CN115850900A - 额定电压220kV热塑性环保型耐低温聚丙烯半导电屏蔽料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种额定电压220kV热塑性环保型耐低温聚丙烯半导电屏蔽料及其制备方法，用于高压电力电缆半导电屏蔽层，半导电屏蔽料的原料包括：嵌段共聚聚丙烯50‑70份；聚丙烯弹性体10‑25份；热塑性苯乙烯类弹性体10‑25份；石墨烯微片粉末3‑10份；单壁碳纳米管3‑10份；导电炭黑20‑40份；分散剂0.5‑2份；助分散剂0.2‑1份；抗氧剂0.5‑2份；焦烧抑制剂0.1‑0.5份；金属离子钝化剂0.2‑0.5份；润滑剂0.5‑2份；所述份数为质量份数。上述半导电屏蔽材料，具有优异的导电性能、体积电阻率温度稳定性、热稳定性、耐低温性、表面光滑度、机械性能，非交联、能耗低、无污染且可回收再利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚丙烯半导电屏蔽料及其制备方法，用于中高压电力电缆半导电屏蔽层，属于电缆材料领域。
背景技术
阶段电力电缆的绝缘料大多使用交联聚乙烯(XLPE)，但XLPE在使用过程中暴露出以下缺点：
1.XLPE在制备过程所需要的设备成本比较高、产率低、能源耗费大，而且在加工过程中易引入杂质，直接影响其电绝缘性能；
2.XLPE是热固性材料，回收困难，当其到达使用寿命不但会带来严重的污染而且浪费了大量的资源。为改善材料与环境的相容性，寻找一种新型可回收的电缆绝缘材料进行替代具有重要的意义。
聚丙烯具有机械强度高、易加工、化学性能稳定、价格便宜、耐热性能和电气绝缘性能好等优势，而且是热塑性材料，已成为目前产量增速最快的塑料之一，产量在五大通用塑料中位居第三。目前用聚丙烯作为电力电缆的环保绝缘材料已经成为研究的热点，该项研究具有明显的环境和能源效益。与XLPE相比，聚丙烯材料可回收，符合当今社会低碳环保的导向，因此聚丙烯是一种理想的可回收的电缆材料。
研究与聚丙烯电缆绝缘材料相配套的热塑性半导电屏蔽料也具有非常重要的意义，目前国内外对热塑性的半导电屏蔽料，报道较少，其综合性能有待进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于弥补现有高压电缆半导电屏蔽料性能的不足，提供一种额定电压220kV热塑性环保型耐低温聚丙烯半导电屏蔽料及其制备方法。
该电缆料具有优异的导电性能、体积电阻率温度稳定性、热稳定性、抗焦烧性、表面光滑度、机械性能、耐低温性，其生产和使用过程中，非交联、能耗低、无污染且可回收再利用。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种聚丙烯半导电屏蔽料，其原料包括如下组分：
上述以石墨烯作为一种新型的纳米导电填料，有着独特的单原子层二维结构和共轭碳网络结构，其特殊的大比表面积和高厚径比的几何特征，有着较高的电子迁移率、机械弹性，优异的热学性能；
碳纳米管在上述半导电屏蔽料中的导电机理是，其空间结构中存在p轨道，彼此交叠形成的大π键，具有共轭效应，从而使碳纳米管具有高导电特性；
上述将石墨烯和碳纳米管复配使用，提供了高连通的导电网络通路，可显著降低半导电屏蔽料的体积电阻率，提高了体积电阻率温度稳定性，保证了优异的电学性能；同时降低了导电填料的用量，提高了屏蔽料的加工性能和挤出光滑度。
