电力电缆用可剥离型半导体电绝缘屏蔽料研制.pdf

电力 电缆用可剥离型半导 电绝缘屏蔽料研制 北京 第 二电 缆 厂 孔宪武 哈尔 滨 电 工 学 院 陈 宇 弋 8 t 摘要 本文主要探讨采用 乙烯一 醋酸 乙烯醋( EL VAx) 与低 门尼粘度的三元 乙丙橡胶 并 用 ， 添加超导电陛导电妒黑 N4 7 2及 中超耐磨妒黑 N2 2 0 ， 以过氧化物作硫化荆 ， 研制 开发橡皮 绝缘高压( 6 k V及以上) 电力电缆用可剥离型半导电鲍缘屏蔽料， 使其2 0 C体积电阻率 。 5 0 0 c m。经 实验验证， 该鲍缘屏蔽料在工艺及性能上完奎满足于电缆的生产和性能要求。 主 题 词 堡 塞奎 凌蛐 皇 丝 6 k V夏以 上 皇氅 堡 墨坚 茎 可 剥离 型 研帝 j 引 言 电力电缆的基本构造由铜或铝单线绞台 而成的导电线芯、 绝缘层和护套三部分组成。 在中、 、 高压 电力 电缆 ( 6 k V及 以上) 的结 构 中， 为了缓和电缆 内部 的电场应力集 中， 捎除 导 电线芯绞台的影响 ， 均匀绝缘层表面电场 应力分布， 改善电缆内部电场的径向分布以 提高电缆 的电气强度， 要求在导 电线芯和绝 缘层之间 、 绝缘层和护套层之间分别加有一 层半导电屏蔽层 ， 分别称为导体屏蔽和绝缘 屏蔽。从改善 电缆的长期运行能力 的电气性 能和安全、 可靠性能考虑 ， 现代电缆结构和工 艺中要求导体屏 蔽层应是粘接 型的， 而绝缘 屏蔽层刚必须具备可剥离性 ， 并采用挤包工 艺。 在以往的研究 中 ， 人们往往采用含卤类 高聚物如氯丁橡胶、 氯磺化 聚乙烯或氯化 聚 乙烯 ， 以提高屏蔽料 的导 电性 。但是 ， 该类含 卤高聚物在硫化时 ， 易分解出氯化氢 ， 与水反 应生成盐酸 ， 从而降低绝缘层的介电性能 ， 腐 蚀导体、 硫化管道及模具 。 为此， 本文通过探讨采用无 卤类高聚物， 配合一定量的导电炭黑 ， 研制适合于中、 高压 电力 电缆使 用 的可剥离 型半导电绝缘屏 蔽 料 ， 并满足于中、 高压电力电缆的实际生产及 产品规范的要求。 1 6 试 验用 主要原材 料 ( 1 )美 国 DuP ONT公 司： 乙烯 醋酸乙 烯酯 E L VAXE ； ( 2 )荷兰 D S M 公 司： 型号为 DX 一 0 2三 元乙丙胶 E P DM； ( 3 )天津炭黑厂 ： N2 2 0 、 N4 7 2炭黑； ( 4 )天津合成材料研究所： MD A一 5铜抑 制剂 。 影响 因素及试验结果 分析 1 骨架基料的选择 半导电绝缘屏蔽料的骨架基料必须是在 添加大量炭黑后仍保持 良好 的挤 出工艺和物 理机械性能 ， 且与绝缘材料 ( 中、 高压 电力电 缆 的绝缘 材料一 般采用 交联 聚乙烯 X P L E 或三元 乙丙橡胶 E P DM) 具有相 同的耐热等 级和较高的性能价格 比的高分子材料 。 因此 ， 选用乙烯一 醋酸乙烯酯E L V AX作基料。 实验证 明： 单独采用 E L VAx作骨架基 料 时， 半 导电绝缘屏蔽料与绝缘层 的剥离 力 较大 ， 为此 ， 可添加适量的低门尼粘度 的三元 乙丙橡胶 D x一 0 2 ， 以改善其可剥离性能。 2 、炭黑的导电机理D 及选择 挤包的半导电屏蔽料的基料都是高分子 材料， 其通常是电绝缘材料 要使其变成半导 电材料 ， 必须加人大量的导电物质 ， 例如金属 维普资讯 http:/ 准标网 w w w .z h u n b i a o .c o m 免费下载 粉末 、 石墨、 炭黑等。从成本 和效果上综合考 虑， 加人导电炭黑的方法最为经济 。 炭黑的导 电机理为 ： 当炭黑粒子形 成连 锁结构或炭黑粒子问的距离在几个埃 ( A) 以 内时 ， 炭黑粒子表面的 电子在电场 的作用 下， 形成导电通道 ， 传导电流 。 因此 ， 炭黑的结 构和加人量是支配材料体积电阻率的最大 因 素。 要使炭黑具有 良好 的导电性能 ， 其必须具 有特殊的石 墨化结构 ， 为此需要选用吸油量 和比表面积较大的炭黑 。炭黑的吸油量大就 意味着其单位重量的体积就大， 在 同样 体积 的高分子材料 中， 只需较少的炭黑就可达到 炭黑粒子问的连锁 ； 比表面积大意味着 更容 易形成导电通道 以提高其导电性 。