CN115547564B - 一种高阻燃耐撕裂光伏电缆及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高阻燃耐撕裂光伏电缆，包括由内至外的缆芯、辐照交联聚烯烃绝缘层和辐照交联聚烯烃护套；辐照交联聚烯烃绝缘层由聚烯烃基料、光引发剂、叔丁基对苯二酚及聚乙烯蜡制成，其中聚烯烃基料为改性聚丙烯；本发明还公开了该高阻燃耐撕裂光伏电缆的制备工艺，步骤为：按重量配比分别称取辐照交联聚烯烃绝缘层和辐照交联聚烯烃护套的原料，加入到双螺杆挤出机中熔融共混，挤出造粒，再依次使用紫外光辐照交联设备进行挤塑包覆，即得高阻燃耐撕裂光伏电缆。本发明提供的光伏电缆具有高阻燃、耐撕裂、防紫外线、耐臭氧、耐辐照老化等优异的综合性能。

Description

一种高阻燃耐撕裂光伏电缆及其制备工艺
技术领域
本发明属于光伏电缆技术领域，具体涉及一种高阻燃耐撕裂光伏电缆及其制备工艺。
背景技术
太阳能作为一种绿色能源得到了大力推广，这带动了与太阳能光伏项目配套的光伏电缆的发展。光伏电缆长年暴露在空气中，运行期间持续受到紫外线、臭氧、高低温度剧烈变化和化学侵蚀等各种自然环境因素的影响，因此电缆必须具有优良的耐热、耐寒、耐酸碱、耐紫外线、耐臭氧等性能，以确保电缆的使用寿命，降低光伏发电系统故障频次和维护费用。
申请号为201710795400.X的专利提供了一种耐撕裂光伏电缆，原料包括基材、过氧化二异丙苯、二亚乙基三胺、2-羟基三乙胺、氧化镧、硬脂酸、增塑剂、改性椰壳纤维、纳米二氧化钛、滑石粉、重质碳酸钙、海泡石粉、玻璃纤维、四季戊四醇酯、防老剂4010NA和对苯二胺，该发明提供的光伏电缆具有优异的机械性能，其抗张强度与断裂伸长率极高，而且具有优异的阻燃和抗热老化性能；但其原料组成复杂，导致生产成本增加，且在基材有机高分子聚合物中添加无机或小分子助剂，导致原料组分间相容性较差，无机或小分子助剂对产品的综合性能提升作用不明显；此外，原料基材中含有卤素聚合物，当光伏电缆布设在严酷的环境中使用时，遇到高温或燃烧易产生大量有害的腐蚀性卤酸气体和浓烟，从而造成“二次灾害”。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种高阻燃耐撕裂光伏电缆及其制备工艺，该高阻燃耐撕裂光伏电缆具有无卤、高阻燃、耐撕裂、防紫外线、耐臭氧、耐辐照老化等性能，符合太阳能光伏系统对电缆的使用要求，市场前景较广。
本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：
一种高阻燃耐撕裂光伏电缆，包括由内至外的缆芯、辐照交联聚烯烃绝缘层和辐照交联聚烯烃护套；
所述辐照交联聚烯烃绝缘层由以下重量份数的原料制成：
聚烯烃基料80-110份，光引发剂0.1-4.0份，叔丁基对苯二酚0.1-1.5份，聚乙烯蜡0.1-1.0份；
所述聚烯烃基料为改性聚丙烯，改性聚丙烯的制备工艺如下：
S1、在氮气氛围下，向反应器中加入聚丙烯、丙烯酸、二甲苯和水，升温至50-55℃，搅拌80-95min，再升温至90-100℃，依次加入过氧化二苯甲酰和异氰尿酸三烯丙酯，继续搅拌90-110min，冷却至室温，过滤，取滤渣，经水洗、干燥，得中间体1；
S2、向装有回流冷凝装置的反应器中依次加入步骤S1所得中间体1、1,2,5,6-二环氧己烷、乙酸铬和二甲苯，升温至100-105℃，搅拌4-5h，冷却至室温，过滤，取滤渣，用环己烷洗涤，干燥，得中间体2；
S3、向装有回流冷凝装置的反应器中依次加入步骤S2所得中间体2、磷酸和二甲苯，升温至65-80℃，搅拌5-7h，冷却至室温，过滤，取滤渣，将滤渣溶解于二甲苯中，然后在丙酮中沉降10-12h，沉降完成后取沉降物，干燥，即得改性聚丙烯；
