CN118063921A - 一种电缆用自修复护套材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电缆用自修复护套材料及其制备方法，属于电缆用护套材料技术领域，包括以下重量份原料：80‑100份自修复聚丙烯、8‑10份热塑性弹性体、5‑10份改性纳米SiO2、5‑10份阻燃剂、0.5‑1份抗氧剂、1‑2份润滑剂，制备方法如下：按照配方比例称取原料，混合均匀后通过双螺杆机挤出机挤出造粒即可；本发明提供的电缆用自修复护套材料，具有良好的力学性能、自修复性能以及电学性能，适用于制备高压直流输电系统用电缆，本发明提供的制备方法步骤简单，易于操作，并且在修复材料损伤时不需要额外的修复设备，修复工艺简单易行，有利于大规模推广。
Description
技术领域
本发明属于电缆用护套材料技术领域，具体涉及一种电缆用自修复护套材料及其制备方法。
背景技术
随着人们环境保护和资源节约意识增强，投入使用的可再生能源发电厂越来越多，如水力发电厂、风能发电厂等等。但是这些发电厂往往坐落在偏远的地区，所以为了在远距离输电时尽可能减少线路上的电能损失，开发稳定、可靠、高效的高压直流输电系统是必不可少的。
而高压直流输电系统的成功运行对所需电缆提出了更高的性能要求，尤其是电缆护套材料，电缆护套材料作为电缆的重要组成部分，起着绝缘保护作用，在远距离、长期输电过程中，护套会产生裂纹等损失，造成其力学、电气性能大幅下降；在高压直流电场下，护套材料内部空间电荷也会不断积累，导致局部电场畸变，从而加速绝缘材料的老化，严重时导致绝缘材料发生击穿而失效。针对开裂问题，目前通过对电缆绝缘护套进行修复可以恢复其力学、电气性能，现有的常规修复方法有采用热封焊、热缩管、修复液灌装等，但是这些修复方法不具备自修复性，需要依靠故障定位技术查到故障点才能进行修复，工序繁琐，针对击穿失效问题，目前研究较少，因此，有必要提供一种击穿强度高的电缆用自修复护套材料，以解决现有技术中高压直流电场下电缆的护套材料开裂修复不便以及易击穿失效的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电缆用自修复护套材料及其制备方法，以解决现有技术中高压直流电场下电缆的护套材料开裂修复不便以及易击穿失效的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种电缆用自修复护套材料，包括以下重量份原料：
80-100份自修复聚丙烯、8-10份热塑性弹性体、5-10份改性纳米SiO2、5-10份阻燃剂、0.5-1份抗氧剂、1-2份润滑剂。
上述电缆用自修复护套材料的制备方法，包括以下步骤：
按照配方比例称取自修复聚丙烯、热塑性弹性体、改性纳米SiO2、阻燃剂、抗氧剂、润滑剂并置于高速混合机中，转速1500-3000r/min下混合1-2h，采用双螺杆挤出机挤出造粒，造粒后的物料收集储存，即为电缆用自修复护套材料。
进一步地，双螺杆挤出机的主机螺杆转速为200r/min，螺杆段温度范围170-205℃。
所述自修复聚丙烯为含有二硫键和金属配位键的聚丙烯。
进一步地，自修复聚丙烯通过以下步骤制成：
S1、将聚丙烯、N,N'-双(丙烯酰基)-胱氨酸和过氧化二异丙苯混合均匀后转移至双螺杆挤出机中，160-190℃下挤出造粒，80℃下真空干燥10h，得到接枝聚丙烯；
S2、将接枝聚丙烯加入甲醇中，搅拌后加入ZnCl2溶液，搅拌12-14h后，抽滤，滤饼用无水乙醇洗涤后干燥，得到自修复聚丙烯。
