CN117143418A - 一种抑制空间电荷积聚的热塑性电缆绝缘料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种抑制空间电荷积聚的热塑性电缆绝缘料，绝缘料包括以重量份计的下述组份：共聚聚丙烯50‑90份、热塑性弹性体10‑50份、抗氧剂0.1‑0.3份，纳米粉体0.5‑1.5份，偶联剂0.5‑2份。本发明采用共聚聚丙烯为基料，通过双螺杆挤出机将共聚聚丙烯、热塑性弹性体、纳米粉体、抗氧剂和偶联剂熔融混炼，滤去杂质后挤出造粒，制备成可以有效抑制空间电荷积聚的热塑性直流电缆绝缘料，所述绝缘料同时具备优异的电气和力学性能。
Description
技术领域
本发明属于电缆材料技术领域，具体涉及一种抑制空间电荷的热塑性电缆绝缘料及其制备方法。
背景技术
电力电缆作为重要的电网设备起着输送能源、传递信息的重要作用，是输配电系统的重要组成部分，在国民经济起着“血管”和“神经”的作用而有着极其重要的地位，其行业生产总量占全国总GDP的4-5‰。随着城市化进程的加快、可再生资源的开发，电力电缆的需求将不断增加。2017年全球绝缘电线市场需求增长19％至1610亿美元。公共事业电力是能源电缆的最大应用领域，占比达到50％，其中中国是全球最大的单一需求市场，占全球总量的34％。
基于聚丙烯材料的热塑性挤包绝缘电缆具有生产过程免交联、运行温度高、输送容量大、可回收等优点，可降低碳排放，被视为未来电力电缆技术的发展方向。国外欧洲地区中压交流热塑性绝缘电缆研究已经非常成熟，自问世以来，工程应用超5万公里，150kV交流热塑性绝缘电缆系统在意大利Italian Transmission Network公司正式投入使用；基于热塑性挤包绝缘技术路线的±525kV直流热塑性挤包绝缘电缆也已完成了德国输电网公司组织的预鉴定试验(PQ-Test)，即将在德国SuedOstLink与WestLink两个±525kV工程项目大规模应用，输送容量达到2GW。国内，2017年由国网智能电网研究院有限公司牵头开始热塑性挤包电缆绝缘材料配方研究，并先后立项开展了10kV至35kV的交直流热塑性挤包绝缘电缆的研制工作，成功掌握了中压热塑性电缆绝缘料和屏蔽料配方，实现了中压热塑性绝缘料和屏蔽料的批量化制备。国内高压热塑性绝缘料的研制还处于起步阶段。
高压直流电缆在运行温度下空间电荷在绝缘材料中会发生快速定向迁移，空间电荷的聚集会导致绝缘材料局部电场增强，降低击穿强度，加速老化，减少电缆寿命，空间电荷的存在可导致绝缘材料的电老化、电场畸变和击穿。目前，如何减少空间电荷的产生和积聚、提高击穿强度已成为高压直流电缆绝缘材料研究领域的关键问题。
CN109096572A公开了一种高直流击穿强度的聚烯烃纳米复合绝缘材料及其制备方法。所述聚烯烃电介质绝缘复合材料包括96～99.75％的聚烯烃电介质基体和0.25～4％的改性纳米粒子填料；所述的改性纳米粒子填料为电压稳定剂功能化的纳米粒子；该发明通过点击化学反应在纳米粒子表面接枝电压稳定剂作为填料，可提高复合材料的直流击穿强度。但是，纳米填料易积聚、分散性较差的缺点使其应用受到了限制，虽然共混直流电缆料可提升耐电树枝和水树枝性能，但基体的不相容性将导致缺陷增多更易击穿，通过在基体树脂或添加剂中接枝有机基团引入深陷阱，可以提高直流击穿场强，但无法保证接枝反应的均匀性与充分性，并且容易引入杂质。
CN115782260A公开了一种提高高压直流电缆绝缘料击穿强度的方法及其应用，所述方法将已交联高压直流电缆绝缘料在软化状态下先进行拉伸处理，再进行降温处理，使得所述已交联高压直流电缆绝缘料具有了取向片晶与无定形区交替排列的半结晶结构，该结构可有效减少空间电荷的积聚，大大降低了空间电荷密度，进而有效提高了高压直流电缆绝缘料的直流击穿场强度和耐电老化能力。但是，软化状态下拉伸降温处理更多针对交联聚乙烯电缆，而热塑性绝缘聚丙烯电缆为非交联体系，且硬度较高，不适用该方法。