嵌段共聚聚丙烯(EPC)与等规聚丙烯(iPP)相比较，其分子序列有规螺旋构象谱带强度比iPP低，即EPC分子链序列结构中无规排列的序列结构较多，EPC与iPP这种分子链结构有序性的差异会影响其聚集态结构和性能。EPC中乙丙无规共聚(EPR)的存在起到了成核剂的作用，加快了总结晶速率，而嵌段共聚和无规共聚物的稀释作用减慢了球晶的生长速率，这种结晶行为导致EPC与iPP在相同的结晶条件下，呈现出不同的结晶形态。EPC球晶尺寸小，单位面积上的球晶数量多，这种结构形态对电阻、击穿等电性能都起到正效应作用。3)EPC随温度升高其体积电阻率和击穿场强的稳定性高于iPP，iPP和EPC的直流击穿场强在9O℃时分别下降了27％和21％。温度高于50℃时，EPC的体积电阻率高于iPP。EPC中空间电荷注入小于iPP，iPP的空间电荷密度2.11×10—8C/m，而EPC的空间电荷密度只有0.75×10— 8C/m。PP为连续相，球形橡胶颗粒为分散相的相形态是EPC具有良好的低温冲击强度的主要结构因素。EPC的低温脆化温度可达-57.3℃，远低于iPP的-5℃，iPP在常温下冲击强度为2.1kJ/m2，EPC在常温下冲击强度为40.2kJ/m2，是iPP的约20倍。在EPC中合理的分子序列结构、乙丙无规共聚物的含量与分散对结晶形态和相形态有很大的影响，因此对电性能和低温冲击性能的提高至关重要。通过EPC和iPP结构与性能的对比分析表面，EPC具有较好的综合性能。电性能的热稳定性，特别是低温冲击性能较好，适宜做高压直流电缆绝缘材料。
作为本申请的优选方案之一，本电缆料的原料包括如下组分：嵌段共聚聚丙烯70份；聚丙烯弹性体20份；热塑性苯乙烯类弹性体10份；石墨烯微片粉末5份；单壁碳纳米管5份；导电炭黑30份；分散剂0.5份；助分散剂0.2份；抗氧剂0.5份；焦烧抑制剂0.1份；金属离子钝化剂0.2份；润滑剂0.5份。所述份数为质量份数。
作为本申请的另一种优选方案，本电缆料的原料包括如下组分：嵌段共聚聚丙烯70份；聚丙烯弹性体10份；热塑性苯乙烯类弹性体20份；石墨烯微片粉末10份；单壁碳纳米管5份；导电炭黑20份；分散剂1份；助分散剂0.2份；抗氧剂2份；焦烧抑制剂0.3份；金属离子钝化剂0.2份；润滑剂1.5份。所述份数为质量份数。
作为本申请的另一种优选方案，本电缆料的原料包括如下组分：嵌段共聚聚丙烯50份；聚丙烯弹性体25份；热塑性苯乙烯类弹性体25份；石墨烯微片粉末5份；单壁碳纳米管10份；导电炭黑20份；分散剂0.5份；助分散剂0.5份；抗氧剂0.5份；焦烧抑制剂0.2份；金属离子钝化剂0.3份；润滑剂1.5份。所述份数为质量份数。
作为本申请的另一种优选方案，本电缆料的原料包括如下组分：嵌段共聚聚丙烯60份；聚丙烯弹性体20份；热塑性苯乙烯类弹性体20份；石墨烯微片粉末3份；单壁碳纳米管3份；导电炭黑40份；分散剂2份；助分散剂1份；抗氧剂1份；焦烧抑制剂0.5份；金属离子钝化剂0.5份；润滑剂2份。所述份数为质量份数。
申请人经研究发现，上述各优选方案能使各组分之间的协同促进效应发挥到最佳。
为了进一步提高本电缆料的耐温性和柔韧性，并延长使用寿命，嵌段共聚聚丙烯树脂的要求为：熔体流动速率≥2g/10min、熔点≥140℃。
为了进一步提高本电缆料的热稳定性、同时进一步促进各物料之间的协同效应，聚丙烯弹性体的要求为：熔体流动速率≥0.5g/10min、熔点≥140℃。
为了进一步提高本电缆料的热稳定性，热塑性苯乙烯类弹性体的要求为：苯乙烯含量30％-35％、熔点≥140℃。