本发明以聚丙烯为基体树脂，过氧化二异丙苯为引发剂，N,N'-双(丙烯酰基)-胱氨酸为接枝剂，采用双螺杆挤出机熔融接枝的方法制备接枝聚丙烯，在聚丙烯分子链上引入含有二硫键和双羧基的N,N'-双(丙烯酰基)-胱氨酸，之后利用羧基与Zn2+的配位作用，得到含有二硫键和金属配位键的自修复聚丙烯。
进一步地，步骤S1中聚丙烯、N,N'-双(丙烯酰基)-胱氨酸和过氧化二异丙苯的质量比为100：5-8：0.1-0.2。
进一步地，步骤S2中接枝聚丙烯、甲醇和ZnCl2溶液的用量比为10g：100-200mL：6-10mL，ZnCl2溶液为ZnCl2的水溶液，质量分数20-50%。
进一步地，改性纳米SiO2通过以下步骤制成：
步骤A1、将纳米SiO2和三乙氧基甲硅烷基丁醛加入甲苯中超声分散1h，升温至100℃搅拌反应24h，反应结束后，8000rmp离心10min，沉淀用甲苯洗涤后80℃下真空干燥24h，得到醛基化纳米SiO2；
步骤A2、将醛基化纳米SiO2、间氨基苯甲酸加入无水乙醇中，超声分散1h后，升温至70-80℃，搅拌反应5-7h，冷却后8000rmp离心10min，沉淀用无水乙醇洗涤后80℃下真空干燥24h，得到改性纳米SiO2。
本发明以纳米SiO2为无机基础材料，先在纳米SiO2表面使用三乙氧基甲硅烷基丁醛处理，使纳米SiO2表面醛基化，之后利用醛基与氨基之间的缩合反应，使间氨基苯甲酸的氨基形成席夫碱而固定于纳米SiO2表面，得到改性纳米SiO2。
进一步地，步骤A1中纳米SiO2、三乙氧基甲硅烷基丁醛和甲苯的用量比为2.5g：2.5-5g：100mL。
进一步地，步骤A2中醛基化纳米SiO2、间氨基苯甲酸和无水乙醇的用量比为1g：0.2-0.4g：15-20mL。
进一步地，热塑性弹性体为乙烯-辛烯共聚物（POE）和苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯三嵌段共聚物（SEBS）中的一种或两种。
进一步地，阻燃剂是聚磷酸铵与磷酸三甲苯酯以重量比3-8:1混合得到。
进一步地，抗氧剂为抗氧剂300、抗氧剂1010、抗氧剂1024、抗氧剂168中的一种或多种。
进一步地，润滑为石蜡、硬脂酸钙和聚乙烯蜡中的至少一种。
本发明的有益效果：
1.本发明提供一种电缆用自修复护套材料，具有良好的力学性能、自修复性能以及电学性能，适用于制备高压直流输电系统用电缆，本发明提供的制备方法步骤简单，易于操作，并且在修复材料损伤时不需要额外的修复设备，修复工艺简单易行，有利于大规模推广。
2.本发明护套材料中自修复聚丙烯为含有二硫键和金属配位键（羧酸锌）的聚丙烯，其中可逆动态化学键S-S键在一定温度下具有分子重构的特点，羧基与Zn2+之间的配位键键能高，具有良好的动态性，两者协同作用在赋予护套材料优异的自修复性能的同时保证材料的机械性能。
3.本发明护套材料中改性纳米SiO2为表面通过席夫碱结构接枝间氨基苯甲酸的纳米SiO2，表面不仅有硅烷偶联剂修饰，还接枝了间氨基苯甲酸，降低了纳米粒子的表面能聚集效应，提高了纳米SiO2与有机物基体的相容性，改善了复合材料的机械性能；由于席夫碱结构中含有动态亚胺键，能够进一步提升护套材料的自修复性能；由于间氨基苯甲酸属于电压稳定剂的一种，致使改性纳米SiO2具有纳米粒子和电压稳定剂分子的双重作用，不仅可以抑制空间电荷的积累，还可以捕捉注入的空间电荷和电场作用下聚合物内产生的空间电荷，改善电荷分布情况，进而提高护套材料的直流击穿强度；此外，由于自修复聚丙烯分子链上含有极性羧酸盐结构，使改性纳米SiO2与自修复聚丙烯之间存在极性界面和非极性界面，极性界面有利于降低缺陷，极性界面中极性基团具有电子陷阱作用，进一步提高了护套材料的击穿强度。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