有鉴于此，开发一种制备工艺简单且能有效抑制空间电荷积聚的热塑性电缆绝缘料是本领域亟需解决的问题。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，提供了一种抑制空间电荷积聚的热塑性电缆绝缘料及其制备方法，所述绝缘料可以有效抑制空间电荷积聚，同时具备优异的电气和力学性能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种抑制空间电荷积聚的热塑性电缆绝缘料，其制备原料按重量份计包括：共聚聚丙烯50-90份，热塑性弹性体10-50份，抗氧剂0.1-0.3份，纳米粉体0.5-1.5份，偶联剂0.5-2份。
进一步地，所述绝缘料的制备原料按重量份计包括：共聚聚丙烯60-80份，热塑性弹性体25-40份，抗氧剂0.1-0.3份，纳米粉体0.5-1.0份，偶联剂0.5-1.5份。
进一步地，所述共聚聚丙烯的熔体流动速率为0.2-0.3g/10min，弯曲模量≥620MPa，简支梁冲击强度≥35MPa，拉伸屈服应力≥20MPa。
进一步地，所述热塑性弹性体为乙烯-丁烯-苯乙烯三嵌段共聚物(SEBS)，其脆化温度≤-60℃，最高使用温度达到149℃，在氧气气氛下其分解温度大于270℃；
或者，所述热塑性弹性体为乙烯-辛烯共聚物(POE)，其熔体流动速率为1-1.5g/10min(190℃/2.16kg)，脆化温度≤-70℃，断裂伸长率＞1000％。
进一步地，所述抗氧剂为硫代双酚类化合物，纯度大于99％。
更进一步地，所述抗氧剂选自Irganox1520、抗氧300、抗氧4426-S、抗氧1035中的至少一种。
进一步地，所述纳米粉体选自氧化硅、氧化镁、氧化铝中的至少一种，其粒径＜40nm。
进一步地，所述偶联剂选自马来酸酐MAH、硅烷偶联剂KH550、KH570、KH560中的至少一种。
另一方面，本发明提供了所述抑制空间电荷积聚的热塑性电缆绝缘料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将纳米粉体通过偶联剂进行预处理；
(2)将共聚聚丙烯、热塑性弹性、抗氧剂和预处理的纳米粉体预混合，然后加入到双螺杆挤出机中熔融，挤出，造粒，得到所述绝缘料成品。
进一步地，所述预处理包括将纳米粉体和偶联剂分别分散在无水乙醇和水中，然后混合，搅拌，30-100℃下处理3-5h后洗涤抽滤真空干燥，获得预处理的纳米粉体。
进一步地，所述预混合在高速搅拌机中混合，混合的温度为常温-70℃，搅拌速度为60-120r/min。
进一步地，所述双螺杆挤出机的工作参数如下：一区温度140-145℃，二区温度150-155℃，三区温度160-165℃，四区温度170-175℃，五区温度180-185℃，六区温度190-195℃，七区温度190-200℃，八区温度190-200℃，九区温度190-200℃，料温200-210℃，转速150-200r/min。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
现有技术的热塑性直流电缆绝缘料采用的聚丙烯一般为均聚聚丙烯，本发明采用共聚聚丙烯为基料，共聚聚丙烯中通常包含乙烯、丁烯等共聚单体，同时，本发明选择熔体流动速率、弯曲模量、简支梁冲击强度、拉伸屈服应力等性能在一定范围内的共聚聚丙烯基料，可以有效抑制空间电荷积聚，同时具备优异的电气和力学性能。
附图说明
图1为本发明实施例1和对比例1的绝缘材料的空间电荷分布特性。
图2为本发明实施例1和对比例1的绝缘材料高温条件下的击穿场强威布尔分布图。
图3为本发明实施例1和对比例1的绝缘材料的电导特性。
上图中，1号为对比例1，2号为实施例1。
具体实施方式
下面将对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。另外，值得说明的是，本发明所涉及的原料如无特殊说明均为普通市售产品。
实施例1
称取按质量份计的下述物料：共聚聚丙烯70份，热塑性弹性体(SEBS)30份，抗氧剂(抗氧300)0.1份，纳米粉体(氧化硅)0.5份，偶联剂(KH550)0.5份。
其中，共聚聚丙烯的熔体流动速率为0.2-0.3g/10min，弯曲模量≥620MPa，简支梁冲击强度≥35MPa，拉伸屈服应力≥20MPa。
将纳米粉体与偶联剂通过液液混合方式搅拌均匀后置于反应釜中高温100℃处理5h，得到预处理的纳米粉体。