改性聚丙烯的合成路线如下：
Figure BDA0003880201190000021
Figure BDA0003880201190000031
作为本发明的进一步改进，步骤S1中所述反应器中丙烯酸、聚丙烯和水的质量比为1:2-3:7-9。
作为本发明的进一步改进，步骤S2中所述1,2,5,6-二环氧己烷与中间体1的质量比为1:2-4。
作为本发明的进一步改进，步骤S3中所述中间体2与磷酸的质量比为1:1.5-3.0。
作为本发明的进一步改进，所述缆芯为铜导体或镀锡铜导体，所述辐照交联聚烯烃护套由以下重量份数的原料制成：聚乙烯80-100份，光引发剂0.1-4.0份，叔丁基对苯二酚0.1-1.5份，聚乙烯蜡0.1-1.0份，双甲基丙烯酸乙二醇酯1-2份。
作为本发明的进一步改进，所述辐照交联聚烯烃绝缘层和辐照交联聚烯烃护套的原料中光引发剂相同，光引发剂为2-羟基-2-甲基苯基丙烷-1-酮、1-羟基环已基苯基甲酮、安息香双甲醚、4-甲基二苯甲酮、4-二甲氨基苯甲酸乙酯、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦、苯甲酰甲酸甲酯中的一种或几种共混物，其中优选为4-二甲氨基苯甲酸乙酯和苯甲酰甲酸甲酯共混物。
本发明还提供一种高阻燃耐撕裂光伏电缆的制备工艺，包括如下步骤：
A1、辐照交联聚烯烃绝缘层混炼造粒：按重量配比称取聚烯烃基料、光引发剂、叔丁基对苯二酚和聚乙烯蜡，经加热、搅拌混合均匀得混合物料，将混合物料加入到双螺杆挤出机中熔融共混后，挤出造粒，得粒料1；
A2、辐照交联聚烯烃护套混炼造粒：按重量配比称取聚乙烯、光引发剂、叔丁基对苯二酚、聚乙烯蜡和双甲基丙烯酸乙二醇酯，经加热、搅拌混合均匀得混合物料，将混合物料加入到双螺杆挤出机中熔融共混后，挤出造粒，得粒料2；
A3、辐照交联聚烯烃绝缘层挤塑包覆：使用紫外光辐照交联设备，将紫外光照箱安放在距塑料挤出机头200-650mm处，将步骤A1所得粒料1加入预热到160-220℃的塑料挤出机内，在机头温度215-240℃下将混合料挤出，使挤塑包覆在缆芯上的聚烯烃绝缘层尚处于熔融状态而未发生偏心的情况下进入紫外光照箱中进行紫外光辐照交联，得缆芯1；
A4、辐照交联聚烯烃护套挤塑包覆：缆芯1进入另一台塑料挤出机进行辐照交联聚烯烃护套挤塑包覆；使用紫外光辐照交联设备，将紫外光照箱安放在距塑料挤出机头200-650mm处，将步骤A2所得粒料2加入预热到130-160℃的塑料挤出机内，在机头温度140-170℃下将混合料挤出，使挤塑包覆在缆芯1上的聚烯烃护套尚处于熔融状态而未发生偏心的情况下进入紫外光照箱中进行紫外光辐照交联，即得高阻燃耐撕裂光伏电缆。
作为本发明的进一步改进，步骤A1与A2中所述加热温度为80-95℃，搅拌转速为100-110r/min，混合时间为1-2h，双螺杆转速为75-80r/min，全区温度为120-210℃。
作为本发明的进一步改进，步骤A3与A4中所述紫外光照箱光源强度为1800-2100mW/cm2，均匀光照时间为0.5-2.5s，光照区工作温度为130-215℃，缆芯牵引速度为5-30m/min。
按上述方案，其中聚丙烯无毒、无味，密度小，强度、刚度、硬度和耐热性均优于低压聚乙烯，具有良好的介电性能和高频绝缘性且不受湿度影响，具有较高的耐热性、良好的力学性能和成型加工性能，但其在低温时易变脆，不耐磨，易老化，且聚丙烯为非极性聚合物，与其他聚合物相容性差，这些缺点限制了聚丙烯在某些领域的应用。对其进行化学改性，在保持聚丙烯原有特性的同时，引入所需的极性基团，可以拓宽其应用领域。本发明以过氧化二甲苯酰(BPO)作为自由基引发剂，引发聚丙烯产生自由基反应活性位点，在异氰尿酸三烯丙酯(TAIC)催化作用下，与丙烯酸发生自由基接枝共聚反应，形成中间体1；中间体1的结构中含有羧基，其作为亲核试剂，在乙酸铬催化作用下与环氧基发生开环反应，形成中间体2；中间体2的结构中含有羟基，其与过量磷酸在加热条件下发生酯化反应，即得改性聚丙烯。
