塑机的机颈段温度为195℃～240℃；
第三挤塑机：绝缘屏蔽料通过供料系统到达挤塑机，挤塑机自进料到出料方向，对于可剥离聚丙烯半导电绝缘屏蔽料挤出时，挤塑机的机身温度设定：100℃～220℃；对于不可剥离聚丙烯半导电绝缘屏蔽料挤出时，挤塑机的机身温度设定：80℃～200℃；第三挤塑机的机颈段温度为190℃～220℃；
第一挤塑机、第二挤塑机、第三挤塑机均应配有独立的循环冷却装置用于机身冷却(与相应加热系统共同控制机身温度)。冷却装置是为了保证塑料处于工艺要求的温度范围而设置的。具体说是为了排除螺杆旋转的剪切摩擦产生的多余热量，以避免温度过高使塑料分解、焦烧或定型困难。为此，必须对机筒和螺杆进行冷却。机筒冷却采用水冷却。螺杆冷却主要采用中心水冷，目的是增加物料固体输送率，稳定出胶量，同时提高产品质量。料斗座处的冷却，一是为了加强对固体物料的输送作用，防止因升温使塑料粒发粘堵塞进料口，二是防止过高的温度传递到传动装置。
三层共挤系统的三层共挤机头，温度为215℃～275℃；
三台挤出机各区温度，应结合材料配方特点，根据实际挤出料温及表观质量进行调整。
聚丙烯基半导电导体屏蔽料，是以聚丙烯为基体树脂，加入弹性体、炭黑、抗氧剂等加工助剂，进行共混挤出造粒制得的。聚丙烯基半导电导体屏蔽料是热塑性的，与聚丙烯绝缘层不可剥离的，挤成电缆后，各项性能符合IEC 60502-2标准中对于半导电导体屏蔽的技术要求。
聚丙烯绝缘料，可以是共混改性聚丙烯绝缘料或共聚改性聚丙烯绝缘料中的一种。聚丙烯绝缘料是热塑性的，挤成电缆后，各项性能符合NEN-HD 620S2标准中HPTE绝缘的技术要求。另聚丙烯绝缘厚度根据电缆规格及电压等级而定，绝缘层标称厚度不小于GB/T12706中交联聚乙烯XLPE绝缘相应的标称厚度，其最薄点厚度不小于绝缘层标称厚度值的90％-0.1mm。
聚丙烯绝缘料，也可以是共聚改性聚丙烯绝缘料为外购的石化企业，牌号为PP-JR-35。
聚丙烯基半导电绝缘屏蔽料，是可剥离聚丙烯基半导电绝缘屏蔽料或不可剥离聚丙烯基半导电绝缘屏蔽料中的一种，是以聚丙烯为基体树脂，加入弹性体、炭黑、抗氧剂等加工助剂，进行共混挤出造粒制得的。聚丙烯基半导电绝缘屏蔽料是热塑性的，挤成电缆后，各项性能符合IEC 60502-2标准中对于半导电绝缘屏蔽的技术要求。
具体来说：
A、半导电导体屏蔽层所用聚丙烯基半导电导体屏蔽料包括以下重量份数的组分：
所述的聚丙烯树脂为一种间规聚丙烯(sPP),其熔融指数≥1.5g/10min；
所述的热塑性弹性体为TPU、TPEE、TPES、TPV、SEBS、TPO、POE或EVA中的至少一种；
所述的导电炭黑选用乙炔炭黑或超导电炭黑，为提高挤出加工性，较好选用超导电炭黑，粒径为15 30nm，BET比表面积应不小于200m2/g；当选用超导电炭黑时，其添加量为乙炔炭黑添加量的20％～30％，超导电炭黑的吸碘值为950-1500mg/g，吸油值为300-460cc/100g，325 目筛余物＜10ppm。
所述的抗氧剂为445、1010、1035、1330中的至少一种；
所述的抗铜剂为1024、697、MB和甲基苯丙三氮唑中的至少一种；
所述的润滑剂润滑剂为润滑剂氟化物、硅酮、EBS、聚丙烯蜡、聚乙烯蜡、硬脂酸钙和硬脂酸锌中的至少一种；
所述的水树抑制剂为聚乙二醇、含酰胺基脂肪酸脂、乙氧基化的脂肪酸或丙氧基化的脂肪酸中的至少一种。
B、绝缘层所用聚丙烯绝缘料是共混改性聚丙烯绝缘料，其包括以下重量份数的组分：
所述的聚丙烯树脂为一种间规聚丙烯(sPP),其熔融指数≥1.5g/10min；
所述的热塑性弹性体为TPU、TPEE、TPES、TPV、SEBS、TPO、POE或EVA中的至少一种；
