CN117903518A - 一种高压半导电屏蔽材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压半导电屏蔽材料及其制备方法，该屏蔽料由以下配方所述的材料组成，其中的份数为质量百分比：基础树脂：50‑70份；导电炭黑：20‑30份；分散剂：0.5‑2份；功能助剂：1‑6份；交联剂：0.9‑2份；导热填料：0‑2份；其中基础树脂为乙烯‑醋酸乙酯(EVA)、低密度聚乙烯(LDPE)混合物，引入一定质量分数的LDPE可以有效提升EVA基半导电屏蔽材料的热稳定性能以及初始热分解温度，一定程度上改善了EVA基半导电屏蔽料的结晶能力，对EVA分子链热运动产生了一定的限制作用，保证了半导电屏蔽料良好的导电性能的同时也使半导电屏蔽材料导电网络的高温稳定性得到了明显的改善，有效抑制了半导电屏蔽料的PTC效应。
Description
技术领域
本发明涉及高压电缆材料领域，特别是涉及一种高压半导电屏蔽材料及其制备方法。
背景技术
电力电缆由金属线芯、内外屏蔽层、绝缘层以及护套等防护材料构成，其中半导电屏蔽层的主要作用在于均匀线芯表面场强，减缓导丝效应、改善尖端放电的现象，因此半导电屏蔽层的性能会极大的影响电缆的使用寿命，目前比较常见的交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆所复合的屏蔽层常用基体树脂包括乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA，热分解温度229～250℃)，乙烯-丙烯酸乙酯共聚物(EEA，热分解温度330℃左右)，乙烯-丙烯酸丁酯共聚物EBA，350℃左右)等，EVA树脂基体相比于EBA和EEA而言，广泛应用于中低压半导电屏蔽料中，成本较低且已具备自主生产能力，而我国目前高压半导电屏蔽层用EEA和EBA树脂基体生产技术并不成熟。相较于乙烯-丙烯酸乙酯共聚物(EEA)基和乙烯-丙烯酸丁酯共聚物(EBA)基，乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)基半导电屏蔽层由于其相对较低的热分解温度，在制备过程中易发生热降解现象严重影响电缆电气性能和机械性能稳定性、表面光洁度等关键性能，而且电缆在长期运行中，半导电屏蔽层基体受热膨胀会导致电缆破坏，表现为半导电屏蔽料90℃时体积电阻率大幅上升，即所谓的PTC效应，为了抑制PTC效应，通常采取加入高含量的导电炭黑，而导电炭黑含量的增加会产生半导电屏蔽料一系列加工问题以及劣化半导电屏蔽料的力学性能，所以如何改善EVA基半导电屏蔽材料的热稳定性，减缓PTC效应具有重大意义，目前针对热稳定性不足的问题，高压半导电屏蔽材料多采用EEA、EBA等耐热性更优的树脂基体进行替代，或对EVA进行枝接改性从而提高其热稳定性，针对PTC问题多采用添加适量的碳纳米管或石墨烯等导电性更好的导电填料从而降低导电炭黑的含量从而减缓PTC效应，但是不论是更换材料、表化枝接还是添加填料，均会增加电缆屏蔽材料成本，增加制造难度，无法得到大规模的推广应用。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种高压半导电屏蔽材料及其制备方法，具有良好的耐热性能、电气性能和力学性能，可以有效的提高热稳定，缓解PTC效应。
本发明的技术方案是：
一种高压半导电屏蔽材料，该屏蔽料由以下配方所述的材料组成，其中的份数为质量百分比：
基础树脂：50-70份；
导电炭黑：20-30份；
分散剂：0.5-2份；
功能助剂：1-6份；
交联剂：0.9-2份；
导热填料：0-2份；
其中基础树脂为乙烯-醋酸乙酯(EVA)、低密度聚乙烯(LDPE)混合物，所述乙烯-醋酸乙酯(EVA)、低密度聚乙烯(LDPE)在基础树脂中的质量百分比如下：
乙烯-醋酸乙酯(EVA)：60-80份；
低密度聚乙烯(LDPE)：20-40份。
所述导电炭黑为高纯净度型导电炭黑。
所述导电炭黑的DBP吸收值为130-150ml/100g，灰分含量＜0.1％。
所述分散剂为乙撑双硬脂酰胺(EBS)和油酸酰胺中的一种或多种。
