中壓電纜用乙丙橡膠絕緣配方研究

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.