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CN117126484A - 一种环保电缆用非交联屏蔽材料及其制备方法 - Google Patents

一种环保电缆用非交联屏蔽材料及其制备方法 Download PDF

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CN117126484A
CN117126484A CN202311172206.8A CN202311172206A CN117126484A CN 117126484 A CN117126484 A CN 117126484A CN 202311172206 A CN202311172206 A CN 202311172206A CN 117126484 A CN117126484 A CN 117126484A
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CN202311172206.8A
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闫轰达
魏占朋
李文鹏
杨威
李维康
许然然
宋鹏先
刘龙
李亚格
吴国文
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State Grid Tianjin Electric Power Co Ltd
State Grid Smart Grid Research Institute of SGCC
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Beijing Smart Energy Research Institute
State Grid Tianjin Electric Power Co Ltd
State Grid Smart Grid Research Institute of SGCC
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Abstract

发明提供了一种环保电缆用非交联屏蔽材料，属于环保电缆材料技术领域。所述屏蔽材料包括以重量份计的下述组份：抗冲聚丙烯50‑90份、热塑性弹性体10‑50份、炭黑20‑40份，抗氧剂A 0.1‑0.3份、抗氧剂B 0.05‑0.1份，润滑剂3‑10份。本发明采用抗冲聚丙烯为基料，通过往复式单螺杆挤出机将抗冲聚丙烯、热塑性弹性体、复合抗氧剂和润滑剂熔融混炼，滤去杂质后挤出造粒，制备成表面超光滑、力学性能优异的非交联屏蔽料。

Description

一种环保电缆用非交联屏蔽材料及其制备方法
技术领域
本发明属于环保电缆材料技术领域，具体涉及一种环保型高压电缆用的非交联屏蔽材料及其制备方法。
背景技术
意大利普睿司曼自2003年开始，利用P-Laser技术开发了中压聚丙烯绝缘电缆，并在多个工程中应用，总长度超过5万公里，2013年安装运行了150kV聚丙烯绝缘交流电缆，并先后于2015年和2016年完成了320kV和525kV聚丙烯绝缘高压直流电缆的试制。韩国LS&KEPCO自2013年起开展聚丙烯绝缘电缆的研究和试制，但未有商业应用。目前，高压电缆用聚丙烯绝缘专利与技术基本被普睿司曼、北欧化工、日本三菱等国外企业垄断。
欧洲和日本对电力电缆级聚丙烯的研究较早，进入21世纪后普睿司曼(Prysmian)和北欧化工(Borealis)拥有数十件热塑性绝缘电缆的专利。目前，中压交流聚丙烯电缆在欧洲已有数万公里正在运行，意大利和荷兰是应用改性聚丙烯电缆最多的欧洲国家。意大利电网公司通过中压电网中应用普睿司曼公司生产的P-laser新型电缆，有效地减少了对环境的危害，这也是世界上第一个在中压电缆生产方面减少40％碳排放的例子。第二个应用非交联中压电缆的国家是荷兰，当地政府非常重环境影响问题，因此他们对非交联电缆代替XLPE绝缘电缆非常感兴趣，同时按照荷兰的标准，对非交联电缆在水中进行了加速老化试验。因为聚丙烯材料的环保特性，西班牙、芬兰等也陆续使用了改性聚丙烯中压电力电缆，且客户反应聚丙烯电缆运行状态良好。
目前国内已开发出10kV和35kV中压热塑性聚丙烯电缆并成功实现示范应用。但是针对高压环保电缆用非交联屏蔽材料的研究较少。高端的电缆绝缘料和半导电屏蔽料却长期被国外垄断，存在较多技术壁垒。