为了进一步保证本电缆料的导电性，石墨烯微片粉末的要求为：平均厚度≤5nm，直径≤10μm，碳含量≥95％，硫含量≤0.5％。
为了进一步保证本电缆料的导电性，单壁碳纳米管的要求为：平均外径≤1.5nm，CNT≥80％，碳纳米管层数1-2层，碳含量≥95％，硫含量≤0.5％。
为了进一步保证本电缆料的导电性，导电炭黑的性能要求为：吸碘值74±5mg/g，吸油值148±10cc/100g，325目筛余物＜10ppm，灰分含量小于0.1％。
为了进一步保证本电缆料的导电填料分散性，分散剂优选亚甲基双奈磺酸钠和N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。
为了进一步保证本电缆料的导电填料分散性，助分散剂优选乙烯基-三(2-甲基乙氧基)硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、丙基三甲氧基硅烷、丙基三甲氧基硅烷二聚物和八甲基环四硅氧烷中的一种或多种。
为了进一步保证本电缆料的热稳定性和力学性能，抗氧剂优选4.4’-双(α.α-二甲基苄基)二苯胺和四-(二丁基羟基氢化肉桂酸)季戊四醇酯中的至少一种。
为了进一步保证本电缆料的抗焦烧性能，焦烧抑制剂优选2，6-二叔丁基-对-甲酚、N-苯基-N-三氯甲硫基苯磺酰胺、N-环己基硫代邻苯二甲酞亚胺和N-(三氯甲基硫代)N-苯基苯磺酰胺中的一种或多种。
为了进一步保证本电缆料的抗铜氧化性能，延长产品的使用寿命，同时保证产品的力学性能，金属离子钝化剂优选双(3,5-二叔丁基-4-羟基-苯丙酰)肼或苯并三氮唑中的至少一种。
为了进一步保证本电缆料的加工性能和表面光滑度，润滑剂优选乙撑双硬脂酰胺、硬脂酸锌、EVA蜡、特氟龙微粉、油酸酰胺、芥酸酰胺中的一种或多种。
上述电缆料是一种额定电压220kV热塑性环保型耐低温聚丙烯半导电屏蔽料。
上述热塑性聚丙烯半导电屏蔽料的制备方法，将各原料组分在高速混合机中混匀后，用往复式单螺杆混炼挤出机挤出、造粒，脱水干后筛分除去碎屑和粉尘，即得热塑性环保型耐低温聚丙烯半导电屏蔽料。往复式单螺杆混炼挤出机的上阶温度为：加料段140±5℃，混料段190±5℃，挤出段190±5℃，下阶单螺杆温度为：机身200±5℃，机头200±5℃。
具体的制备方法如下步骤：
(1)先将石墨烯微片粉、单壁碳纳米管、导电炭黑、分散剂、助分散剂、抗氧剂、焦烧抑制剂、金属离子钝化剂和润滑剂在高速混合机中充分混合，混合时间为10±2min，温度控制在50±5℃，搅拌速率40±3RPM，使各粉体助剂之间均匀分散；
(2)将嵌段共聚聚丙烯、聚丙烯弹性体和热塑性苯乙烯类弹性体通过失重秤加入往复式单螺杆混炼挤出机主喂料，将步骤(1)所得物料通过失重秤加入往复式单螺杆混炼挤出机侧喂料；
(3)挤出水下切粒，该过程在单螺杆机头处加装500目3层的滤网，拦截原材料中的物理杂质，确保材料的挤出光滑度；
(4)离心脱水，干燥，将粒子的的水分含量控制在200ppm以下；
(5)粒子加入鼓风振动筛，进行筛选处理，去除掉粒子中的碎屑和粉尘，得热塑性环保型耐低温聚丙烯半导电屏蔽料。
上述方法能更好的保证所得产品的性能。
本发明未提及的技术均参照现有技术。
本发明的电缆料用于高压电力电缆半导电屏蔽层，具有优异的导电性能、体积电阻率温度稳定性、热稳定性、耐低温性、表面光滑度、机械性能，非交联、能耗低、无污染且可回收再利用。
附图说明