所述功能助剂包括偶联剂、润滑剂和抗氧剂，所述偶联剂为硅烷偶联剂KH550，润滑剂为硬脂酸锌，抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂168和抗氧剂300中的一种或多种。
所述交联剂为过氧化二异丙基苯(BIPB)和过氧化二异丙苯(DCP)中的一种或多种。
所述导热填料为鳞片状石墨。
所述高压半导电屏蔽料具体制备方法如下：
S1、按照质量百分比分别对基础树脂、导电炭黑、分散剂和功能助剂进行烘干；
S2、将烘干后的导电炭黑与相应质量百分比的分散剂均匀混合；
S3、在步骤S2得到的导电炭黑与分散剂混合物中添加相应质量百分比的功能助剂进行均匀混合；
S4、在步骤S3得到的导电炭黑、分散剂、功能助剂混合物中添加相应质量百分比的基础树脂进行均匀混合；
S5、将步骤S4得到的导电炭黑、分散剂、功能助剂、基础树脂混合物中加入相应质量百分比的导热填料进行熔融共混，挤出压缩并进行切粒烘干；
S6、在步骤S5得到的烘干后的物料中加入相应质量百分比的交联剂进行均匀混合；
S7、对步骤S6得到的混合物进行烘干，烘箱温度为恒温50-80℃，烘干时间为7-9h；
S8、步骤S7获得的产品即为高压电缆屏蔽料；
所述步骤S5中加入的交联剂为研磨后无明显颗粒的交联剂。
所述步骤S2、S3、S4，混合时间为8-12min，所述步骤S5，熔融共混挤出温度为150-170℃。
所述步骤S6，在对步骤S5得到的烘干后的物料加入交联剂前需要对步骤S5得到的烘干后的物料进行恒温预处理，所述恒温箱温度为50-70℃。
本发明的有益效果是：
1、低密度聚乙烯(LDPE)相较于乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)其初始热分解温度更高，耐热性更好。引入一定质量分数的LDPE可以有效提升EVA基半导电屏蔽材料的热稳定性能以及初始热分解温度，降低EVA在制备过程中热失重的份数从而有效改善EVA基半导电屏蔽层在制备过程中由于热降解所导致的电缆部分性能劣化这一现象；
2、低密度聚乙烯(LDPE)相较于乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)热稳定性更好，温度变化时其分子链运动的剧烈程度相对较小，同时结晶能力较好。引入一定质量分数的LDPE一定程度上改善了EVA基半导电屏蔽料的结晶能力，对EVA分子链热运动产生了一定的限制作用，保证了半导电屏蔽料良好的导电性能的同时也使半导电屏蔽材料导电网络的高温稳定性得到了明显的改善，有效抑制了半导电屏蔽料的PTC效应。
3、绝缘屏蔽料的导热性能较差，加入导热填料增强导热性能，可以在电缆长期运行过程中使用时快速的将产生的热量分离，进一步的提高耐热性，有效减少局部热击穿现象提高电缆寿命。
附图说明
图1是本发明实施例所述一种高压半导电屏蔽材料的热重分析(TGA)曲线图；
图2是本发明实施例所述一种高压半导电屏蔽材料的热重微分(DTG)曲线图；
图3是本发明实施例所述一种高压半导电屏蔽材料使用耐热失重分析仪进行数据处理得出的热重分析曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。
实施例1：
一种高压半导电屏蔽材料，该屏蔽料由以下配方所述的材料组成，其中的份数为质量百分比：
基础树脂：65.5份；
导电炭黑：30份；
分散剂：2份；
功能助剂：1.3份；
交联剂：1份；
导热填料：0份；
其中基础树脂为乙烯-醋酸乙酯(EVA)、低密度聚乙烯(LDPE)混合物，所述乙烯-醋酸乙酯(EVA)、低密度聚乙烯(LDPE)在基础树脂中的质量百分比如下：
乙烯-醋酸乙酯(EVA)：70份；
低密度聚乙烯(LDPE)：30份。
所述导电炭黑为高纯净度型导电炭黑。
所述导电炭黑的DBP吸收值为130-150ml/100g，灰分含量＜0.1％。
所述分散剂为乙撑双硬脂酰胺(EBS)。
所述功能助剂包括偶联剂、润滑剂和抗氧剂，所述偶联剂为硅烷偶联剂KH550，润滑剂为硬脂酸锌，抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂168和抗氧剂300中的一种或多种。
所述交联剂为过氧化二异丙基苯(BIPB)。
导热填料为氧化铝、氧化镁、氧化锌、氮化铝、氮化硼、碳化硅的一种或多种,其中,运用最广的为微米级氧化铝及硅微粉。