所述的抗氧剂为445、1010、1035、1330中的至少一种；
所述的抗铜剂为1024、697、MB和甲基苯丙三氮唑中的至少一种；
或者，聚丙烯绝缘料采用牌号为PP-JR-35的共聚改性聚丙烯绝缘料。
C、半导电绝缘屏蔽层所用聚丙烯半导电绝缘屏蔽料是不可剥离聚丙烯半导电绝缘屏蔽料或可剥离聚丙烯半导电绝缘屏蔽料；
不可剥离聚丙烯半导电绝缘屏蔽料与所述聚丙烯基半导电导体屏蔽料相同；
可剥离聚丙烯半导电绝缘屏蔽料包括以下重量份数的组分：
所述的聚丙烯树脂为一种等规聚丙烯(iPP),熔体流动速率≤1.8g/10min(210℃/2.16kg)、熔点≥160℃、密度0.890±0.010g/cm3；
所述的改性乙烯-丙烯酸酯共聚物为美国杜邦Appeel系列树脂中的一种，包括53007、 53071、20D8；
所述的高密度聚乙烯的熔体流动速率≥8g/10min(190℃/2.16kg)、熔点≥130℃；
所述的导电炭黑选用乙炔炭黑或超导电炭黑，为提高挤出加工性，较好选用超导电炭黑，粒径为15-30nm，BET比表面积应不小于200m2/g，当选用超导电炭黑时，其添加量为乙炔炭黑添加量的20％～30％，超导电炭黑的吸碘值为950-1500mg/g，吸油值为300-460cc/100g，325 目筛余物＜10ppm；
所述的纳米碳材为石墨烯薄片、单壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的一种；
所述的润滑剂为硅酮、EBS、聚丙烯蜡、聚乙烯蜡、硬脂酸钙和硬脂酸锌中的至少一种；
所述的抗氧剂为445、1010、1035、1330中的至少一种；
所述的抗铜剂为1024、697、MB和甲基苯丙三氮唑中的至少一种。
与现有技术相比，本发明创造的优点如下：
1、区别于目前XLPE绝缘及屏蔽需交联的工艺要求，本发明创造，根据聚丙烯绝缘及屏蔽材料热塑性的属性，提出了一种中压聚丙烯绝缘线芯的三层共挤生产方法，用于聚丙烯基半导电导体屏蔽料、聚丙烯绝缘料以及聚丙烯基半导电绝缘屏蔽料的三层共挤，并结合材料配方设计及装备改进方案，给出了基于不同材料组合的中压聚丙烯绝缘线芯制备工艺。三层共挤的生产方式，保证了电缆绝缘的洁净度，减少了绝缘中的杂质、气孔，保证了电缆绝缘长期运行的有效性。
2、提供的聚丙烯绝缘及屏蔽材料无需交联的挤出工艺，大幅降低了能源需求(XLPE需持续提供300℃到450℃的交联环境)，产品生产后可直接转序，无需XLPE绝缘线芯的脱气过程，明显地提高了生产效率(与XLPE绝缘线芯相比，生产周期缩减2/3)，特别适合大长度生产；
3、本发明创造中，采用的共混改性或共聚改性聚丙烯绝缘料，其耐电压水平高，长期工作温度能够达到105℃，可大幅提高电缆的载流量、降低系统损耗；
4、本发明创造中，所用的导体屏蔽、共混改性聚丙烯绝缘料、绝缘屏蔽为企业自主开发，所用的共聚改性聚丙烯绝缘料为国内石化企业自主开发避免了对进口材料的依赖，聚丙烯树脂产量丰富，成本普遍低于聚乙烯树脂，推广使用对带动上下游经济具有突出的作用。
5、聚丙烯材料是热塑性材料，可以回收、降解再利用，具有环保特性，符合国家提出地‘双碳’战略，是一种全生命周期中更绿色环保的材料，推广使用具有极大地社会效益。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1为实施例中，线芯的径向截面示意图。
图中：导体1、半导电导体屏蔽层2、绝缘层3、半导电绝缘屏蔽层4。
图2为螺杆结构的几何形状示意图。
具体实施方式