图1为材料的光滑程度的测试原理图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
按照配方准确称取各种物料备用，将石墨烯微片粉、单壁碳纳米管、导电炭黑、分散剂、助分散剂、抗氧剂、焦烧抑制剂、金属离子钝化剂和润滑剂在高速混合机中充分混合，混合时间为10±2min，温度控制在50±5℃，搅拌速率40±3RPM，使各原料组分在高速混合机中混匀后。将嵌段共聚聚丙烯、聚丙烯弹性体和热塑性苯乙烯类弹性体通过失重秤加入往复式单螺杆混炼挤出机主喂料，将高混后的粉料通过失重秤加入往复式单螺杆混炼挤出机侧喂料；往复式单螺杆混炼挤出机的上阶温度为：加料段140±5℃，混料段190±5℃，挤出段190±5℃，下阶单螺杆温度为：机身200±5℃，机头200±5℃；挤出水下切粒，该过程在单螺杆机头处加装500目3层的滤网，拦截原材料中的物理杂质，确保材料的挤出光滑度；离心脱水，干燥，将粒子的水分含量控制在200ppm以下；粒子加入鼓风振动筛，进行筛选处理，去除掉粒子中的碎屑和粉尘，得热塑性环保型耐低温聚丙烯半导电屏蔽料。
所制备的电缆料的相关性能见表1。
实施例2
混合及挤出造粒等工艺同实施例1。所制备的电缆料的性能见表1。
实施例3
一种额定电压220kV热塑性环保型耐低温聚丙烯半导电屏蔽料及其制备方法的原料以重量份计算包括如下组分
混合及挤出造粒等工艺同实施例1。所制备的电缆料的性能见表1。
实施例4
一种额定电压220kV热塑性环保型耐低温聚丙烯半导电屏蔽料及其制备方法的原料以重量份计算包括如下组分：
混合及挤出造粒等工艺同实施例1。所制备的电缆料的性能见表1。
对比例1
本例提供一种常用的电力电缆过氧化物交联型半导电屏蔽料，以重量份计算，它的原料配方如下：
上述材料的制备方法具体如下：将配方量的白油、导电炭黑、硬脂酸锌、聚乙烯蜡、交联剂、抗氧剂和金属离子钝化剂加入高速混合机中充分混合，混合时间为10±2min，温度控制在50±5℃，搅拌速率40±3RPM，使各粉体之间均匀分散，白油被粉体全部吸收；将混合分散以后的混合物与乙烯-丙烯酸乙酯共聚物用密炼机110℃加工密炼，经单螺杆挤出后造粒；将粒子与交联剂投入高搅机中混合3～5min，使交联剂被粒子充分吸收，控制出料温度50℃以下。即得电力电缆过氧化物交联型半导电屏蔽料。
材料的光滑程度由德国OCS公司生产的激光扫描仪检测，原理是将本半导电屏蔽料制成带状薄片，在不断挤出过程中，扫描仪发出光波对其表面进行发射，如果碰到表面突起点，光波返回，该仪器自动计算出其高度和大小。
半导电屏蔽料表面突起物尺寸及数量测试方法如下：在具有高分辨相机的光学扫描设备下进行的试验，扫描速度，设备扫描的最低高度，由高分辨相机扫描试样带表面。试验应在(23±2)℃和相对湿度为(50±5)％的标准状态中进行，设备在标准状态待调节时间应不少于6h。调节挤出机各温区温度，使得挤出材料达到良好塑化的状态方可进行测试，调整样品带厚度至最佳测量厚度，设备检测灵敏度应不低于85％。待挤出样品厚度稳定后可开始测试，测试试样总表面积为1m2。表面突起物尺寸及数量表征结果以测试总表面积1m2的样品，记录表面突起物高度在50-75μm及大于75μm的数量。
所制备的电缆料的性能见表1-2。
表1制得电缆料性能测试结果
Claims (10)
1.一种额定电压220kV热塑性环保型耐低温聚丙烯半导电屏蔽料，其特征在于：其原料包括如下组分：
所述份数为质量份数。