根据实际 生产加工的适用性、 成本 、 效果以及 国内炭黑 的品种和性能综合考虑 ， 选用超导 电性 导电 炉黑 N4 7 2和中超耐磨 炉黑 N2 2 0二种炭黑 、 并用作为导电类炭黑。 N4 7 2和 N2 2 0加人量 对半导电屏蔽料 的影 响见表 1 。 衰 l 炭 加对半导 电辱麓科的嚣 名称 碳黑加量质量份( P h r ) N2 2 0 40 4 0。 4 0 4 0 4 0 40 4 0 40 N4 7 2 O 1 0 2 0 3 0 4 0 50 6 0 8 0 0( I 1e m) 1 13 10 2 8 3 6 5 6 0 5 7 45 抗张强度 1 5 2 1 3 4 1 1 3 1 O ， 7 1 0 2 8 7 7 ， 2 6 5 ( M P ) 断裂抻率 6 0 0 5 7 0 5 2 0 4 6 0 4 6 0 4 1 0 3 7 0 3 5 0 ( ) 硬度0 5 8 6 l 6 2 6 5 6 8 7 3 8 0 8 4 加工性 忧 忧 蛊 蛊 良 蛊一 蛊一 劣一 注 1 -藏化条件 1 6 0 C ， 3 0mi n 。 2 良 表示 比良差一点 劣表示 比劣好一点 表示邵氏硅度。 从表 1可知 ， 炭黑 的结构及其加人 量虽 然是决定 半导 电绝 缘屏蔽料体积电阻 率 大小的最大因素 但并非炭黑的加人量越多 ， 导电性就越好。同时， N4 和 N2 2 0并用后 还存在一定 的协 同效应 ， 这种协 同效应在半 导 电屏蔽 料配方 中尤为重要 ， 其机理可解释 为： 结构和粒径不 同的炭黑在混合时会 改善 各 自的分 散性和相互接融面积 ， 从而改善 了 仅添加单一品种炭黑时的导电性。 3 徽昌石蜡对半导 电屏蔽料的导 电性 爰可删离性的影响 经试验证 明， 在配方 中加人一定量的微 晶石蜡( P W) 对改善屏蔽料的挤出工艺和绝 缘层的剥离性有一定的积极作用 。其用量在 4 p h r左右时， 胶料 的体 积电阻率 P 2 o 呈直线 上升， 而超过 7 p h r时却稍有下降。 其原因是 炭黑粒子表面吸附的石蜡阻碍 了炭黑粒子直 接形 成导电通道 ， 从而使体积电阻率升高， 而 随着石蜡用量的增加， 反 而改善 了炭黑的分 散性， 提高了炭黑粒子相互接触面积， 增加了 导电通道， 体积电阻率会咯有下降 。 4 共硫化剂对屏蔽料可利离性的影响 要 使屏蔽料与绝缘层 有 良好 的可剥 离 性 ， 就应使二者有不同的硫化特性 ， 否则会紧 紧地 粘 接 在 一 起。而 E L VAX 与 X L P E、 EP DM 在采用过 氧化 物硫 化时有相似 的硫 化特性 ， 因此， 在选用共硫化剂时应尽可能选 用与绝缘料 的共硫化剂不 同的品种， 以改变 它们 的硫化 特性。可供 选用 的品种 ： TAC， TAI C， HVA一 2 ， TM P T ， DAP， EDM A。 5 加工工艺对半导 电屏 蔽料体 积电阻 事 。 的影响 ( 1 )混炼 时间的影响在混炼过程 中， 机械剪切应力的作用 易使炭黑 的结构破坏 ， 因此混炼 时间不 易过长 ， 否则随着混 炼时间 的增长， 炭黑所受的机械剪切应力的作 用也 随之增加 ， 引起炭黑粒子重排而导致相互接 触面积降低而使悻积电阻率有所上升。 但是， 混炼时间也不易过短 ， 因为炭黑粒径小 而且 结构性强 ， 在混炼时容易结料， 导致炭黑分散 不均 ， 使半导电屏蔽料各处的体积电阻 率产 生差异， 所以在保证半导 电屏蔽混炼均 匀的 情况下 ， 尽可能缩短混炼时间。 ( 2 )硫化条件的影响 硫化温度越高 ， 时间越长 ， 屏蔽料的硫化交联程度越高 ， 炭黑 接触面就越紧密 ， 形成的导 电通道越多 ， 越牢 固、 可靠 ， 其体积 电阻率就越小 ， 导电性越好 ， 各处 的体积电阻率也较均匀。 