为了更了解本发明创造的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。其中实施例1线芯型号规格为：PV-8.7/15kV 1*70,实施例2线芯型号规格为：PV-26/35kV1*300。
实施例1：
一种中压电力电缆聚丙烯绝缘线芯的制造方法，步骤包括：1)在导体外包裹半导电导体屏蔽层；2)再包裹绝缘层；3)再包裹半导电绝缘屏蔽层；
所述步骤1)在导体外包裹半导电导体屏蔽层2：
半导电导体屏蔽层是挤包的聚丙烯基半导电导体屏蔽料，半导电导体屏蔽层的标称厚度 0.8mm，平均厚度0.60mm,最薄点厚度0.50mm。
所述步骤2)再包裹绝缘层3：
绝缘层是由共混改性聚丙烯绝缘料挤包构成，绝缘标称厚度4.5mm，平均厚度4.50mm, 最薄点厚度3.95mm。
所述步骤3)再包裹半导电绝缘屏蔽层4：
半导电绝缘屏蔽层是挤包不可剥离聚丙烯基半导电绝缘屏蔽料构成，绝缘屏蔽标称厚度 0.8mm，平均厚度0.60mm,最薄点厚度0.50mm。
所述步骤1)～3)中，半导电导体屏蔽层的聚丙烯基半导电导体屏蔽料、共混改性聚丙烯绝缘料和不可剥离聚丙烯基半导电绝缘屏蔽料通过三层共挤包覆在导体上。三层共挤的工艺要求为：
自进料到出料方向，三层共挤机身温度控制如下：
聚丙烯基半导电导体屏蔽料在Φ60挤出机进行挤出，挤出机一区至四区温度依次为： 100℃/140℃/190℃/190℃；
共混改性聚丙烯绝缘料在Φ150挤出机进行挤出，挤出机一区至六区温度依次为：80℃ /130℃/175℃/190℃/195℃/195℃；
不可剥离聚丙烯基半导电绝缘屏蔽料在Φ90挤出机进行挤出，挤出机一区至五区温度依次为：100℃/140℃/190℃/190℃/190℃；
其中：一区为入料段，二区和三区为塑化段，四区及以后为均化段；
聚丙烯基半导电导体屏蔽挤出机(Φ60)使用20目+80目+20目的滤网；
共混改性聚丙烯绝缘挤出机(Φ150)使用80目+200目+80目+20目的滤网；
不可剥离聚丙烯半导电绝缘屏蔽挤出机(Φ90)使用20目+80目+20目的滤网；
聚丙烯基半导电导体屏蔽挤出机(Φ60)机颈段温度为190℃；
共混改性聚丙烯绝缘挤出机(Φ150)机颈段温度为195℃；
不可剥离聚丙烯半导电绝缘屏蔽挤出机(Φ90)机颈段温度为190℃；
聚丙烯基半导电导体屏蔽挤出机(Φ60)、共混改性聚丙烯绝缘挤出机(Φ150)、不可剥离聚丙烯半导电绝缘屏蔽挤出机(Φ90)使用三层共挤机头，机头采用油热模温仪加热，温度设定为225℃/225℃。
上述所有温度设定均允许有±5℃偏差。
挤出后选用第2冷却系统，直接水冷，冷却水温度10℃～20℃。
本例中，聚丙烯基半导电导体屏蔽料和不可剥离聚丙烯半导电绝缘屏蔽料包括以下性能要求及重量份数的组分：
聚丙烯：间规聚丙烯(sPP)，市售，熔融指数1.6g/10min，重量份数为60份；
热塑性弹性体：为苯乙烯类热塑性弹性体TPES，市售，重量份数为20份；
导电炭黑：超导电炭黑，卡博特，VXC500，重量份数为40份；
抗氧剂：1010，市售，重量份数为1.5份；
抗铜剂：1024，市售，重量份数为0.5份；
润滑剂：聚乙烯蜡和硬脂酸钙复配润滑剂，复配比例2：1，重量份数为1.5份；
水树抑制剂：聚乙二醇，市售，重量份数为1份；
本例中，共混改性聚丙烯绝缘料包括以下性能要求及重量份数的组分：
聚丙烯：间规聚丙烯(sPP)，市售，熔融指数2.0g/10min，重量份数为90份；
热塑性弹性体：SEBS，市售，重量份数为9份；
抗氧剂：1010，市售，重量份数为0.8份；
抗铜剂：1024，市售，重量份数为0.2份；
经过检测，本例中，电缆线芯的性能参数如下：