4-二甲基氨基苯甲酸乙酯和苯甲酰甲酸甲酯为活性高、溶解性好、低黄变的光引发剂，在紫外区有较强的吸收，对光致电子转移有促进作用，有利于提高反应活性。以改性聚丙烯为主要原料掺入适量的光引发剂和其他助剂，用紫外光照射，通过光引发剂吸收特定波长的紫外光引发产生改性聚丙烯自由基，自由基之间通过键合作用形成具有三维网状结构的交联聚丙烯材料，经过交联的聚丙烯材料具有优良耐高温性、耐撕裂，优异的电气性能和显著增强的力学性能。
在较高温度下，聚丙烯氧化速度加快，加入有效的抗氧化剂是延长聚丙烯使用寿命的简单而有效的方法。叔丁基对苯二酚是一种酚类抗氧化剂，它安全性好，抗氧化性能高。酚类抗氧化剂作为氢供体，在抗氧化过程中，过氧化物自由基从苯酚中捕获氢生成氢过氧化物和苯氧基自由基，生成的苯氧基自由基与其他过氧基自由基以不同的方式反应生成相对稳定的产物；这些酚类物质既能保护聚合物产品在高温下长时间的稳定性，又能维持熔融聚合物在加工过程中的稳定性。
聚乙烯蜡在聚烯烃粒料体系中能起到润滑分散的作用，增加聚烯烃与各种助剂分子的相容性，增强助剂的分散，并且聚乙烯蜡具有优良的耐寒性、耐热性、耐化学性和耐磨性，加入到聚烯烃粒料体系中，能增加聚烯烃粒料挤出性，提高生产效率，同时能增加产品的加工性能。
磷系阻燃剂是一种火焰抑制剂，其阻燃机理在于磷系化合物受热分解为含磷氧酸，这些含磷氧酸可促使聚合物脱水炭化生成的焦炭层呈石墨状，包裹在聚合物表面，形成致密的保护层，能阻隔内部聚合物与氧接触，焦炭层导热性差，使聚合物与热源隔绝，减缓了热分解，从而起到阻燃的作用；而脱水碳化这一步骤必须依赖聚合物本身的含氧基团，对于聚丙烯来讲，分子结构没有含氧基团，单独使用磷系阻燃剂时阻燃效果不佳，在聚丙烯分子结构中引入含氧基团，即可与磷系阻燃剂产生协同效应，从而得到良好的阻燃效果。
本发明具有如下有益效果：本发明选用无毒无味、强度高、力学性能好的聚丙烯为原料，并对其进行结构改性，显著提高了光伏电缆的高阻燃、耐撕裂、耐辐照老化等性能；在聚丙烯结构中引入羧酸酯基，不仅能使聚丙烯聚合物与小分子助剂结合得更加紧密，增加分子间交联密度，提高光伏电缆的耐撕裂性能，还能削弱聚合物分子链间的应力，增加聚合物分子链的移动性，降低聚合物分子链的结晶度，从而增加聚合物的塑性；在聚丙烯结构中引入磷酸酯基，不仅能与酚类抗氧化剂起协同作用，使叔丁基对苯二酚表现出更加优异的抗氧化性能，还能与酯基共同作用，显著提高光伏电缆的阻燃性能；本发明提供的一种高阻燃耐撕裂光伏电缆具有无卤、高阻燃、耐撕裂、防紫外线、耐臭氧、耐辐照老化等性能。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例，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他实施例，都属于本申请保护的范围。
聚丙烯AW564购自上海杭塑贸易有限公司；2426F聚乙烯购自上海杭塑贸易有限公司；丙烯酸CAS号79-10-7；二甲苯CAS号1330-20-7；过氧化二苯甲酰CAS号94-36-0；异氰尿酸三烯丙酯CAS号1025-15-6；1,2,5,6-二环氧己烷CAS号1888-89-7；乙酸铬CAS号1066-30-4；磷酸CAS号7664-38-2；4-二甲氨基苯甲酸乙酯CAS号10287-53-3；苯甲酰甲酸甲酯CAS号15206-55-0；2-羟基-2-甲基苯基丙烷-1-酮CAS号7473-98-5；叔丁基对苯二酚CAS号1948-33-0；双甲基丙烯酸乙二醇酯CAS号97-90-5；所有化学试剂均为市售。