以下实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行，以下实施例中所用原料除特别说明外均可来源于普通市售。
所述聚丙烯采用中国石化生产的牌号为K8003的共聚聚丙烯作为基料，熔融指数2.5g/10min；热塑性弹性体选用聚烯烃弹性体POELC170，熔融指数为1.1g/10min，密度为0.870g/cm3，熔融温度为58℃；以及聚苯乙烯含量为29%的SEBS，熔融指数为6g/10min(230℃)，密度为0.91g/cm3，抗拉强度为31MPa。
实施例
自修复聚丙烯通过以下步骤制成：
S1、将100g聚丙烯、5g N,N'-双(丙烯酰基)-胱氨酸和0.1g过氧化二异丙苯混合均匀后转移至双螺杆挤出机中，挤出造粒，螺杆转速25r/min，各区温度分别为160℃、170℃、180℃、190℃、190℃，80℃下真空干燥10h，得到接枝聚丙烯；
S2、将10g接枝聚丙烯加入100mL甲醇中，搅拌后加入6mL质量分数20%的ZnCl2水溶液，搅拌12h后，抽滤，滤饼用无水乙醇洗涤后干燥，得到自修复聚丙烯。
实施例
自修复聚丙烯通过以下步骤制成：
S1、将100g聚丙烯、8g N,N'-双(丙烯酰基)-胱氨酸和0.2g过氧化二异丙苯混合均匀后转移至双螺杆挤出机中，挤出造粒，螺杆转速25r/min，各区温度分别为160℃、170℃、180℃、190℃、190℃，80℃下真空干燥10h，得到接枝聚丙烯；
S2、将10g接枝聚丙烯加入200mL甲醇中，搅拌后加入10mL质量分数50%的ZnCl2水溶液，搅拌14h后，抽滤，滤饼用无水乙醇洗涤后干燥，得到自修复聚丙烯。
对比例1
自修复聚丙烯通过以下步骤制成：
将100g聚丙烯、5g N,N'-双(丙烯酰基)-胱氨酸和0.1g过氧化二异丙苯混合均匀后转移至双螺杆挤出机中，挤出造粒，螺杆转速25r/min，各区温度分别为160℃、170℃180℃、190℃、190℃，80℃下真空干燥10h，得到自修复聚丙烯。
对比例2
本对比例为聚丙烯。
实施例
改性纳米SiO2通过以下步骤制成：
步骤A1、将2.5g纳米SiO2和2.5g三乙氧基甲硅烷基丁醛加入100mL甲苯中超声分散1h，升温至100℃搅拌反应24h，8000rmp离心10min，沉淀用甲苯洗涤后80℃下真空干燥24h，得到醛基化纳米SiO2；
步骤A2、将1g醛基化纳米SiO2、0.2g间氨基苯甲酸加入15mL无水乙醇中，超声分散1h后，升温至70℃，搅拌反应5h，冷却后8000rmp离心10min，沉淀用无水乙醇洗涤后80℃下真空干燥24h，得到改性纳米SiO2。
实施例
改性纳米SiO2通过以下步骤制成：
步骤A1、将2.5g纳米SiO2和5g三乙氧基甲硅烷基丁醛加入100mL甲苯中超声分散1h，升温至100℃搅拌反应24h，8000rmp离心10min，沉淀用甲苯洗涤后80℃下真空干燥24h，得到醛基化纳米SiO2；
步骤A2、将1g醛基化纳米SiO2、0.4g间氨基苯甲酸加入20mL无水乙醇中，超声分散1h后，升温至80℃，搅拌反应7h，冷却后8000rmp离心10min，沉淀用无水乙醇洗涤后80℃下真空干燥24h，得到改性纳米SiO2。
对比例3
改性纳米SiO2通过以下步骤制成：
将2.5g纳米SiO2和2.5g三乙氧基甲硅烷基丁醛加入100mL甲苯中超声分散1h，升温至100℃搅拌反应24h，反应结束后，8000rmp离心10min，沉淀用甲苯洗涤后80℃下真空干燥24h，得到改性纳米SiO2。
实施例
一种电缆用自修复护套材料，包括以下重量份原料：
80份实施例1的自修复聚丙烯、8份热塑性弹性体、5份实施例3的改性纳米SiO2、5份阻燃剂、0.5份抗氧剂、1份润滑剂。