1、例行交流电压试验：在导体与金属屏蔽之间按照NEN-HD 620S2标准施加40kV,15min 的工频交流电压，电缆未击穿。
2、局部放电试验：在导体与金属屏蔽之间施加1.73U0，无任何超过声明灵敏度(5pC或更优)的可测放电。
3、弯曲试验及随后的局部放电试验：
弯曲试验圆柱体的直径应为：
20(D+d)±5％ 单芯非铠装
弯曲三次；随后的局部放电试验，无任何超过声明灵敏度(5pC或更优)的可测放电。(D ——弯芯直径，d——电缆直径)
4、室温下tanδ的测量：交流电压U0下，tanδ测量值应不高于20×10-4，实测1.5×10-4。
5、加热循环试验：加热循环应持续至少8h，每一加热过程中，超过导体最高运行温度 (5-10)℃，维持至少2h，随后空气中自然冷却至少3h，使导体温度不超过环境温度10℃。重复循环20次。第20次循环后，进行局部放电试验，无任何超过声明灵敏度(5pC或更优) 的可测放电。
经受热循环时，试样应按GB/T 3048.11-2007的规定进行至少一次超过导体最高运行温度(5-10)℃时tanδ的测量。在交流电压U0下，tanδ测量值应不高于40×10-4，实测4.3×10-4。
第20个循环结束后，应按GB/T 3048.11-2007的规定进行室温下tanδ的测量。交流电压U0下，tanδ测量值应不高于20×10-4，实测1.6×10-4。
6、冲击电压试验及随后的工频电压试验：导体温度超过导体最高运行温度(5-10)℃，施加符合GB/T 12706要求的冲击电压，10次正极性冲击电压，电缆未击穿；在冲击电压试验后，进行例行交流电压试验，绝缘未击穿。
7、4h电压试验：试验电压峰值40kV。电压应逐渐升高至规定值，绝缘未击穿。
8、在老化前和100℃*7d老化后，聚丙烯基半导电导体屏蔽体积电阻率应不超过1000 Ω·m，实测老化前5Ω·m，老化后8Ω·m；不可剥离聚丙烯基半导电绝缘屏蔽体积电阻率应不超过500Ω·m，实测老化前3Ω·m，老化后6Ω·m。
9、绝缘机械性能：老化前抗张强度不小于20MPa，断裂伸长率不小于350％，实测老化前抗张强度30MPa，断裂伸长率750％；经135*10d老化后，抗张强度不小于20MPa，断裂伸长率不小于350％，实测老化后抗张强度32MPa，断裂伸长率670％。
10、绝缘高温压力试验：k取0.7，130℃×6h试验后，压痕深度不超过10％，实测5％。
11、绝缘吸水试验：经85℃×336h试验后，吸水≤1.0mg/cm2，实测0.2mg/cm2。
12、绝缘收缩试验：标记距离200mm，130℃×1h试验后，收缩率≤4％，实测1％。
实施例2：
一种中压电力电缆聚丙烯绝缘线芯的制造方法，步骤包括：1)在导体外包裹半导电导体屏蔽层；2)再包裹绝缘层；3)再包裹半导电绝缘屏蔽层；其特征是
所述步骤1)在导体外包裹半导电导体屏蔽层：
半导电导体屏蔽层是挤包的聚丙烯基半导电导体屏蔽料，导体屏蔽标称厚度1.0mm，平均厚度0.80mm,最薄点厚度0.60mm。
所述步骤2)再包裹绝缘层：
绝缘层是由共聚改性聚丙烯绝缘料挤包构成，绝缘标称厚度10.5mm，平均厚度10.5mm, 最薄点厚度9.35mm。
所述步骤3)再包裹半导电绝缘屏蔽层：
半导电绝缘屏蔽层是挤包可剥离聚丙烯基半导电绝缘屏蔽料构成，绝缘屏蔽标称厚度 0.8mm，平均厚度0.60mm,最薄点厚度0.50mm。
所述步骤1)～3)中，半导电导体屏蔽层的聚丙烯基半导电导体屏蔽料、共聚改性聚丙烯绝缘料和可剥离聚丙烯基半导电绝缘屏蔽料通过三层共挤包覆在导体上。三层共挤的工艺要求为：
自进料到出料方向，三层共挤机身温度控制如下：