分散剂也可以为乙撑双硬脂酰胺(EBS)和油酸酰胺中的一种或多种。
交联剂可以为过氧化二异丙基苯(BIPB)和过氧化二异丙苯(DCP)中的一种或多种。
具体制备方法如下：
S1、按照质量百分比分别对基础树脂、导电炭黑、分散剂和功能助剂进行烘干；
S2、将烘干后的导电炭黑与相应质量百分比的分散剂均匀混合；
S3、在步骤S2得到的导电炭黑与分散剂混合物中添加相应质量百分比的功能助剂进行均匀混合；
S4、在步骤S3得到的导电炭黑、分散剂、功能助剂混合物中添加相应质量百分比的基础树脂进行均匀混合；
S5、将步骤S4得到的导电炭黑、分散剂、功能助剂、基础树脂混合物中加入相应质量比百分比的导热填料进行熔融共混，挤出压缩并进行切粒烘干；
S6、在步骤S5得到的烘干后的物料中加入相应质量百分比的交联剂进行均匀混合；
S7、对步骤S6得到的混合物进行烘干，烘箱温度为恒温50-80℃，烘干时间为7-9h；
S8、步骤S7获得的产品即为高压电缆屏蔽材料。
实施例2：
与实施例1的唯一区别为导电炭黑29份，鳞状石墨片1份。
实施例3：
与实施例1的唯一区别为导电炭黑28份，鳞状石墨片2份。
图1-图3为本实施例与对比例进行比较的热重分析曲线图，分析后得到表1、表2结果，结果如下：
表1实施例和对比例物理机械性能及电性能
由表1结果得知，采用本发明制备方法得到的高压电缆半导电屏蔽表现出优异的力学性能和电性能。一定含量的LDPE的引入，使其半导电屏蔽材料的力学性能和电学性能介于对比例1和对比例2之间，如当EVA:LDPE为7:3时，其断裂伸长率为285.9％，而拉伸强度维持在17～18MPa的水平，23℃和90℃的体积电阻率分别为83.1Ω·cm和327.5Ω·cm，相较于EVA/CB复合材料而言，分别降低了15％和62.2％。这是由于当引入EVA与LDPE质量份数为7：3时，该含量的LDPE会以部分连续相部分半连续相的形式分布于EVA相当中，此时LDPE相当于增强相且与EVA相之间具有协同作用从而对材料起到增强增韧的作用，因此保证了半导电屏蔽材料具有十分出色的力学性能。
同时，引入LDPE并于CB和EVA熔融共混时，由于CB粒子与LDPE的相容性更好，CB粒子会优先向LDPE相发生迁移并逐渐趋于饱和，随后才会在EVA和LDPE的两相界面处或者EVA相中。30份含量LDPE会以部分“岛”相，部分连续相的形式分布于EVA相内，当填充30wt％的导电炭黑时，LDPE相中CB含量达到饱和，其余的分散在两相界面处以及EVA相当中并形成导电网络，由于LDPE本身热稳定性较好，分子链运动受温度影响较小，故其PTC效应较弱，而这种结构形式相当于更加具有高温稳定性的导电网络枢纽与EVA相中的导电网络所桥接，同时在高温作用下，EVA分子链热运动由于LDPE的限制作用，其对导电网络的破坏效果也因此减弱。EVA/LDPE/CB半导电屏蔽材料的体积电阻率的高温稳定性相较于EVA/CB和LDPE/CB更好，表现为P90℃与P23℃的比值出现了明显的下降。以上结果说明半导电屏蔽材料在EVA:LDPE为7：3时力学性能、电性能均能够满足国家标准的使用要求(拉伸强度≥12MPa，断裂伸长率≥150％)，能够满足国家标准使用要求(23℃体积电阻率≤100Ω·cm,90℃体积电阻率≤350Ω·cm)且30份质量分数的LDPE的引入有效提高了半导电屏蔽材料导电网络的高温稳定性。
对比分析实施例1、2、3，由于鳞片状石墨具有良好的本征热导率和电导率，故引入适量的鳞片状石墨有助于改善半导电屏蔽材料的电学性能和导热性能进而改善电缆长期运行过程中出现的热击穿现象。但由于石墨片表面的大量含氧官能团，其界面能量较高故在基体中容易团聚，因此，少量鳞片状石墨的引入会严重影响半导电屏蔽材料的拉伸强度，而对断裂伸长率影响较小。
表2实施例和对比例耐热性对比分析