实施例1
一种改性聚丙烯的制备工艺，包括如下步骤：
S1、在氮气氛围下，向反应器中加入26kg聚丙烯、10kg丙烯酸、40kg二甲苯和78kg水，升温至50℃，搅拌80min，再升温至95℃，依次加入12kg过氧化二苯甲酰和1.6kg异氰尿酸三烯丙酯，继续搅拌90min，冷却至室温，过滤，取滤渣，经70-80℃热水洗涤、干燥，得中间体1；
S2、向装有回流冷凝装置的反应器中依次加入24kg步骤S1所得中间体1、10kg1,2,5,6-二环氧己烷、1.2kg乙酸铬和38kg二甲苯，升温至100℃，搅拌4.5h，冷却至室温，过滤，取滤渣，用环己烷洗涤，干燥，得中间体2；
S3、向装有回流冷凝装置的反应器中依次加入15kg步骤S2所得中间体2、30kg磷酸和25kg二甲苯，升温至70℃，搅拌5h，冷却至室温，过滤，取滤渣，将滤渣加热溶解于二甲苯中，然后在丙酮中沉降12h，沉降完成后取沉降物，干燥，即得改性聚丙烯；
改性聚丙烯的合成路线如下：
Figure BDA0003880201190000061
Figure BDA0003880201190000071
实施例2
一种高阻燃耐撕裂光伏电缆，包括由内至外的缆芯、辐照交联聚烯烃绝缘层和辐照交联聚烯烃护套；所述缆芯为镀锡铜导体；辐照交联聚烯烃绝缘层由以下重量份数的原料制成：聚烯烃基料100份，光引发剂2份，叔丁基对苯二酚0.5份，聚乙烯蜡1份，其中聚烯烃基料为实施例1所制备的改性聚丙烯；辐照交联聚烯烃护套由以下重量份数的原料制成：聚乙烯90份，光引发剂2份，叔丁基对苯二酚0.5份，聚乙烯蜡1份，双甲基丙烯酸乙二醇酯2份；其中辐照交联聚烯烃绝缘层及辐照交联聚烯烃护套的原料中所述光引发剂均为4-二甲氨基苯甲酸乙酯和苯甲酰甲酸甲酯共混物。
一种高阻燃耐撕裂光伏电缆的制备工艺，包括如下步骤：
A1、辐照交联聚烯烃绝缘层混炼造粒：按重量配比称取改性聚丙烯、光引发剂、叔丁基对苯二酚和聚乙烯蜡，经加热、搅拌混合均匀得混合物料，将混合物料加入到双螺杆挤出机中熔融共混后，挤出造粒，得粒料1，其中加热温度为95℃，搅拌转速为100r/min，混合时间为1.5h，双螺杆转速为75r/min，全区温度为200℃；
A2、辐照交联聚烯烃护套混炼造粒：按重量配比称取聚乙烯、光引发剂、叔丁基对苯二酚、聚乙烯蜡和双甲基丙烯酸乙二醇酯，经加热、搅拌混合均匀得混合物料，将混合物料加入到双螺杆挤出机中熔融共混后，挤出造粒，得粒料2，其中加热温度为80℃，搅拌转速为100r/min，混合时间为1.5h，双螺杆转速为75r/min，全区温度为125℃；
A3、辐照交联聚烯烃绝缘层挤塑包覆：使用紫外光辐照交联设备，将紫外光照箱安放在距塑料挤出机头450mm处，将步骤A1所得粒料1加入预热到205℃的塑料挤出机内，在机头温度215℃下将混合料挤出，使挤塑包覆在缆芯上的聚烯烃绝缘层尚处于熔融状态而未发生偏心的情况下进入紫外光照箱中进行紫外光辐照交联，得缆芯1，其中紫外光照箱光源强度为1900mW/cm2，均匀光照时间为1.5s，光照区工作温度为215℃，缆芯牵引速度为10m/min；
A4、辐照交联聚烯烃护套挤塑包覆：缆芯1进入另一台塑料挤出机挤塑包覆辐照交联聚烯烃护套；使用紫外光辐照交联设备，将紫外光照箱安放在距塑料挤出机头450mm处，将步骤A2所得粒料2加入预热到130℃的塑料挤出机内，在机头温度140℃下将混合料挤出，使挤塑包覆在缆芯1上的聚烯烃护套尚处于熔融状态而未发生偏心的情况下进入紫外光照箱中进行紫外光辐照交联，即得高阻燃耐撕裂光伏电缆，其中均匀光照时间为1.5秒，光照区工作温度为140℃，缆芯牵引速度为10米/分钟。
