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      中壓電纜用乙丙橡膠絕緣配方研究

      2013-03-26 12:32:32孔德忠董振園江斌斌潘明星李名珍
      電線電纜 2013年2期
      關(guān)鍵詞:乙丙橡膠硫化劑防老劑

      張 新,張 蓓,孔德忠,張 勇,董振園,江斌斌,廉 果,潘明星,李名珍

      (1.江蘇亨通電力電纜有限公司,江蘇吳江215234;2.無(wú)錫工藝職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇宜興214206)

      0 引言

      三元乙丙橡膠(EPDM)是以乙烯、丙烯為主要單體,經(jīng)溶液聚合并加入不飽和的第三單體(非共軛二烯烴)制成的三元共聚物,屬于飽和碳鏈橡膠。

      由于三元乙丙橡膠分子鏈中沒(méi)有極性取代基團(tuán),空間位阻小,分子鏈比較柔順,使得三元乙丙橡膠不僅表現(xiàn)出優(yōu)良的耐屈撓性、回彈性和耐低溫性,同時(shí)還具有很好的化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、電線電纜、密封材料和耐熱制品等領(lǐng)域[1]。

      近些年,隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,能源供應(yīng)緊張的矛盾日益突出,各行各業(yè)都采用大功率的設(shè)備以提高產(chǎn)能,因而對(duì)與之配套的傳輸電纜的要求不斷提高,電壓等級(jí)也隨之提高,煤礦電纜、艦船電纜、石油平臺(tái)用電纜采用乙丙橡膠絕緣的越來(lái)越多。

      1 試驗(yàn)部分

      1.1 主要原材料及生產(chǎn)廠

      三元乙丙橡膠,牌號(hào)KEP210,韓國(guó)錦湖石油化學(xué)株式會(huì)社;防老劑RD,浙江黃巖華星化學(xué)廠;納米氧化鋅,安徽省含山縣錦華氧化鋅廠;煅燒陶土,中國(guó)高嶺土有限公司(蘇州);DCP,上海高橋石化精細(xì)化工有限公司;硫化促進(jìn)劑HVA-2,上海方銳達(dá)有限公司;石蠟基油主要選擇Sunpar 2280;其他原料均為市售。

      1.2 乙丙橡膠選擇

      乙丙材料中常用的有二元乙丙和三元乙丙,不同類型的乙丙橡膠的本質(zhì)差別在于分子量、結(jié)晶度、二烯含量和粘度,并將影響橡膠的工藝性能、擠出性能、冷熱強(qiáng)度和物理特性。根據(jù)特定的應(yīng)用,可簡(jiǎn)單地分為無(wú)定形和半結(jié)晶兩種,并可按粘度和二烯含量進(jìn)一步區(qū)分。一般來(lái)說(shuō),較高粘度的膠料具有優(yōu)良的拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度,較高的模量和永久變形性能。第三單體含量的提高可以提高交聯(lián)密度,且壓縮永久變形小,模量高。半結(jié)晶膠料具有高硬度、高模量和高拉伸強(qiáng)度,電氣性能和物理性能優(yōu)異。

      EPDM的乙烯含量越高意味著其電性能越好,但是乙烯含量高會(huì)影響加工性能和低溫性能,不少論文都談到選用陶氏化學(xué)的Nordel IP 3722P三元乙丙橡膠,筆者曾經(jīng)也選用過(guò)這種材料做基料。此種材料有很多優(yōu)點(diǎn),比如有很好的電氣性能和物理機(jī)械性能,填充量也較大,但是存在一個(gè)很大的缺點(diǎn)就是,其第三單體含量少(0.5%),在硫化時(shí)交聯(lián)密度低,又加之具有結(jié)晶橡膠的特點(diǎn),高溫永久變形大,導(dǎo)致在擠出多芯電纜時(shí)存在絕緣線芯嚴(yán)重壓扁現(xiàn)象。筆者通過(guò)多次試驗(yàn),在電性能和永久變形方面找尋一個(gè)平衡,最終選擇韓國(guó)錦湖KEP210作為基體材料。KEP210主要的技術(shù)指標(biāo)為:ML(1+4),125℃為42,乙烯含量65%,第三單體含量57%。