聚丙烯基半导电导体屏蔽料在Φ100挤出机进行挤出，挤出机一区至四区温度依次为： 100℃/130℃/210℃/210℃；
共聚改性聚丙烯绝缘料在Φ175挤出机进行挤出，挤出机一区至六区温度依次为：80℃ /140℃/200℃/225℃/225℃/225℃；
可剥离聚丙烯基半导电绝缘屏蔽料在Φ100挤出机进行挤出，挤出机一区至五区温度依次为：100℃/140℃/210℃/220℃/220℃；
其中：一区为入料段，二区和三区为塑化段，四区及以后为均化段；
聚丙烯基半导电导体屏蔽挤出机(Φ100)使用20目+80目+20目的滤网；
共聚改性聚丙烯绝缘挤出机(Φ175)使用80目+200目+80目+20目的滤网；
可剥离聚丙烯半导电绝缘屏蔽挤出机(Φ100)使用20目+80目+20目的滤网；
聚丙烯基半导电导体屏蔽挤出机(Φ100)机颈段温度为200℃；
共聚改性聚丙烯绝缘挤出机(Φ175)机颈段温度为225℃；
可剥离聚丙烯半导电绝缘屏蔽挤出机(Φ100)机颈段温度为220℃；
聚丙烯基半导电导体屏蔽挤出机(Φ100)、共聚改性聚丙烯绝缘挤出机(Φ175)、可剥离聚丙烯半导电绝缘屏蔽挤出机(Φ100)使用三层共挤机头，机头采用油热模温仪加热，温度设定为245℃/245℃。
上述所有温度设定均允许有±5℃偏差。
挤出后先氮气冷却，冷却温度设定到120℃～20℃，再采用冷水冷却，冷却水温度10℃～ 30℃。
挤出后采用第1冷却系统，第1冷却段通过加压氮气进行冷却，冷却氮气压力不少于8Mpa, 氮气温度设定从100℃～20℃，第2冷却段通过冷却水进行再降温，冷却水的水温是10℃～ 40℃。
本例中，聚丙烯基半导电导体屏蔽料包括以下性能要求及重量份数的组分：
聚丙烯：间规聚丙烯(sPP)，市售，熔融指数1.6g/10min，重量份数为60份；
热塑性弹性体：为苯乙烯类热塑性弹性体TPES，市售，重量份数为20份；
导电炭黑：超导电炭黑，卡博特VXC500，重量份数为40份；
抗氧剂：1010，市售，重量份数为1.5份；
抗铜剂：1024，市售，重量份数为0.5份；
润滑剂：聚乙烯蜡和硬脂酸钙复配润滑剂，复配比例2：1，重量份数为1.5份；
水树抑制剂：聚乙二醇，市售，重量份数为1份；
本例中，共聚改性聚丙烯绝缘料为外购，石化企业牌号为PP-JR-35；
本例中，所述可剥离聚丙烯半导电绝缘屏蔽料，包括以下性能要求及重量份数的组分：
聚丙烯：等规聚丙烯(iPP)，市售，熔体流动速率1.8g/10min(210℃/2.16kg)、熔点160℃、密度0.890g/cm3，重量份数为25份；
改性乙烯-丙烯酸酯共聚物：美国杜邦Appeel系列53007，重量份数为30份；
高密度聚乙烯：市售，熔体流动速率8g/10min(190℃/2.16kg)、熔点140℃，重量份数为55份；
超导电炭黑：卡博特VXC500，重量份数为35份；
纳米碳材：单壁碳纳米管,市售，重量份数为5份；
润滑剂：硅酮和EBS复配润滑剂，复配比例2：1，重量份数为2.5份；
抗氧剂：445和1010复配润滑剂，复配比例2：1，重量份数为2.0份；
抗铜剂：1024和697复配润滑剂，复配比例3：1，重量份数为1.2份；
经过检测，本例中，电缆线芯的性能参数如下：
1、例行交流电压试验：在导体与金属屏蔽之间按照GB/T12706.3标准施加65kV,30min 的工频交流电压，电缆未击穿。
2、局部放电试验：在导体与金属屏蔽之间施加1.73U0，无任何超过声明灵敏度(5pC或更优)的可测放电。
3、弯曲试验及随后的局部放电试验：
弯曲试验圆柱体的直径应为：
20(D+d)±5％ 单芯非铠装