1 7 维普资讯 http:/ 准标网 w w w .z h u n b i a o .c o m 免费下载 ( 3 )挤出设备 的影响采用一般的连续 硫化工艺 ， 挤出机 的长径 比、 压缩 比越大， 其 挤出压力越大 挤 出紧密度越大， 炭黑的接触 面就越紧密 ， 屏蔽料的导电性就越好 6 加工工苫助剂的选择 为改善炭黑在橡胶 中的分散性， 可加入 2 3 p h r 的具有高润滑作用的饱和酯防酸脂 WB 2 2 2 为防止 E VA受紫外线照射而降解 ， 可加入 3 5 p h r的耐紫外线荆 ； 为提高椽胶 的耐热性 ， 可加入 1 2 p h r的防老剂 RD 总之 ， 半导 电绝缘屏 蔽料 的性能受 多种 因素影响 ， 其体积电阻率不仅 与炭黑的结构 特性有关 ， 还与其加入量 、 分布、 以及混炼、 挤 出、 硫化条件等有关。 配 方 优 化 试验采用 L正交设 计 ， 选择 D X、 N4 7 2 、 过氧化物、 共硫化荆 T MP T的用量作变量因 子 ， 并 应用计算机辅 助设计 ( C AD) ， 进 行 了 配方优化。配方 ( 质量份) 为 EVA 1 0 0 ； DX 8 1 2 ； R D DD A 1 2 ；P W 6 9 ；过氧化 物 2 9 3 3 TMPT 1 0 L 3 ，N4 7 2 4 5 5 8， N2 2 0 3 8 4 5 ， 其他 1 0 l 2 加 工 工 艺 E L VAX及 E P DM 的门尼粘度很低， 混 炼时 可采用常规密炼机混炼 ， 混炼韫度控制 在 9 0 1 0 0 ， 时 问控制在 8 1 0 rai n ， 导电 炭黑分批加入 ， 以改善其分散性 有机过氧化 物在开放式炼胶机上加入。 半导电绝缘屏蔽料挤 出连硫工艺为： 挤出机螺杆长径 比： 2 0：1 ， 各区温度控制 ： 冷却 ( 2 0 。 C) ； 加料段 ( 3 5 4 0 ) ， 机 筒 ( 7 0 8 0 ) ； 机 头 ( 1 o 0 1 1 0 C) ； 模具( 1 2 0 1 3 0 ) 热介质压强 ： 1 2 1 4 MP a 电缆成 品性 能 成 品电缆 中半导 电绝缘屏蔽层 性 能见 1 8 表 2 裹 2 或 品半导 电鲍肇屏麓豆性靛 项 目 实嗣值 硫化前 九尼牯度 ML1 +4 ， 1 0 0 o c 3 9 4 4 1 2 九尼焦烧时问 1 2 0 o c， ( rai n ) 6 5 6 9 碱化特牲 ： 1 7 0 C， 1 3 0 min T1 0( m i n ) 4 7 T9 0( mi n) 1 5 2 T9 0- T1 0 ( mi n) 1 0 5 硫化后 抗张强度 ( MP a ) 9 2 1 n 7 断裂伸长率 ( ) 3 1 0 3 B 0 空气藉热老化 1 3 5 C 1 6 8 h 抗张强度变化事 ( ) 5 4 一9 1 斯裂伸长事空化率 f ) O 7 2 剥商试验( 绝缘层为乙丙椽胶 ) 2 0 C 剥商力 ( N) l 2 1 4 绝缘层表面残留物 无 体积 电阻车 舳 ( nc m) 2 O 时 2 l _ 3 4 2 2 4 2 9 O 。 C 4 7 5 2 4 8 0 0 热延伸试验 ： 2 5 0 C， 0 2 MP a ， 1 5 mi n 载荷下伸 长率 ( ) 1 O 2 0 狰却后永久变形 ( ) O 1 0 结 论 ( 1 )为了改善屏 蔽料 的剥 离性能 ， 宜加 入 8 1 2 p h r 低门尼粘度三元乙丙橡胶； ( 2 )为了改善屏蔽料 的导 电性 ， 宜采用 两种 上的炭黑并用， 使之产生协同效应 ； ( 3 )加 入适量 的微晶石蜡 ， 不 仅可以改 善屏蔽料的加工性， 还可以改善其可剥离性； ( 4 )为了使屏蔽层有 良好 的可剥离性 ， 所选用的共硫化剂应尽量与绝缘料不同； ( 5 )加工工艺对屏蔽料的体积电阻率有 较大的影响。 考文 献 1 美国 O u p o n t 酱司E L V A X技术资料 1 9 9 2 ： 2 橹瑞措等 可交联半导电肆蘸料的研究 电线电蟪 1 9 8 7 ( 6 ) 3 G B 7 5 9 4 8 7 4 德国拜耳公司 己华平拄术资料 1 9 9 1 5 簋 国拜耳公 司 己华 平用空联 寨 乙烯电巍屏 蔽料 l 9 9 2 维普资讯 http:/ 准标网 w w w .z h u n b i a o .c o m 免费下载