实施例3
一种高阻燃耐撕裂光伏电缆，包括由内至外的缆芯、辐照交联聚烯烃绝缘层和辐照交联聚烯烃护套；所述缆芯为镀锡铜导体；辐照交联聚烯烃绝缘层由以下重量份数的原料制成：聚烯烃基料80份，光引发剂2份，叔丁基对苯二酚0.5份，聚乙烯蜡1份，其中聚烯烃基料为实施例1所制备的改性聚丙烯；辐照交联聚烯烃护套由以下重量份数的原料制成：聚乙烯90份，光引发剂2份，叔丁基对苯二酚0.5份，聚乙烯蜡1份，双甲基丙烯酸乙二醇酯2份；其中辐照交联聚烯烃绝缘层及辐照交联聚烯烃护套的原料中所述光引发剂均为4-二甲氨基苯甲酸乙酯和苯甲酰甲酸甲酯共混物。
实施例4
一种高阻燃耐撕裂光伏电缆，包括由内至外的缆芯、辐照交联聚烯烃绝缘层和辐照交联聚烯烃护套；所述缆芯为镀锡铜导体；辐照交联聚烯烃绝缘层由以下重量份数的原料制成：聚烯烃基料90份，光引发剂2份，叔丁基对苯二酚0.5份，聚乙烯蜡1份，其中聚烯烃基料为实施例1所制备的改性聚丙烯；辐照交联聚烯烃护套由以下重量份数的原料制成：聚乙烯90份，光引发剂2份，叔丁基对苯二酚0.5份，聚乙烯蜡1份，双甲基丙烯酸乙二醇酯2份；其中辐照交联聚烯烃绝缘层及辐照交联聚烯烃护套的原料中所述光引发剂均为4-二甲氨基苯甲酸乙酯和苯甲酰甲酸甲酯共混物。
实施例5
一种高阻燃耐撕裂光伏电缆，包括由内至外的缆芯、辐照交联聚烯烃绝缘层和辐照交联聚烯烃护套；所述缆芯为镀锡铜导体；辐照交联聚烯烃绝缘层由以下重量份数的原料制成：聚烯烃基料110份，光引发剂2份，叔丁基对苯二酚0.5份，聚乙烯蜡1份，其中聚烯烃基料为实施例1所制备的改性聚丙烯；辐照交联聚烯烃护套由以下重量份数的原料制成：聚乙烯90份，光引发剂2份，叔丁基对苯二酚0.5份，聚乙烯蜡1份，双甲基丙烯酸乙二醇酯2份；其中辐照交联聚烯烃绝缘层及辐照交联聚烯烃护套的原料中所述光引发剂均为4-二甲氨基苯甲酸乙酯和苯甲酰甲酸甲酯共混物。
实施例6
一种高阻燃耐撕裂光伏电缆，包括由内至外的缆芯、辐照交联聚烯烃绝缘层和辐照交联聚烯烃护套；所述缆芯为镀锡铜导体；辐照交联聚烯烃绝缘层由以下重量份数的原料制成：聚烯烃基料100份，光引发剂2份，叔丁基对苯二酚0.5份，聚乙烯蜡1份，其中聚烯烃基料为实施例1所制备的改性聚丙烯；辐照交联聚烯烃护套由以下重量份数的原料制成：聚乙烯90份，光引发剂2份，叔丁基对苯二酚0.5份，聚乙烯蜡1份，双甲基丙烯酸乙二醇酯2份；其中辐照交联聚烯烃绝缘层及辐照交联聚烯烃护套的原料中所述光引发剂均为2-羟基-2-甲基苯基丙烷-1-酮和4-二甲氨基苯甲酸乙酯共混物。
实施例7
一种高阻燃耐撕裂光伏电缆，包括由内至外的缆芯、辐照交联聚烯烃绝缘层和辐照交联聚烯烃护套；所述缆芯为镀锡铜导体；辐照交联聚烯烃绝缘层由以下重量份数的原料制成：聚烯烃基料100份，光引发剂2份，叔丁基对苯二酚0.5份，聚乙烯蜡1份，其中聚烯烃基料为实施例1所制备的改性聚丙烯；辐照交联聚烯烃护套由以下重量份数的原料制成：聚乙烯90份，光引发剂2份，叔丁基对苯二酚0.5份，聚乙烯蜡1份，双甲基丙烯酸乙二醇酯2份；其中辐照交联聚烯烃绝缘层及辐照交联聚烯烃护套的原料中所述光引发剂均为2-羟基-2-甲基苯基丙烷-1-酮。
对比例1
一种高阻燃耐撕裂光伏电缆，包括由内至外的缆芯、辐照交联聚烯烃绝缘层和辐照交联聚烯烃护套；所述缆芯为镀锡铜导体；辐照交联聚烯烃绝缘层由以下重量份数的原料制成：聚烯烃基料100份，光引发剂2份，叔丁基对苯二酚0.5份，聚乙烯蜡1份，其中聚烯烃基料为聚丙烯；辐照交联聚烯烃护套由以下重量份数的原料制成：聚乙烯90份，光引发剂2份，叔丁基对苯二酚0.5份，聚乙烯蜡1份，双甲基丙烯酸乙二醇酯2份；其中辐照交联聚烯烃绝缘层及辐照交联聚烯烃护套的原料中所述光引发剂均为4-二甲氨基苯甲酸乙酯和苯甲酰甲酸甲酯共混物。