      1.3 性能測(cè)試

      試樣性能按 GB 7594—1987、GB 5013—2008、GB 2951—2008進(jìn)行測(cè)試。

      2 配方中材料的選擇

      2.1 硫化體系

      EPDM為主鏈飽和的橡膠,硫化劑可采用硫脲、有機(jī)過(guò)氧化物、多胺以及硅烷等,考慮到產(chǎn)品須具有良好的耐熱性能,采用過(guò)氧化物硫化。過(guò)氧化物交聯(lián)體系具有硫化溫度高,不易焦燒的特點(diǎn),容易控制硫化速度,不污染,可以使硫化膠得到優(yōu)良的機(jī)械性能,壓縮永久變形小,耐熱性好。常用的過(guò)氧化物有DCP、BIBP、TPB、BCPO、F -80、雙 2,5 等,考慮到成本,配方體系選用DCP做硫化劑。

      EPDM采用過(guò)氧化物硫化體系時(shí),配方中一般要添加具有官能團(tuán)的共硫化劑。共硫化劑的加入,可大大加快硫化速度,提高交聯(lián)密度,改善硫化膠的耐溫性能。適用的共硫化劑有TAC、TAIC、HVA-2、EDMA、DAIC、DAP、TMPTM、TMPTA 等,其中以TAC、TAIC、HVA-2共硫化效果較好,我們選用HVA-2作共硫化劑。

      硫化劑及硫化助劑的用量對(duì)膠料的焦燒時(shí)間和硫化膠的機(jī)械性能有顯著影響,用量太多,在混煉及擠出加工過(guò)程中易焦燒;用量太少,硫化不充分,機(jī)械強(qiáng)度偏低,伸長(zhǎng)率大??紤]到我公司連續(xù)硫化管道的長(zhǎng)度等因素,DCP用量為3份,HVA-2用量為2份,可滿足產(chǎn)品性能及生產(chǎn)要求。

      2.2 補(bǔ)強(qiáng)填充體系

      加入填充材料,可增大體積、降低成本、改善加工工藝性能,如減少半成品收縮率、提高半成品表面平整性、提高硫化膠硬度及定伸應(yīng)力等,填料對(duì)未硫化膠的加工性能和硫化膠的物理機(jī)械性能及動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和電性能有很大的影響。加入補(bǔ)強(qiáng)材料,可滿足膠料的加工及性能要求。常用的補(bǔ)強(qiáng)填充劑有白炭黑、改性煅燒陶土、碳酸鈣、滑石粉等。

      白炭黑以其優(yōu)良的補(bǔ)強(qiáng)性能成為最主要的補(bǔ)強(qiáng)填充劑,白炭黑呈微酸性,會(huì)消耗過(guò)氧化物,造成線材欠硫或表面起孔,重要的一點(diǎn)是白炭黑若添加過(guò)多,對(duì)其電性能有很大影響,因此在中壓乙丙橡皮配方中白炭黑要慎用或少用。

      碳酸鈣有一定的補(bǔ)強(qiáng)作用,但碳酸鈣有一定的吸水性,用量過(guò)大會(huì)降低膠料電性能,特別是對(duì)浸水電容影響很大;在阻燃電纜配方中加入過(guò)多碳酸鈣會(huì)降低電纜的阻燃性能。

      改性煅燒陶土不但能提高橡膠的物理機(jī)械性能,還能提高混煉膠的電性能。陶土經(jīng)900℃左右的高溫煅燒后,可降低其表面的親水基—OH基含量;用硅烷偶聯(lián)劑處理過(guò)后,則不但會(huì)進(jìn)一步封閉粒子表面—OH基團(tuán),使親水性變?yōu)槭杷?,由此膠料的電絕緣性能可以進(jìn)一步提高和穩(wěn)定,而且硅烷偶聯(lián)劑的另一端與橡膠形成化學(xué)鍵,增加填料與橡膠的結(jié)合力,這進(jìn)一步提高了橡膠的機(jī)械性能。其次,煅燒陶土的形狀呈圓球狀,可延長(zhǎng)電擊穿路徑并對(duì)電擊穿起屏障作用,從而提高了橡膠的介電性能。

      滑石粉可使擠出表面更光滑,使膠料具有較好的挺性,減小壓縮變形,并有助于混煉膠在密煉時(shí)分散,改善膠料加工時(shí)存在的粘輥現(xiàn)象,使膠料有良好的包輥性[2]。筆者對(duì)碳酸鈣、超細(xì)滑石粉、改性煅燒陶土進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