将共聚聚丙烯、热塑性弹性体、抗氧剂和预处理的纳米粉体，在30℃，150r/min条件下通过高速搅拌进行预混合；然后将混合物料加入到双螺杆挤出机中，挤出机一区(140℃)、二区(150℃)、三区(160℃)、四区(170℃)、五区(180℃)、六区(190℃)、七区(200℃)、八区(200℃)、九区(200℃)，料温(200℃)，转速为200r/min，通过熔体过滤系统(500目滤网)过滤杂质后，由模头挤出，然后通过水冷切粒制备得到抑制空间电荷积聚的热塑性电缆绝缘料。
实施例2
称取按质量份计的下述物料：共聚聚丙烯60份，热塑性弹性体(SEBS)40份，抗氧剂(抗氧300)0.2份，纳米粉体(氧化硅)0.5份，偶联剂(KH550)0.5份。
其中，共聚聚丙烯的熔体流动速率为0.2-0.3g/10min，弯曲模量≥620MPa，简支梁冲击强度≥35MPa，拉伸屈服应力≥20MPa。
将纳米粉体与偶联剂通过液液混合方式搅拌均匀后置于反应釜中高温100℃处理5h，得到预处理的纳米粉体。
将共聚聚丙烯、热塑性弹性体、抗氧剂和预处理的纳米粉体，在30℃，150r/min条件下通过高速搅拌进行预混合；然后将混合物料加入到双螺杆挤出机中，挤出机一区(140℃)、二区(150℃)、三区(160℃)、四区(170℃)、五区(180℃)、六区(190℃)、七区(200℃)、八区(200℃)、九区(200℃)，料温(200℃)，转速为200r/min，通过熔体过滤系统(500目滤网)过滤杂质后，由模头挤出，然后通过水冷切粒制备抑制空间电荷积聚的热塑性电缆绝缘料
实施例3
称取按质量份计的下述物料：共聚聚丙烯60份，热塑性弹性体(SEBS)40份，抗氧剂(抗氧300)0.3份，纳米粉体(氧化硅)1份，偶联剂(KH550)0.5份。
其中，共聚聚丙烯的熔体流动速率为0.2-0.3g/10min，弯曲模量≥620MPa，简支梁冲击强度≥35MPa，拉伸屈服应力≥20MPa。
将纳米粉体与偶联剂通过液液混合方式搅拌均匀后置于反应釜中高温100℃处理5h，得到预处理的纳米粉体。
将共聚聚丙烯、热塑性弹性体、抗氧剂和预处理的纳米粉体，在30℃，150r/min条件下通过高速搅拌进行预混合；然后将混合物料加入到双螺杆挤出机中，挤出机一区(140℃)、二区(150℃)、三区(160℃)、四区(170℃)、五区(180℃)、六区(190℃)、七区(200℃)、八区(200℃)、九区(200℃)，料温(200℃)，转速为200r/min，通过熔体过滤系统(500目滤网)过滤杂质后，由模头挤出，然后通过水冷切粒制备抑制空间电荷积聚的热塑性电缆绝缘料
实施例4
称取按质量份计的下述物料：共聚聚丙烯60份，热塑性弹性体(SEBS)40份，抗氧剂(抗氧300)0.2份，纳米粉体(氧化硅)1份，偶联剂(KH550)1份。
其中，共聚聚丙烯的熔体流动速率为0.2-0.3g/10min，弯曲模量≥620MPa，简支梁冲击强度≥35MPa，拉伸屈服应力≥20MPa。
将纳米粉体与偶联剂通过液液混合方式搅拌均匀后置于反应釜中高温100℃处理5h，得到预处理的纳米粉体。
将共聚聚丙烯、热塑性弹性体、抗氧剂和预处理的纳米粉体，在30℃，150r/min条件下通过高速搅拌进行预混合；然后将混合物料加入到双螺杆挤出机中，挤出机一区(140℃)、二区(150℃)、三区(160℃)、四区(170℃)、五区(180℃)、六区(190℃)、七区(200℃)、八区(200℃)、九区(200℃)，料温(200℃)，转速为200r/min，通过熔体过滤系统(500目滤网)过滤杂质后，由模头挤出，然后通过水冷切粒制备抑制空间电荷积聚的热塑性电缆绝缘料
实施例5
称取按质量份计的下述物料：共聚聚丙烯50份，热塑性弹性体(SEBS)50份，抗氧剂(抗氧300)0.2份，纳米粉体(氧化硅)1份，偶联剂(KH550)1份。
其中，共聚聚丙烯的熔体流动速率为0.2-0.3g/10min，弯曲模量≥620MPa，简支梁冲击强度≥35MPa，拉伸屈服应力≥20MPa。
将纳米粉体与偶联剂通过液液混合方式搅拌均匀后置于反应釜中高温100℃处理5h，得到预处理的纳米粉体。