弯曲三次；随后的局部放电试验，无任何超过声明灵敏度(5pC或更优)的可测放电。(D ——弯芯直径，d——电缆直径)
4、室温下tanδ的测量：交流电压U0下，tanδ测量值应不高于20×10-4，实测2.5×10-4。
5、加热循环试验：加热循环应持续至少8h，每一加热过程中，超过导体最高运行温度 (5-10)℃，维持至少2h，随后空气中自然冷却至少3h，使导体温度不超过环境温度10℃。重复循环20次。第20次循环后，进行局部放电试验，无任何超过声明灵敏度(5pC或更优) 的可测放电。
经受热循环时，试样应按GB/T 3048.11-2007的规定进行至少一次超过导体最高运行温度(5-10)℃时tanδ的测量。在交流电压U0下，tanδ测量值应不高于40×10-4，实测6.5×10-4。
第20个循环结束后，应按GB/T 3048.11-2007的规定进行室温下tanδ的测量。交流电压U0下，tanδ测量值应不高于20×10-4，实测2.5×10-4。
6、冲击电压试验及随后的工频电压试验：导体温度超过导体最高运行温度(5-10)℃，施加符合GB/T 12706.3要求的冲击电压，10次正极性冲击电压，电缆未击穿；在冲击电压试验后，进行例行交流电压试验，绝缘未击穿。
7、4h电压试验：试验电压峰值84kV。电压应逐渐升高至规定值，绝缘未击穿。
8、在老化前和100℃*7d老化后，聚丙烯基半导电导体屏蔽体积电阻率应不超过1000 Ω·m，实测老化前6Ω·m，老化后9Ω·m；可剥离聚丙烯基半导电绝缘屏蔽体积电阻率应不超过500Ω·m，实测老化前12Ω·m，老化后23Ω·m。
9、绝缘机械性能：老化前抗张强度不小于20MPa，断裂伸长率不小于350％，实测老化前抗张强度24MPa，断裂伸长率750％；经135*10d老化后，抗张强度不小于20MPa，断裂伸长率不小于350％，实测老化后抗张强度26MPa，断裂伸长率570％。
10、绝缘高温压力试验：k取0.7，130℃×6h试验后，压痕深度不超过50％，实测6％。
11、绝缘吸水试验：经85℃×336h试验后，吸水≤1.0mg/cm2，实测0.2mg/cm2。
12、绝缘收缩试验：标记距离200mm，130℃×1h试验后，收缩率≤4％，实测1.5％。
13、绝缘屏蔽可剥离试验：试验应在老化前和老化后的样品上各进行3次，剥离角度180°，剥离速度(250±50)mm/min,取3次测试的平均值作为最终测量值，绝缘屏蔽的剥离力应不小于4N和不大于60N。实测老化前绝缘屏蔽剥离力为53N，老化后绝缘屏蔽剥离力为50N，剥离后绝缘表面无损伤，及残留的半导电屏蔽痕迹。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (9)
1.一种中压聚丙烯绝缘线芯的三层共挤生产方法，用于在导体外包裹自内而外的半导电导体屏蔽层、绝缘层和半导电绝缘屏蔽层；
三层共挤生产系统采用具有独立供料系统的三台挤塑机分别对三个层所用电缆料进行熔融和挤出；挤出的电缆料经各自挤塑机的机颈段到达三层共挤生产系统的三层共挤机头；
其特征是半导电导体屏蔽层所用电缆料是聚丙烯基半导电导体屏蔽料；绝缘层所用电缆料是聚丙烯绝缘料；半导电绝缘屏蔽层所用电缆料是聚丙烯基半导电绝缘屏蔽料；
采用第一、二和三挤塑机分别挤出聚丙烯基半导电导体屏蔽料、聚丙烯绝缘料和聚丙烯基半导电绝缘屏蔽料；
三层共挤机头通过独立的加温系统，实现机头部位的加热，加温系统应提供三层共挤机头最低不小于200℃的挤出环境；
三层共挤的步骤包括：
1)设备装配及检查：将供料系统、挤出系统、冷却系统、控制系统、测偏系统依次连接、启动；