高压电缆内半导电屏蔽层位于导体和绝缘层之间，在电缆结构中起到均匀电场以及减少金属线芯与绝缘层交界处间隙的作用。高压电缆作为由多层结构组成的绝缘系统，其安全可靠性不仅与绝缘层有关，还与半导电屏蔽层的性能及绝缘层-半导电屏蔽层界面特性有关。
从基础研究和应用的角度来看，目前高压电缆半导电屏蔽料关键问题之一是如何实现半导电屏蔽料的超光滑性。由于半导电屏蔽层中含有很微小的炭黑，容易在半导电屏蔽层表面形成凸起，尤其是在高温下半导电屏蔽层中的炭黑容易向绝缘层渗入，影响半导电屏蔽层-绝缘层界面状态。
J.Yang(Modulus and surface roughness of EVA/acetylene blackcomposites for power cable)等通过改变乙炔炭黑用量对其光洁度进行研究，结果表明炭黑含量增加时光洁度下降。Kjellqvist(New semiconductive products providinghigher performance cables)等选用改进的炉黑用于中压电缆，结合新的电缆制造技术，提高了界面光洁性和抗张强度。雷清泉等(Effect of graphene modified semi-conductive shielding layer on space charge accumulation in insulation layerfor high-voltage direct current cable)通过制备不同含量石墨烯和CB含量的半导电屏蔽层，研究石墨烯和CB的替代作用，及其表面粗糙度和绝缘层中空间电荷注入特性发现，25phr CB和3phr G协同作用可以显著降低半导电屏蔽层的表面粗糙度，同时达到抑制绝缘层中空间电荷积聚的效果。
现有技术通常从屏蔽材料的配方角度来解决表面粗糙度的问题，而制备工艺对表面粗糙度的影响研究较少。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种环保电缆用非交联屏蔽材料及其制备方法，该非交联屏蔽材料的表面光滑度高，力学性能好，电导率优异。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种环保电缆用非交联屏蔽材料，按质量份计，包括如下组分：抗冲聚丙烯50-90份，热塑性弹性体10-50份，炭黑20-40份，抗氧剂A 0.1-0.3份，抗氧剂B 0.05-0.1份，润滑剂3-10份。
进一步地，所述环保电缆用非交联屏蔽材料，按质量份计，包括如下组分：抗冲聚丙烯50-80份，热塑性弹性体20-50份，炭黑30-40份，抗氧剂A 0.15-0.3份，抗氧剂B 0.06-0.1份，润滑剂5-10份。
进一步地，所述抗冲聚丙烯的密度为0.90-0.93g/cm3，分子量分布为5.2-6.0，熔点为145-165℃，熔融指数为1.9-2.1g/min，直流击穿强度＞250kV/mm。
抗冲聚丙烯材料的分子结构和熔点会影响材料与炭黑的相容性及屏蔽材料的加工性能，因此，本发明需要将抗冲聚丙烯的性能控制在上述范围内。
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1-1.5g/10min(190℃/2.16kg)，脆化温度≤-70℃，断裂伸长率＞1000％。
进一步地，所述炭黑灰分＜0.1％，粒径＜40nm，pH值＞7。
进一步地，所述抗氧剂A为酚类化合物；所述抗氧剂B为亚磷酸酯化合物。
更进一步地，所述抗氧剂A选自抗氧剂1010、1024、1035、1330中的至少一种；抗氧剂B为抗氧剂168。
更进一步地，所述抗氧剂A为抗氧剂1010。
进一步地，所述润滑剂为聚乙烯蜡、硬脂酸钠、硬脂酸锌中的至少一种。
另一方面，本发明提供了所述环保电缆用非交联屏蔽材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将抗氧剂A和抗氧剂B按质量比混合得复配抗氧剂；
(2)将抗冲聚丙烯、热塑性弹性体、炭黑、复配抗氧剂和润滑剂按比例加入到往复式单螺杆挤出机中熔融混炼、过滤、挤出、造粒，得到所述环保电缆用非交联屏蔽材料。
进一步地，抗氧剂A和抗氧剂B在高速搅拌机中混合，混合的温度为30-40℃，搅拌速度为150-200r/min。
进一步地，所述往复式单螺杆挤出机的参数设定如下：