      表1 不同填料對(duì)硫化膠性能的影響

      綜合考慮,改性煅燒陶土為80份,性能較好。

      2.3 軟化體系

      乙丙橡膠中加入軟化劑,主要是為了改善膠料的工藝性能,同時(shí)可以降低產(chǎn)品的成本。

      乙丙橡膠為非極性橡膠,一般用非極性石油作為操作油[3],同時(shí)添加微晶石蠟也能改善膠料的加工性能。石蠟系油以Sunpar 2280為佳,蠟類以微晶石蠟為最佳,添加微晶石蠟,有助于提高橡膠的抗臭氧性及耐熱老化性能,因?yàn)樵谀z料受熱的時(shí)候,微晶石蠟易噴出,夾帶橡膠內(nèi)的防老劑遷移至絕緣層表面,形成有效保護(hù)膜,從而提高橡膠的抗臭氧性及耐熱老化性能。

      2.4 防老劑和穩(wěn)定劑

      提高EPDM的耐熱性使用最普遍的防老劑一般是自由基捕捉劑,如防老劑 RD、BLE、264等,與防老增效劑MB、MTI等并用,耐熱防老化效果更好。通常在中壓絕緣配方中,防老劑RD對(duì)橡膠的物理機(jī)械性能影響較大,而MB對(duì)其影響較小,并且增加MB用量,橡膠的電氣性能有所改善,同時(shí)還可以防止在橡皮高溫硫化時(shí)的導(dǎo)體氧化。綜合分析,RD在0.8~1.0份,MB在1.0~1.5份,這樣的配合可以獲得性能優(yōu)異的中壓乙丙橡膠。

      3 膠料物理機(jī)械性能

      3.1 膠料的物理機(jī)械性能

      優(yōu)化后膠料的物理機(jī)械性能見(jiàn)表2。

      表2 混煉膠性能

      3.2 混煉工藝

      先將EPDM在70~80℃密煉機(jī)中塑煉2~3 min;其次加入改性煅燒陶土2~3 min;最后加入剩下材料混煉3~4 min。密煉機(jī)溫度在100~110℃開(kāi)始排料,將混煉膠在開(kāi)煉機(jī)上薄通1、2次,并在擺膠裝置上擺膠2、3次,三輥壓延機(jī)壓延過(guò)粉箱后出片?;鞜捘z存放8 h后放入密煉機(jī)混煉,溫度在100℃以下加硫化劑DCP和硫化助劑HVA-2,混煉1 min左右排料,開(kāi)煉機(jī)薄通1、2次并機(jī)擺膠2、3次,三輥壓延機(jī)開(kāi)條出片,經(jīng)冷卻輥冷卻,過(guò)粉箱(用硬脂酸鋅作為隔離劑)制得成品。

      4 成品電纜絕緣性能

      按MT 818.6—2009試制型號(hào)規(guī)格為 MYPTJ-8.7/10 kV 3×70+3×25/3+3×2.5的橡皮絕緣電纜,電纜外徑為80mm,共生產(chǎn)2 000 m,擠出在德國(guó)TROESTER三層共擠冷喂料 150+ 90+ 70連續(xù)硫化擠橡機(jī)上進(jìn)行。硫化管為不銹鋼管,長(zhǎng)118 m,傾斜25 m,最高蒸汽壓力2.0 MPa,溫度200℃左右,冷卻水槽長(zhǎng)20 m。中壓絕緣擠出溫度分布:模口105~110℃,機(jī)頭95~100℃,喂料口45~50℃,機(jī)身一區(qū)75~80℃,機(jī)身二區(qū)85~90℃,螺桿45~50℃。擠出機(jī)各部位及螺桿的溫度均用模溫機(jī)加熱冷卻調(diào)節(jié),擠出電纜外徑均勻一致,表面光滑,屏蔽料和絕緣粘聯(lián)良好,剝離力在10N左右,斷面沒(méi)有氣孔。該電纜的物理機(jī)械性能見(jiàn)表3。

      表3 成品電纜絕緣性能

      5 結(jié)論

      (1)研制的橡皮絕緣電纜用中壓乙丙橡皮絕緣,性能完全滿足MT 818—2009的要求;成品電纜物理機(jī)械性能符合GB 7594.5—1987的要求。

      (2)EPDM橡膠綜合性能良好,使用本廠自制的中壓乙丙橡膠,可有效地降低生產(chǎn)成本。

      [1]趙泉林,李曉剛.三元乙丙橡膠老化進(jìn)展研究[J].絕緣材料,2010(43):37 -41.

      [2]Eberhart R C,Donbbins R W.Neural Network PC Tool:A Practical Guide[M].New York:Academic Press,1990.67.

      [3]唐 斌,李曉強(qiáng).乙丙橡膠應(yīng)用技術(shù)[M].陜西:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.119 -120.

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