对比例2
一种高阻燃耐撕裂光伏电缆，包括由内至外的缆芯、辐照交联聚烯烃绝缘层和辐照交联聚烯烃护套；所述缆芯为镀锡铜导体；辐照交联聚烯烃绝缘层由以下重量份数的原料制成：聚烯烃基料100份，光引发剂1份，叔丁基对苯二酚0.5份，聚乙烯蜡1份，其中聚烯烃基料为实施例1所制备的改性聚丙烯；辐照交联聚烯烃护套由以下重量份数的原料制成：聚乙烯90份，光引发剂1份，叔丁基对苯二酚0.5份，聚乙烯蜡1份，双甲基丙烯酸乙二醇酯2份；其中辐照交联聚烯烃绝缘层及辐照交联聚烯烃护套的原料中所述光引发剂均为4-二甲氨基苯甲酸乙酯和苯甲酰甲酸甲酯共混物。
对比例3
一种高阻燃耐撕裂光伏电缆，包括由内至外的缆芯、辐照交联聚烯烃绝缘层和辐照交联聚烯烃护套；所述缆芯为镀锡铜导体；辐照交联聚烯烃绝缘层由以下重量份数的原料制成：聚烯烃基料100份，叔丁基对苯二酚0.5份，聚乙烯蜡1份，其中聚烯烃基料为实施例1所制备的改性聚丙烯；辐照交联聚烯烃护套由以下重量份数的原料制成：聚乙烯90份，叔丁基对苯二酚0.5份，聚乙烯蜡1份，双甲基丙烯酸乙二醇酯2份。
实施例3-7及对比例1-3所述高阻燃耐撕裂光伏电缆均按照实施例2所述工艺制备而成。
对比例4
国内市售的一种高阻燃耐撕裂光伏电缆，购自上海库咔特种电缆有限公司。
测试例1
对实施例2-7及对比例1-4所制得的高阻燃耐撕裂光伏电缆进行相关性能测试，其中高温压力测试按照GB/T 2951.31-2008《电缆和光缆绝缘和护套材料通用测试方法》进行测试，温度(140±3)℃，时间240min，k＝0.6，压痕深度不超过绝缘与护套总厚度的50％，进行AC6.5kV、5-7min电压测试，要求不击穿；低温冲击测试按照GB/T 2951.14-2008《电缆和光缆绝缘和护套材料通用测试方法》进行测试，冷却温度-40℃，时间16-18h，落锤质量1000g，撞击块质量200g，下落高度100mm，表面不应有目力可见裂纹；低温弯曲测试按照GB/T 2951.14-2008《电缆和光缆绝缘和护套材料通用测试方法》进行测试，冷却温度(-40±2)℃，时间16-18h，试棒直径为电缆外径的4倍，绕4圈，测试后护套表面不应有目力可见裂纹；耐臭氧测试试样长度20cm，干燥器皿内放置16h，弯曲测试所用试棒直径为电缆外径的(2±0.1)倍，试验箱温度为(40±2)℃，相对湿度(55±5)％，臭氧浓度(体积分数)(200±50)×10-6％，空气流量为0.3倍测试箱容积/min，样品放置测试箱72-75h，测试后护套表面不应有目力可见裂纹；耐气候性/紫外线测试设置每个周期：洒水18min，氙灯干燥102min，温度(65±3)℃，相对湿度65％，波长300～400nm条件下的最小功率(60±2)W/m2，持续720-750h后进行室温下弯曲测试，试棒直径为电缆外径的4～5倍，测试后护套表面不应有目力可见裂纹；耐酸碱测试按照GB/T 2951.21-2008《电缆和光缆绝缘和护套材料通用测试方法》进行测试，温度为23℃，时间168h，与浸溶液前相比，抗拉强度变化率≤±30％，断裂伸长率≥100％；垂直燃烧测试试样长度600±25mm，在(23±5)℃、相对湿度(50±20)％的条件下处理16h后，进行GB/T 18380.12-2008《电缆和光缆在火焰条件下的燃烧试验》规定的垂直燃烧测试；测试结果如表1所示。
表1光伏电缆性能测试结果
Figure BDA0003880201190000111