一区温度为130-150℃，二区温度为140-160℃，三区温度为150-170℃，四区温度为160-180℃，五区温度为170-190℃，六区温度为190-210℃，料温为190-200℃，模头温度为190-210℃，主机转速为200r/min。
更进一步地，所述往复式单螺杆挤出机的参数设定如下：
一区温度为140℃，二区温度为150℃，三区温度为160℃，四区温度为170℃，五区温度为180℃，六区温度为200℃，料温为200℃，模头温度为200℃，主机转速为200r/min。
以往的现有技术中通常采用常规单螺杆挤出机或双螺杆挤出机，本发明创新性地采用往复式单螺杆挤出机进行制备。往复式单螺杆挤出机在螺杆芯轴上排列着设计独持的积木式螺块，在机筒内衬套上排列有三排混炼销钉，螺杆在径向旋转的过程中，同时做轴向的往复运动，每转动一周，轴向往复运动一次。由于这种特殊的运动方式，以及混炼螺块和销钉的作用，物料不但在混炼销钉和混炼块之间被剪切，而且被往复输送，物料的逆流运动给径向混合加上了非常有用的轴向混合运动。物料不断地被剪切、取向、切割、折叠、拉伸和再取向等。由于在径向和轴向上的同时混炼，增强了混炼效果，保证了最佳的分散性混合和分布性混合，因此均化时间短。混炼销钉和螺纹元件的相互啮合，也提高了机筒的自我清洁能力。通过适当的螺纹元件组合，可保证稳定的工作压力，防止物料在机筒内产生降解。由于混炼元件的螺纹是中断的，所以作用在聚合物上的压力很小，不产生明显的温升。另外，往复机同其他挤出机相比，在直径相同条件下，长径比较短，扭矩在较短的距离上传递，因此螺扦扭矩变形小。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明通过优化环保电缆用非交联屏蔽材料的配方，并结合往复式单螺杆挤出机的制备方式，所得屏蔽材料杂质含量和尺寸明显减小，材料表面光滑度高，且具有优异的力学性能和电导率。
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：抗冲聚丙烯90份，热塑性弹性体SEBS 10份，炭黑20份，抗氧剂1010 0.1份，抗氧剂168 0.1份，润滑剂3份。
将抗氧剂1010和抗氧剂168在高速搅拌机中混合得复配抗氧剂，搅拌机设定温度为25℃，转速为30r/min。
将抗冲聚丙烯、热塑性弹性体、炭黑、复配抗氧剂和润滑剂按照设定比例加入到往复式单螺杆挤出机中，挤出机一区(140℃)、二区(150℃)、三区(160℃)、四区(170℃)、五区(180℃)、六区(200℃)、料温(200℃)、模头温度(200℃)，转速为200r/min，通过熔体过滤系统(300目滤网)过滤杂质后，由模头挤出，然后通过水下造粒制备出非交联屏蔽材料。
实施例2
称取按质量份计的下述物料：抗冲聚丙烯80份，热塑性弹性体SEBS 20份，炭黑30份，抗氧剂1010 0.1份，抗氧剂168 0.1份，润滑剂5份。
将抗氧剂1010和抗氧剂168在高速搅拌机中混合得复配抗氧剂，搅拌机设定温度为25℃，转速为30r/min。
将抗冲聚丙烯、热塑性弹性体、炭黑、复配抗氧剂和润滑剂按照设定比例加入到往复式单螺杆挤出机中，挤出机一区(140℃)、二区(150℃)、三区(160℃)、四区(170℃)、五区(180℃)、六区(200℃)、料温(200℃)、模头温度(200℃)，转速为200r/min，通过熔体过滤系统(300目滤网)过滤杂质后，由模头挤出，然后通过水下造粒制备出非交联屏蔽材料。
实施例3
称取按质量份计的下述物料：抗冲聚丙烯70份，热塑性弹性体SEBS 30份，炭黑20份，抗氧剂1010 0.1份，抗氧剂168 0.1份，润滑剂5份。
将抗氧剂1010和抗氧剂168在高速搅拌机中混合得复配抗氧剂，搅拌机设定温度为25℃，转速为30r/min。
将抗冲聚丙烯、热塑性弹性体、炭黑、复配抗氧剂和润滑剂按照设定比例加入到往复式单螺杆挤出机中，挤出机一区(140℃)、二区(150℃)、三区(160℃)、四区(170℃)、五区(180℃)、六区(200℃)、料温(200℃)、模头温度(200℃)，转速为200r/min，通过熔体过滤系统(300目滤网)过滤杂质后，由模头挤出，然后通过水下造粒制备出非交联屏蔽材料。
实施例4
称取按质量份计的下述物料：抗冲聚丙烯50份，热塑性弹性体SEBS 50份，炭黑35份，抗氧剂1010 0.1份，抗氧剂168 0.15份，润滑剂4份。