本技术中涉及的半导电复合材料的热分解温度及热失重现象取决于基体材料而与本专利涉及填料关联极小，故仅对比分析实施例与对比例1、2的区别。由图1、图2、图3和表2结果可知，LDPE的引入改善了EVA基半导电屏蔽料的耐热性，使材料的初始热分解温度上升，如相较于纯的EVA基体材料，引入30质量百分数的LDPE即可使基体材料的热分解初始温度由277.3℃提升至304.5℃，一阶热失重份数由14.66％降低至10.42％。高压电缆的制备是经由硫化管道于260℃～280℃环境下三层共挤制备而成，为了更贴合这一实际制备场景，以100～280℃为温度区间比较不同含量LDPE的各组试样的热失重份数，结果表明当引入30份质量份数的LDPE时，该温度区间的热失重份数由1.95％减少至1.74％，说明基体材料的受热分解现象得以改善，而当LDPE含量达到一定值时，基体材料在该温度区间的质量损失趋于稳定。EVA树脂一般在230～250℃范围内便开始发生热降解反应，故以EVA对应的100～250℃温度区间内热失重份数为参照，当引入30份LDPE，其热分解相同份数所对应的上限温度提升至267.7℃，纯LDPE所对应的上限温度则为308℃。以上结果说明LDPE的引入有效减少了EVA的热分解程度，一定程度上改善了基体材料的耐热性能。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种高压半导电屏蔽材料，其特征在于，该屏蔽料由以下配方所述的材料组成，其中的份数为质量百分比：
基础树脂：50-70份；
导电炭黑：20-30份；
分散剂：0.5-2份；
功能助剂：1-6份；
交联剂：0.9-2份；
导热填料：0-2份；
其中基础树脂为乙烯-醋酸乙酯(EVA)、低密度聚乙烯(LDPE)混合物，所述乙烯-醋酸乙酯(EVA)、低密度聚乙烯(LDPE)在基础树脂中的质量百分比如下：
乙烯-醋酸乙酯(EVA)：60-80份；
低密度聚乙烯(LDPE)：20-40份。
2.根据权利要求1所述的一种高压半导电屏蔽材料，其特征在于，所述导电炭黑为高纯净度型导电炭黑。
3.根据权利要求2所述的一种高压半导电屏蔽材料，其特征在于，所述导电炭黑的DBP吸收值为130-150ml/100g，灰分含量＜0.1％。
4.根据权利要求1所述的一种高压半导电屏蔽材料，其特征在于，所述分散剂为乙撑双硬脂酰胺(EBS)和油酸酰胺中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种高压半导电屏蔽材料，其特征在于，所述功能助剂包括偶联剂、润滑剂和抗氧剂，所述偶联剂为硅烷偶联剂KH550，润滑剂为硬脂酸锌，抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂168和抗氧剂300中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种高压半导电屏蔽材料，其特征在于，所述交联剂为过氧化二异丙基苯(BIPB)和过氧化二异丙苯(DCP)中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的一种高压半导电屏蔽材料，其特征在于，所述导热填料为鳞片状石墨。
8.根据权利要求1所述的一种高压半导电屏蔽材料，其特征在于，所述高压半导电屏蔽料具体制备方法如下：
S1、按照质量百分比分别对基础树脂、导电炭黑、分散剂和功能助剂进行烘干；
S2、将烘干后的导电炭黑与相应质量百分比的分散剂均匀混合；
S3、在步骤S2得到的导电炭黑与分散剂混合物中添加相应质量百分比的功能助剂进行均匀混合；
S4、在步骤S3得到的导电炭黑、分散剂、功能助剂混合物中添加相应质量百分比的基础树脂进行均匀混合；
S5、将步骤S4得到的导电炭黑、分散剂、功能助剂、基础树脂混合物中加入相应质量百分比的导热填料进行熔融共混，挤出压缩并进行切粒烘干；
S6、在步骤S5得到的烘干后的物料中加入相应质量百分比的交联剂进行均匀混合；
S7、对步骤S6得到的混合物进行烘干，烘箱温度为恒温50-80℃，烘干时间为7-9h；
S8、步骤S7获得的产品即为高压电缆屏蔽料；
所述步骤S5中加入的交联剂为研磨后无明显颗粒的交联剂。
9.根据权利要求8所述的一种种热稳定性高的高压半导电屏蔽料，其特征在于，所述步骤S2、S3、S4，混合时间为8-12min，所述步骤S5，熔融共混挤出温度为150-170℃。
10.根据权利要求7所述的一种高压半导电屏蔽材料，其特征在于，所述步骤S6，在对步骤S5得到的烘干后的物料加入交联剂前需要对步骤S5得到的烘干后的物料进行恒温预处理，所述恒温箱温度为50-70℃。
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