将共聚聚丙烯、热塑性弹性体、抗氧剂和预处理的纳米粉体，在30℃，150r/min条件下通过高速搅拌进行预混合；然后将混合物料加入到双螺杆挤出机中，挤出机一区(140℃)、二区(150℃)、三区(160℃)、四区(170℃)、五区(180℃)、六区(190℃)、七区(200℃)、八区(200℃)、九区(200℃)，料温(200℃)，转速为200r/min，通过熔体过滤系统(500目滤网)过滤杂质后，由模头挤出，然后通过水冷切粒制备抑制空间电荷积聚的热塑性电缆绝缘料。
实施例6
称取按质量份计的下述物料：共聚聚丙烯50份，热塑性弹性体(POE)50份，抗氧剂(抗氧300)0.2份，纳米粉体(氧化硅)1.5份，偶联剂(KH550)1份。
其中，共聚聚丙烯的熔体流动速率为0.2-0.3g/10min，弯曲模量≥620MPa，简支梁冲击强度≥35MPa，拉伸屈服应力≥20MPa。
将纳米粉体与偶联剂通过液液混合方式搅拌均匀后置于反应釜中高温100℃处理5h，得到预处理的纳米粉体。
将共聚聚丙烯、热塑性弹性体、抗氧剂和预处理的纳米粉体，在30℃，150r/min条件下通过高速搅拌进行预混合；然后将混合物料加入到双螺杆挤出机中，挤出机一区(140℃)、二区(150℃)、三区(160℃)、四区(170℃)、五区(180℃)、六区(190℃)、七区(200℃)、八区(200℃)、九区(200℃)，料温(200℃)，转速为200r/min，通过熔体过滤系统(500目滤网)过滤杂质后，由模头挤出，然后通过水冷切粒制备抑制空间电荷积聚的热塑性电缆绝缘料。
实施例7
称取按质量份计的下述物料：共聚聚丙烯50份，热塑性弹性体(POE)50份，抗氧剂(抗氧300)0.2份，纳米粉体(氧化硅)1.5份，偶联剂(KH550)2份。
其中，共聚聚丙烯的熔体流动速率为0.2-0.3g/10min，弯曲模量≥620MPa，简支梁冲击强度≥35MPa，拉伸屈服应力≥20MPa。
将纳米粉体与偶联剂通过液液混合方式搅拌均匀后置于反应釜中高温100℃处理5h，得到预处理的纳米粉体。
将共聚聚丙烯、热塑性弹性体、抗氧剂和预处理的纳米粉体，在30℃，150r/min条件下通过高速搅拌进行预混合；然后将混合物料加入到双螺杆挤出机中，挤出机一区(140℃)、二区(150℃)、三区(160℃)、四区(170℃)、五区(180℃)、六区(190℃)、七区(200℃)、八区(200℃)、九区(200℃)，料温(200℃)，转速为200r/min，通过熔体过滤系统(500目滤网)过滤杂质后，由模头挤出，然后通过水冷切粒制备抑制空间电荷积聚的热塑性电缆绝缘料。
对比例1
称取按质量份计的下述物料：等规聚丙烯70份，热塑性弹性体(SEBS)30份，抗氧剂(抗氧300)0.1份，纳米粉体(氧化硅)0.5份，偶联剂(KH550)0.5份。
其中，等规聚丙烯的等规度≥95％，密度为0.9g/cm3，熔体流动速率为2g/10min，弯曲模量为500MPa。
将纳米粉体与偶联剂通过液液混合方式搅拌均匀后置于反应釜中高温100℃处理5h，得到预处理的纳米粉体。
将等规聚丙烯、热塑性弹性体、抗氧剂和预处理的纳米粉体，在30℃，150r/min条件下通过高速搅拌进行预混合；然后将混合物料加入到双螺杆挤出机中，挤出机一区(140℃)、二区(150℃)、三区(160℃)、四区(170℃)、五区(180℃)、六区(190℃)、七区(200℃)、八区(200℃)、九区(200℃)，料温(200℃)，转速为200r/min，通过熔体过滤系统(500目滤网)过滤杂质后，由模头挤出，然后通过水冷切粒制备得到热塑性电缆绝缘料。
测试方法：
将本发明的热塑性电缆绝缘料用平板硫化机热压成型：200℃下预压5分钟后，200℃和15MPa条件下加压20分钟，得到半径为15mm、厚度为0.2mm的圆形薄片试样，进行电气性能和力学性能测试。
绝缘料击穿强度测试采用球-球电极，参照GB/T 1408.2-2006规定。
绝缘料体积电阻率按照GB/T 1410-2006规定执行。
拉伸强度和断裂伸长率按照应按照GB/T 1040.1和GB/T 1040.2规定执规定执行。
测试结果如表1所示。