由表1结果可知，由实施例2-5制备的高阻燃耐撕裂光伏电缆的耐高温压力、耐撕裂、耐臭氧、耐气候性/紫外线、耐酸碱、耐阻燃性能均明显优于实施例6-7和对比例1-4，其中实施例2制备的高阻燃耐撕裂光伏电缆综合性能最好；由实施例2-5的数据可以看出，辐照交联聚烯烃绝缘层混合物体系中，改性聚丙烯的质量分数会影响光伏电缆的综合性能；由实施例6-7和对比例2-3的数据可以看出，辐照交联聚烯烃绝缘层和辐照交联聚烯烃护套混合物体系中光引发剂的种类和质量分数会影响光伏电缆的综合性能；实施例2与对比例1相比，实施例2所添加的改性聚丙烯能显著增强光伏电缆的耐高温压力、耐撕裂、耐臭氧、耐气候性/紫外线、耐酸碱和耐阻燃性能；对比例1和对比例4相比，对比例1中以聚丙烯为辐照交联聚烯烃绝缘层基料所制备的光伏电缆的综合性能较差，而当以改性聚丙烯为辐照交联聚烯烃绝缘层基料时(实施例2)，光伏电缆产品的耐高温压力、耐撕裂、耐臭氧、耐气候性/紫外线、耐酸碱、耐阻燃性均得到显著提升。
聚丙烯无毒、无味，密度小，强度、刚度、硬度和耐热性均优于低压聚乙烯，具有良好的介电性能和高频绝缘性且不受湿度影响，具有较高的耐热性、良好的力学性能和成型加工性能；磷系阻燃剂是弱的火焰抑制剂，其阻燃机理在于磷系化合物受热分解为含磷氧酸，这些含磷氧酸可促使聚合物脱水炭化生成的焦炭层呈石墨状，包裹在聚合物表面，形成致密的保护层，能阻隔内部聚合物与氧接触，焦炭层导热性差，使聚合物与热源隔绝，减缓了热分解，从而起到阻燃的作用；本发明选用无毒无味、强度高、力学性能好的聚丙烯为原料，并对其进行结构改性，显著提高了光伏电缆的高阻燃、耐撕裂、耐辐照老化等性能；在聚丙烯结构中引入羧酸酯基，不仅能使聚丙烯聚合物与小分子助剂结合更加紧密，增加分子间交联密度，提高光伏电缆的耐撕裂性能，还能削弱聚合物分子链间的应力，增加聚合物分子链的移动性，降低了聚合物分子链的结晶度，从而增加聚合物的塑性；在聚丙烯结构中引入磷酸酯基，不仅能与酚类抗氧化剂起协同作用，使叔丁基对苯二酚表现出更加优异的抗氧化性能，还能与酯基共同作用，显著提高光伏电缆的阻燃性能；本发明提供的一种高阻燃耐撕裂光伏电缆具有无卤、高阻燃、耐撕裂、防紫外线、耐臭氧、耐辐照老化等性能，符合太阳能光伏系统对电缆的使用要求，市场前景较广。
尽管已经示出和描述了本申请的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本申请的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种高阻燃耐撕裂光伏电缆，其特征在于，包括由内至外的缆芯、辐照交联聚烯烃绝缘层和辐照交联聚烯烃护套；所述辐照交联聚烯烃绝缘层由以下重量份数的原料制成：聚烯烃基料80-110份，光引发剂2.0-4.0份，叔丁基对苯二酚0.1-1.5份，聚乙烯蜡0.1-1.0份；所述聚烯烃基料为改性聚丙烯，改性聚丙烯的制备工艺如下：S1、在氮气氛围下，向反应器中加入聚丙烯、丙烯酸、二甲苯和水，升温至50-55℃，搅拌80-95min，再升温至90-100℃，依次加入过氧化二苯甲酰和异氰尿酸三烯丙酯，继续搅拌90-110min，冷却至室温，过滤，取滤渣，经水洗、干燥，得中间体1，中间体1的结构式为：
；
 S2、向装有回流冷凝装置的反应器中依次加入步骤S1所得中间体1、1,2,5,6-二环氧己烷、乙酸铬和二甲苯，升温至100-105℃，搅拌4-5h，冷却至室温，过滤，取滤渣，用环己烷洗涤，干燥，得中间体2，中间体2的结构式为：
；
 S3、向装有回流冷凝装置的反应器中依次加入步骤S2所得中间体2、磷酸和二甲苯，升温至65-80℃，搅拌5-7h，冷却至室温，过滤，取滤渣，将滤渣溶解于二甲苯中，然后在丙酮中沉降10-12h，沉降完成后取沉降物，干燥，即得改性聚丙烯，改性聚丙烯的结构式为：