将抗氧剂1010和抗氧剂168在高速搅拌机中混合得复配抗氧剂，搅拌机设定温度为25℃，转速为30r/min。
将抗冲聚丙烯、热塑性弹性体、炭黑、复配抗氧剂和润滑剂按照设定比例加入到往复式单螺杆挤出机中，挤出机一区(140℃)、二区(150℃)、三区(160℃)、四区(170℃)、五区(180℃)、六区(200℃)、料温(200℃)、模头温度(200℃)，转速为200r/min，通过熔体过滤系统(300目滤网)过滤杂质后，由模头挤出，然后通过水下造粒制备出非交联屏蔽材料。
实施例5
称取按质量份计的下述物料：抗冲聚丙烯60份，热塑性弹性体SEBS 40份，炭黑40份，抗氧剂1010 0.1份，抗氧剂168 0.1份，润滑剂5份。
将抗氧剂1010和抗氧剂168在高速搅拌机中混合得复配抗氧剂，搅拌机设定温度为25℃，转速为30r/min。
将抗冲聚丙烯、热塑性弹性体、炭黑、复配抗氧剂和润滑剂按照设定比例加入到往复式单螺杆挤出机中，挤出机一区(140℃)、二区(150℃)、三区(160℃)、四区(170℃)、五区(180℃)、六区(200℃)、料温(200℃)、模头温度(200℃)，转速为200r/min，通过熔体过滤系统(300目滤网)过滤杂质后，由模头挤出，然后通过水下造粒制备出非交联屏蔽材料。
实施例6
称取按质量份计的下述物料：抗冲聚丙烯60份，热塑性弹性体SEBS 40份，炭黑35份，抗氧剂1010 0.1份，抗氧剂168 0.1份，润滑剂5份。
将抗氧剂1010和抗氧剂168在高速搅拌机中混合得复配抗氧剂，搅拌机设定温度为25℃，转速为30r/min。
将抗冲聚丙烯、热塑性弹性体、炭黑、复配抗氧剂和润滑剂按照设定比例加入到往复式单螺杆挤出机中，挤出机一区(140℃)、二区(150℃)、三区(160℃)、四区(170℃)、五区(180℃)、六区(200℃)、料温(200℃)、模头温度(200℃)，转速为200r/min，通过熔体过滤系统(300目滤网)过滤杂质后，由模头挤出，然后通过水下造粒制备出非交联屏蔽材料。
实施例7
称取按质量份计的下述物料：抗冲聚丙烯50份，热塑性弹性体SEBS 50份，炭黑30份，抗氧剂1010 0.1份，抗氧剂168 0.1份，润滑剂5份。
将抗氧剂1010和抗氧剂168在高速搅拌机中混合得复配抗氧剂，搅拌机设定温度为25℃，转速为30r/min。
将抗冲聚丙烯、热塑性弹性体、炭黑、复配抗氧剂和润滑剂按照设定比例加入到往复式单螺杆挤出机中，挤出机一区(140℃)、二区(150℃)、三区(160℃)、四区(170℃)、五区(180℃)、六区(200℃)、料温(200℃)、模头温度(200℃)，转速为200r/min，通过熔体过滤系统(300目滤网)过滤杂质后，由模头挤出，然后通过水下造粒制备出非交联屏蔽材料。
对比例1
称取按质量份计的下述物料：抗冲聚丙烯60份，热塑性弹性体SEBS 40份，炭黑35份，抗氧剂1010 0.1份，抗氧剂168 0.1份，润滑剂5份。
将抗氧剂1010和抗氧剂168在高速搅拌机中混合得复配抗氧剂，搅拌机设定温度为25℃，转速为200r/min。
将抗冲聚丙烯、热塑性弹性体、炭黑、复配抗氧剂和润滑剂按照设定比例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(195℃)、八区(200℃)、九区(200℃)、料温(200℃)、模头温度(200℃)，转速为200r/min，通过熔体过滤系统(300目滤网)过滤杂质后，由模头挤出，然后通过水下造粒制备出非交联屏蔽材料。
对比例2
称取按质量份计的下述物料：抗冲聚丙烯60份，热塑性弹性体SEBS 40份，炭黑35份，抗氧剂1010 0.2份，润滑剂5份。
将抗冲聚丙烯、热塑性弹性体、炭黑、复配抗氧剂和润滑剂按照设定比例加入到往复式单螺杆挤出机中，挤出机一区(140℃)、二区(150℃)、三区(160℃)、四区(170℃)、五区(180℃)、六区(200℃)、料温(200℃)、模头温度(200℃)，转速为200r/min，通过熔体过滤系统(300目滤网)过滤杂质后，由模头挤出，然后通过水下造粒制备出非交联屏蔽材料。
测试方法：
将本发明准备的非交联屏蔽材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和1mm的圆形薄片试样，进行力学和电气性能测试。