上述电缆用自修复护套材料的制备方法，包括以下步骤：
按照配方比例称取自修复聚丙烯、热塑性弹性体、改性纳米SiO2、阻燃剂、抗氧剂、润滑剂并置于高速混合机中，转速1500r/min下混合1h，采用双螺杆挤出机挤出造粒，螺杆转速为200r/min，各区温度为170℃、175℃、180℃、190℃、200℃、210℃、210℃、210℃、205℃，造粒后的物料收集储存，即为电缆用自修复护套材料。
其中，热塑性弹性体为POE，阻燃剂是聚磷酸铵与磷酸三甲苯酯以重量比3:1混合得到，抗氧剂为抗氧剂300，润滑为石蜡。
实施例
一种电缆用自修复护套材料，包括以下重量份原料：
90份实施例2的自修复聚丙烯、9份热塑性弹性体、8份实施例3的改性纳米SiO2、8份阻燃剂、0.8份抗氧剂、1.5份润滑剂。
上述电缆用自修复护套材料的制备方法，包括以下步骤：
按照配方比例称取自修复聚丙烯、热塑性弹性体、改性纳米SiO2、阻燃剂、抗氧剂、润滑剂并置于高速混合机中，转速2000r/min下混合1.5h，采用双螺杆挤出机挤出造粒，螺杆转速为200r/min，各区温度为170℃、175℃、180℃、190℃、200℃、210℃、210℃、210℃、205℃，造粒后的物料收集储存，即为电缆用自修复护套材料。
其中，热塑性弹性体为SEBS，阻燃剂是聚磷酸铵与磷酸三甲苯酯以重量比5：1混合得到，抗氧剂为抗氧剂1010，润滑为硬脂酸钙。
实施例
一种电缆用自修复护套材料，包括以下重量份原料：
100份实施例2的自修复聚丙烯、10份热塑性弹性体、10份实施例4的改性纳米SiO2、10份阻燃剂、1份抗氧剂、2份润滑剂。
上述电缆用自修复护套材料的制备方法，包括以下步骤：
按照配方比例称取自修复聚丙烯、热塑性弹性体、改性纳米SiO2、阻燃剂、抗氧剂、润滑剂并置于高速混合机中，转速3000r/min下混合2h，采用双螺杆挤出机挤出造粒，螺杆转速为200r/min，各区温度为170℃、175℃、180℃、190℃、200℃、210℃、210℃、210℃、205℃，造粒后的物料收集储存，即为电缆用自修复护套材料。
其中，热塑性弹性体为POE，阻燃剂是聚磷酸铵与磷酸三甲苯酯以重量比8：1混合得到，抗氧剂为抗氧剂1024，润滑为硬脂酸钙。
对比例4
一种电缆用自修复护套材料，与实施例5相比，将实施例5中自修复聚丙烯替换成对比例1制备产物，其余原料及制备过程同实施例5。
对比例5
一种电缆用自修复护套材料，与实施例5相比，将实施例5中自修复聚丙烯替换成对比例2中物质，其余原料及制备过程同实施例5。
对比例6
一种电缆用自修复护套材料，与实施例5相比，将实施例5中改性纳米SiO2替换成对比例3制备产物，其余原料及制备过程同实施例5。
将实施例5-实施例7和对比例4-对比例6所得电缆用自修复护套材料制备成哑铃型样条，按照GB/T1040-2018《塑料拉伸性能的测试》测试材料样品的拉伸性能，拉伸速率为50mm/min，测量5次，最终结果取平均值；用刀片在各组哑铃型样条表面划出长5cm、宽500微米的裂缝，70℃下修复12h，再次对各组样品的拉伸强度进行测试，利用公式(修复后拉伸强度/初始拉伸强度）×100%计算样品的修复效率；将各组护套材料热压制备厚度为0.05±0.005mm的试验样品，将其置于球板电极之间，浸入有机硅油中，在25℃下进行测试，直流电压升压速度为500V/s,直至样品被击穿得到击穿强度，仪器直流高压发生器购自上海蓝波有限公司，型号为AHDZ-10/100，测试结果如表1所示：
表1
| 项目 | 实施例5 | 实施例6 | 实施例7 | 对比例4 | 对比例5 | 对比例6 |