2.如权利要求1所述的半导电屏蔽料，其特征在于：
嵌段共聚聚丙烯树脂的熔体流动速率≥2g/10min、熔点≥140℃；
聚丙烯弹性体的熔体流动速率≥0.5g/10min、熔点≥140℃；
热塑性苯乙烯类弹性体的苯乙烯含量30％-35％、熔点≥140℃。
3.如权利要求1或2所述的半导电屏蔽料，其特征在于：
石墨烯微片粉末的平均厚度≤5nm，直径≤10μm，碳含量≥95％，硫含量≤0.5％；
单壁碳纳米管的平均外径≤1.5nm，CNT≥80％，碳纳米管层数1-2层，碳含量≥95％，硫含量≤0.5％。
4.如权利要求1或2所述的半导电屏蔽料，其特征在于：导电炭黑吸碘值74±5mg/g，吸油值148±10cc/100g，325目筛余物＜10ppm，灰分含量小于0.1％。
5.如权利要求1或2所述的半导电屏蔽料，其特征在于：
分散剂为亚甲基双奈磺酸钠和N-甲基吡咯烷酮中的至少一种；
助分散剂为乙烯基-三(2-甲基乙氧基)硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、丙基三甲氧基硅烷、丙基三甲氧基硅烷二聚物和八甲基环四硅氧烷中的至少一种。
6.如权利要求1或2所述的半导电屏蔽料，其特征在于：
抗氧剂为4.4’-双(α.α-二甲基苄基)二苯胺和四-(二丁基羟基氢化肉桂酸)季戊四醇酯中的至少一种；
焦烧抑制剂为2，6-二叔丁基-对-甲酚、N-苯基-N-三氯甲硫基苯磺酰胺、N-环己基硫代邻苯二甲酞亚胺和N-(三氯甲基硫代)N-苯基苯磺酰胺中的至少一种。
7.如权利要求1或2所述的半导电屏蔽料，其特征在于：金属离子钝化剂为双(3,5-二叔丁基-4-羟基-苯丙酰)肼或苯并三氮唑中的至少一种。
8.如权利要求1或2所述的半导电屏蔽料，其特征在于：润滑剂为乙撑双硬脂酰胺、硬脂酸锌、EVA蜡、特氟龙微粉、油酸酰胺和芥酸酰胺中的至少一种。
9.权利要求1～8任意一项所述的半导电屏蔽料的制备方法，其特征在于：将各原料组分在高速混合机中混匀后，用往复式单螺杆混炼挤出机挤出、造粒，脱水干燥后，筛分除去碎屑和粉尘，即得热塑性环保型耐低温聚丙烯半导电屏蔽料。
10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)先将石墨烯微片粉、单壁碳纳米管、导电炭黑、分散剂、助分散剂、抗氧剂、焦烧抑制剂、金属离子钝化剂和润滑剂在高速混合机中充分混合，混合时间为10±2min，温度控制在50±5℃，搅拌速率40±3RPM，使各粉体助剂之间均匀分散；
2)将嵌段共聚聚丙烯、聚丙烯弹性体和热塑性苯乙烯类弹性体通过失重秤加入往复式单螺杆混炼挤出机主喂料，将步骤1)所得物料通过失重秤加入往复式单螺杆混炼挤出机侧喂料；往复式单螺杆混炼挤出机的上阶温度为：加料段140±5℃，混料段190±5℃，挤出段190±5℃，下阶单螺杆温度为：机身200±5℃，机头200±5℃；
3)挤出水下切粒，该过程在单螺杆机头处加装500目3层的滤网，拦截原材料中的物理杂质，确保材料的挤出光滑度；
4)离心脱水，干燥，将粒子的水分含量控制在200ppm以下；
5)粒子加入鼓风振动筛，进行筛选处理，去除掉粒子中的碎屑和粉尘，得热塑性环保型耐低温聚丙烯半导电屏蔽料。
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2022
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