拉伸强度、断裂伸长率及体积电阻率按照GB/T31489-2015材料性能测试要求，测试结果见表1。
表1：
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (15)

1.一种环保电缆用非交联屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述非交联屏蔽材料的制备原料按质量份计，包括如下组分：抗冲聚丙烯50-90份，热塑性弹性体10-50份，炭黑20-40份，抗氧剂A 0.1-0.3份，抗氧剂B 0.05-0.1份，润滑剂3-10份；
所述制备方法包括如下步骤：
(1)将抗氧剂A和抗氧剂B按质量比混合得复配抗氧剂；
(2)将抗冲聚丙烯、热塑性弹性体、炭黑、复配抗氧剂和润滑剂按比例加入到往复式单螺杆挤出机中熔融混炼、过滤、挤出、造粒，得到所述环保电缆用非交联屏蔽材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述非交联屏蔽材料的制备原料按质量份计，包括如下组分：抗冲聚丙烯50-80份，热塑性弹性体20-50份，炭黑30-40份，抗氧剂A0.15-0.3份，抗氧剂B 0.06-0.1份，润滑剂5-10份。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述抗冲聚丙烯的密度为0.90-0.93g/cm3，分子量分布为5.2-6.0，熔点为145-165℃，熔融指数为1.9-2.1g/min，直流击穿强度＞250kV/mm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，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。
5.根据权利要求4所述的制备方法，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，脆化温度≤-70℃，断裂伸长率＞1000％。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述炭黑灰分＜0.1％，粒径＜40nm，pH值＞7。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述抗氧剂A为酚类化合物；所述抗氧剂B为亚磷酸酯化合物。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述抗氧剂A选自抗氧剂1010、1024、1035、1330中的至少一种；抗氧剂B为抗氧剂168。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述抗氧剂A为抗氧剂1010，抗氧剂B为抗氧剂168。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述润滑剂为聚乙烯蜡、硬脂酸钠、硬脂酸锌中的至少一种。
11.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述抗氧剂A和抗氧剂B在高速搅拌机中混合，混合的温度为30-40℃，搅拌速度为150-200r/min。
12.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述往复式单螺杆挤出机的参数设定如下：一区温度为130-150℃，二区温度为140-160℃，三区温度为150-170℃，四区温度为160-180℃，五区温度为170-190℃，六区温度为190-210℃，料温为190-200℃，模头温度为190-210℃，主机转速为200r/min。
13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述往复式单螺杆挤出机的参数设定如下：一区温度为140℃，二区温度为150℃，三区温度为160℃，四区温度为170℃，五区温度为180℃，六区温度为200℃，料温为200℃，模头温度为200℃，主机转速为200r/min。
14.一种环保电缆用非交联屏蔽材料，其特征在于，采用权利要求1-13任一项所述的方法制备而成。
15.一种采用权利要求14所述的环保电缆用非交联屏蔽材料制得的电缆。
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