。
2.根据权利要求1所述的一种高阻燃耐撕裂光伏电缆，其特征在于，步骤S1中所述反应器中丙烯酸、聚丙烯和水的质量比为1:2-3:7-9。
3.根据权利要求1所述的一种高阻燃耐撕裂光伏电缆，其特征在于，步骤S2中所述1,2,5,6-二环氧己烷与中间体1的质量比为1:2-4。
4.根据权利要求1所述的一种高阻燃耐撕裂光伏电缆，其特征在于，步骤S3中所述中间体2与磷酸的质量比为1:1.5-3.0。
5.根据权利要求1所述的一种高阻燃耐撕裂光伏电缆，其特征在于，所述缆芯为铜导体或镀锡铜导体，所述辐照交联聚烯烃护套由以下重量份数的原料制成：聚乙烯80-100份，光引发剂2.0-4.0份，叔丁基对苯二酚0.1-1.5份，聚乙烯蜡0.1-1.0份，双甲基丙烯酸乙二醇酯1-2份。
6.根据权利要求5所述的一种高阻燃耐撕裂光伏电缆，其特征在于，所述辐照交联聚烯烃绝缘层和辐照交联聚烯烃护套的原料中光引发剂相同，光引发剂为2-羟基-2-甲基苯基丙烷-1-酮、1-羟基环已基苯基甲酮、安息香双甲醚、4-甲基二苯甲酮、4-二甲氨基苯甲酸乙酯、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦、苯甲酰甲酸甲酯中的一种或几种共混物。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种高阻燃耐撕裂光伏电缆的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：A1、辐照交联聚烯烃绝缘层混炼造粒：按重量配比称取聚烯烃基料、光引发剂、叔丁基对苯二酚和聚乙烯蜡，经加热、搅拌混合均匀得混合物料，将混合物料加入到双螺杆挤出机中熔融共混后，挤出造粒，得粒料1；A2、辐照交联聚烯烃护套混炼造粒：按重量配比称取聚乙烯、光引发剂、叔丁基对苯二酚、聚乙烯蜡和双甲基丙烯酸乙二醇酯，经加热、搅拌混合均匀得混合物料，将混合物料加入到双螺杆挤出机中熔融共混后，挤出造粒，得粒料2；A3、辐照交联聚烯烃绝缘层挤塑包覆：使用紫外光辐照交联设备，将紫外光照箱安放在距塑料挤出机头200-650mm处，将步骤A1所得粒料1加入预热到160-220℃的塑料挤出机内，在机头温度215-240℃下将混合料挤出，使挤塑包覆在缆芯上的聚烯烃绝缘层尚处于熔融状态而未发生偏心的情况下进入紫外光照箱中进行紫外光辐照交联，得缆芯1；A4、辐照交联聚烯烃护套挤塑包覆：缆芯1进入另一台塑料挤出机进行辐照交联聚烯烃护套挤塑包覆；使用紫外光辐照交联设备，将紫外光照箱安放在距塑料挤出机头200-650mm处，将步骤A2所得粒料2加入预热到130-160℃的塑料挤出机内，在机头温度140-170℃下将混合料挤出，使挤塑包覆在缆芯1上的聚烯烃护套尚处于熔融状态而未发生偏心的情况下进入紫外光照箱中进行紫外光辐照交联，即得高阻燃耐撕裂光伏电缆。
8.根据权利要求7所述的一种高阻燃耐撕裂光伏电缆的制备工艺，其特征在于，步骤A1与A2中所述加热温度为80-95℃，搅拌转速为100-110r/min，混合时间为1-2h，双螺杆转速为75-80r/min，全区温度为120-210℃。
9.根据权利要求7所述的一种高阻燃耐撕裂光伏电缆的制备工艺，其特征在于，步骤A3与A4中所述紫外光照箱光源强度为1800-2100mW/cm2，均匀光照时间为0.5-2.5s，光照区工作温度为130-215℃，缆芯牵引速度为5-30m/min。
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