供料系统包括：洁净料房、专用输料管道、吸料器、料位报警装置、料斗；
挤出系统包括：第一挤塑机、第二挤塑机、第三挤塑机、三层共挤机头、模具、挤塑机的加温系统和三层共挤机头的加温系统；塑料通过挤出系统塑化成均匀的熔体，并在这一过程中建立压力，被螺杆连续地挤向机头；
冷却系统包括：第1冷却系统或第2冷却系统；
控制系统包括：传动控制和温度控制，实现对挤塑工艺包括温度、压力、螺杆转速、螺杆冷却、机筒冷却、制品冷却和外径即挤包厚度的控制，以及牵引速度、整齐排线和保证收线盘上从空盘到满盘的恒张力收线控制；
测偏系统包括：在线测偏仪；
2)塑化和挤出
第一挤塑机：导体屏蔽料通过供料系统到达挤塑机，挤塑机自进料到出料方向，挤塑机的机身温度设定：80℃～200℃；挤塑机的机颈段温度为190℃～200℃；
第二挤塑机：绝缘料通过供料系统到达挤塑机，挤塑机自进料到出料方向，对于共混改性聚丙烯绝缘料挤出时，挤塑机的机身温度设定：80℃～210℃；对于共聚改性聚丙烯绝缘料挤出时，挤塑机的机身温度设定：80℃～240℃；挤塑机的机颈段温度为195℃～240℃；
第三挤塑机：绝缘屏蔽料通过供料系统到达挤塑机，挤塑机自进料到出料方向：对于可剥离聚丙烯半导电绝缘屏蔽料挤出时，挤塑机的机身温度设定：100℃～220℃；对于不可剥离聚丙烯半导电绝缘屏蔽料挤出时，挤塑机的机身温度设定：80℃～200℃；
第三挤塑机的机颈段温度为190℃～220℃；
第一挤塑机、第二挤塑机、第三挤塑机均配有独立的循环冷却系统；
三层共挤系统的三层共挤机头，温度为215℃～275℃；
三台挤出机各区温度，应结合材料配方特点，根据实际挤出料温及表观质量在上述温度范围内进行调整；
3)冷却：
对于挤出后的线芯：采用第1冷却系统先采用氮气冷却，再采用冷水冷却；
或者采用第2冷却系统直接水冷却。
2.根据权利要求1所述的一种中压聚丙烯绝缘线芯的三层共挤生产方法，其特征是
所述第二挤塑机中的螺杆是分离型螺杆，在挤出机机筒的熔融段对应的螺杆的主螺棱旁再加一道辅助螺棱，螺槽主螺棱的前缘一边划分为熔体槽，而将螺槽主螺棱后缘一边划分为固体槽；
辅助螺棱与机筒的间隙为0.38mm～0.76mm，仅容许固体槽中由固体床生成的熔体流进熔体槽，而阻挡使未熔化的电缆料进入；电缆料进入挤塑机的螺槽和料筒内壁时，被压实形成固体床；
第二挤塑机的螺杆结构参数设定如下：
螺杆的直径Ds：150mm；
螺杆长径比L/DS：25～28；
螺杆的几何压缩比：ε＝2.5～4。
3.根据权利要求1所述的一种中压聚丙烯绝缘线芯的三层共挤生产方法，其特征是通过3台高温模温仪和辅助电加热环来实现三层共挤机头的加热；加温系统提供了三层共挤机头最低不小于200℃的挤出环境。
4.根据权利要求1所述的一种中压聚丙烯绝缘线芯的三层共挤生产方法，其特征是在机头的出口与冷却铸造之间设有测偏仪用于线芯的在线测偏。
5.根据权利要求1所述的一种中压聚丙烯绝缘线芯的三层共挤生产方法，其特征是
所述的第1冷却系统，分为第1冷却段和第2冷却段；在第1冷却段内通过加压氮气进行冷却，冷却氮气压力不少于8Mpa，氮气温度设定从100℃～20℃；第2冷却段通过冷却水进行再降温，冷却水的水温是10℃～40℃；第1冷却系统适用绝缘层的厚度范围：2.5mm～19.0mm；
所述的第2冷却系统，分为第1冷却段和第2冷却段；
是绝缘线芯挤出后直接进入冷却水管，此时，第1冷却段内充满冷却水，第2冷却段通过冷却水进行再降温，冷却水的水温是10℃～40℃；第2冷却系统适用绝缘层的厚度范围：2.5mm～10.5mm。
6.根据权利要求1所述的一种中压聚丙烯绝缘线芯的三层共挤生产方法，其特征是所述导体1是第二类绞合紧压铜导体或第二类绞合紧压铝导体，导体的直流电阻和单丝根数符合IEC 60228的要求。