| 拉伸强度（MPa) | 38.4 | 38.8 | 39.2 | 38.2 | 38.0 | 36.5 |
| 修复效率（%） | 97.4 | 99.1 | 99.3 | 81.6 | 51.6 | 90.2 |
| 直流击穿强度（KV/mm） | 475.21 | 489.05 | 498.62 | 474.6 | 432.8 | 369.7 |
由表1可以看出，相比于对比例4、对比例5、对比例6获得的护套材料而言，实施例5、实施例6、实施例7获得的护套材料具有更高的力学性能、自修复性能以及耐击穿性能。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明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，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种电缆用自修复护套材料，其特征在于，包括以下重量份原料：
80-100份自修复聚丙烯、8-10份热塑性弹性体、5-10份改性纳米SiO2、5-10份阻燃剂、0.5-1份抗氧剂、1-2份润滑剂；
所述自修复聚丙烯为含有二硫键和金属配位键的聚丙烯。
2.根据权利要求1所述的一种电缆用自修复护套材料，其特征在于，自修复聚丙烯通过以下步骤制成：
S1、将聚丙烯、N,N'-双（丙烯酰基)-胱氨酸和过氧化二异丙苯混合均匀后转移至双螺杆挤出机中，160-190℃下挤出造粒，80℃下真空干燥10h，得到接枝聚丙烯；
S2、将接枝聚丙烯加入甲醇中，搅拌后加入ZnCl2溶液，搅拌12-14h后，抽滤，滤饼用无水乙醇洗涤后干燥，得到自修复聚丙烯。
3.根据权利要求2所述的一种电缆用自修复护套材料，其特征在于，步骤S1中聚丙烯、N,N'-双(丙烯酰基)-胱氨酸和过氧化二异丙苯的质量比为100：5-8：0.1-0.2。
4.根据权利要求2所述的一种电缆用自修复护套材料，其特征在于，步骤S2中接枝聚丙烯、甲醇和ZnCl2溶液的用量比为10g：100-200mL：6-10mL，ZnCl2溶液为ZnCl2的水溶液，质量分数20-50%。
5.根据权利要求1所述的一种电缆用自修复护套材料，其特征在于，改性纳米SiO2通过以下步骤制成：
步骤A1、将纳米SiO2和三乙氧基甲硅烷基丁醛加入甲苯中超声分散1h，升温至100℃搅拌反应24h，反应结束后，8000rmp离心10min，沉淀用甲苯洗涤后80℃下真空干燥24h，得到醛基化纳米SiO2；
步骤A2、将醛基化纳米SiO2、间氨基苯甲酸加入无水乙醇中，超声分散1h后，升温至70-80℃，搅拌反应5-7h，冷却后8000rmp离心10min，沉淀用无水乙醇洗涤后80℃下真空干燥24h，得到改性纳米SiO2。
6.根据权利要求5所述的一种电缆用自修复护套材料，其特征在于，步骤A1中纳米SiO2、三乙氧基甲硅烷基丁醛和甲苯的用量比为2.5g：2.5-5g：100mL。
7.根据权利要求5所述的一种电缆用自修复护套材料，其特征在于，步骤A2中醛基化纳米SiO2、间氨基苯甲酸和无水乙醇的用量比为1g：0.2-0.4g：15-20mL。
8.根据权利要求1所述的一种电缆用自修复护套材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
按照配方比例称取自修复聚丙烯、热塑性弹性体、改性纳米SiO2、阻燃剂、抗氧剂、润滑剂并置于高速混合机中，转速1500-3000r/min下混合1-2h，采用双螺杆挤出机挤出造粒，造粒后的物料收集储存，即为电缆用自修复护套材料。
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