表1
实施例1和对比例1所得绝缘料的空间电荷分布特性、90℃下击穿场强的威布尔分布以及电导特性如图1-3所示。图中，1为对比例1的绝缘料，2为实施例1的绝缘料。
由附图可以看出，采用本发明的绝缘料配方得到的材料空间电荷积聚特性得到有效控制，在90℃条件下的击穿场强和绝缘电阻率均得到明显提升。
最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (12)
1.一种抑制空间电荷积聚的热塑性电缆绝缘料，其制备原料按重量份计包括：共聚聚丙烯50-90份，热塑性弹性体10-50份，抗氧剂0.1-0.3份，纳米粉体0.5-1.5份，偶联剂0.5-2份，所述共聚聚丙烯的熔体流动速率为0.2-0.3g/10min，弯曲模量≥620MPa，简支梁冲击强度≥35MPa，拉伸屈服应力≥20MPa。
2.根据权利要求1所述的抑制空间电荷积聚的热塑性电缆绝缘料，其特征在于，所述绝缘料的制备原料按重量份计包括：共聚聚丙烯60-80份，热塑性弹性体25-40份，抗氧剂0.1-0.3份，纳米粉体0.5-1.0份，偶联剂0.5-1.5份。
3.根据权利要求1所述的抑制空间电荷积聚的热塑性电缆绝缘料，其特征在于，所述热塑性弹性体为乙烯-丁烯-苯乙烯三嵌段共聚物或乙烯-辛烯共聚物。
4.根据权利要求3所述的抑制空间电荷积聚的热塑性电缆绝缘料，其特征在于，所述乙烯-丁烯-苯乙烯三嵌段共聚物的脆化温度≤-60℃，最高使用温度达到149℃，在氧气气氛下其分解温度大于270℃；所述乙烯-辛烯共聚物的熔体流动速率为1-1.5g/10min(190℃/2.16kg)，脆化温度≤-70℃，断裂伸长率＞1000％。
5.根据权利要求1所述的抑制空间电荷积聚的热塑性电缆绝缘料，其特征在于，所述抗氧剂为硫代双酚类化合物。
6.根据权利要求1所述的抑制空间电荷积聚的热塑性电缆绝缘料，其特征在于，所述纳米粉体选自氧化硅、氧化镁、氧化铝中的至少一种，其粒径＜40nm。
7.根据权利要求1所述的抑制空间电荷积聚的热塑性电缆绝缘料，其特征在于，所述偶联剂选自马来酸酐、硅烷偶联剂KH550、KH570、KH560中的至少一种。
8.权利要求1-7任一项所述的抑制空间电荷积聚的热塑性电缆绝缘料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将纳米粉体通过偶联剂进行预处理；
(2)将共聚聚丙烯、热塑性弹性、抗氧剂和预处理的纳米粉体预混合，然后熔融，挤出，造粒，得到所述绝缘料成品。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述预处理包括：
将纳米粉体和偶联剂分别分散在无水乙醇和水中，然后混合，搅拌，30-100℃下处理3-5h后洗涤抽滤真空干燥，获得预处理的纳米粉体。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述预混合在高速搅拌机中混合，混合的温度为常温-70℃，搅拌速度为60-120r/min。
11.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述熔融、挤出和造粒是在双螺杆挤出机中进行，所述双螺杆挤出机的工作参数如下：一区温度140-145℃，二区温度150-155℃，三区温度160-165℃，四区温度170-175℃，五区温度180-185℃，六区温度190-195℃，七区温度190-200℃，八区温度190-200℃，九区温度190-200℃，料温200-210℃，转速150-200r/min。
12.一种采用权利要求1-7任一项所述的抑制空间电荷积聚的热塑性电缆绝缘料制得的电缆。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202311170689.8A CN117143418A (zh) | 2023-09-12 | 2023-09-12 | 一种抑制空间电荷积聚的热塑性电缆绝缘料及其制备方法 |
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