7.根据权利要求1所述的一种中压聚丙烯绝缘线芯的三层共挤生产方法，其特征是半导电导体屏蔽层所用聚丙烯基半导电导体屏蔽料包括以下重量份数的组分：
所述的聚丙烯树脂为一种间规聚丙烯(sPP),其熔融指数≥1.5g/10min；
所述的热塑性弹性体为TPU、TPEE、TPES、TPV、SEBS、TPO、POE或EVA中的至少一种；
所述的导电炭黑选用乙炔炭黑或超导电炭黑，为提高挤出加工性，较好选用超导电炭黑，粒径为15 30nm，BET比表面积应不小于200m2/g；当选用超导电炭黑时，其添加量为乙炔炭黑添加量的20％～30％，超导电炭黑的吸碘值为950-1500mg/g，吸油值为300-460cc/100g，325目筛余物＜10ppm；
所述的抗氧剂为445、1010、1035、1330中的至少一种；
所述的抗铜剂为1024、697、MB和甲基苯丙三氮唑中的至少一种；
所述的润滑剂为润滑剂氟化物、硅酮、EBS、聚丙烯蜡、聚乙烯蜡、硬脂酸钙和硬脂酸锌中的至少一种；
所述的水树抑制剂为聚乙二醇、含酰胺基脂肪酸脂、乙氧基化的脂肪酸或丙氧基化的脂肪酸中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的一种中压聚丙烯绝缘线芯的三层共挤生产方法，其特征是绝缘层所用聚丙烯绝缘料是共混改性聚丙烯绝缘料，其包括以下重量份数的组分：
所述的聚丙烯树脂为一种间规聚丙烯(sPP),其熔融指数≥1.5g/10min；
所述的热塑性弹性体为TPU、TPEE、TPES、TPV、SEBS、TPO、POE或EVA中的至少一种；
所述的抗氧剂为445、1010、1035、1330中的至少一种；
所述的抗铜剂为1024、697、MB和甲基苯丙三氮唑中的至少一种；
或者，聚丙烯绝缘料采用牌号为PP-JR-35的共聚改性聚丙烯绝缘料。
9.根据权利要求1所述的一种中压聚丙烯绝缘线芯的三层共挤生产方法，其特征是半导电绝缘屏蔽层所用聚丙烯半导电绝缘屏蔽料是不可剥离聚丙烯半导电绝缘屏蔽料或可剥离聚丙烯半导电绝缘屏蔽料；
不可剥离聚丙烯半导电绝缘屏蔽料与所述聚丙烯基半导电导体屏蔽料相同；
可剥离聚丙烯半导电绝缘屏蔽料包括以下重量份数的组分：
所述的聚丙烯树脂为一种等规聚丙烯(iPP),熔体流动速率≤1.8g/10min(210℃/2.16kg)、熔点≥160℃、密度0.890±0.010g/cm3；
所述的改性乙烯-丙烯酸酯共聚物为美国杜邦Appeel系列树脂中的一种，包括53007、53071、20D8；
所述的高密度聚乙烯的熔体流动速率≥8g/10min(190℃/2.16kg)、熔点≥130℃；
所述的导电炭黑选用乙炔炭黑或超导电炭黑，为提高挤出加工性，较好选用超导电炭黑，粒径为15-30nm，BET比表面积应不小于200m2/g，当选用超导电炭黑时，其添加量为乙炔炭黑添加量的20％～30％，超导电炭黑的吸碘值为950-1500mg/g，吸油值为300-460cc/100g，325目筛余物＜10ppm；
所述的纳米碳材为石墨烯薄片、单壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的一种；
所述的润滑剂为硅酮、EBS、聚丙烯蜡、聚乙烯蜡、硬脂酸钙和硬脂酸锌中的至少一种；
所述的抗氧剂为445、1010、1035、1330中的至少一种；
所述的抗铜剂为1024、697、MB和甲基苯丙三氮唑中的至少一种。
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