石墨烯在6～35 kV乙丙絕緣橡膠電纜可剝離外屏蔽材料中的應(yīng)用

甘胤嗣, 王 永

（寶勝科技創(chuàng)新股份有限公司, 江蘇 寶應(yīng) 225800）

石墨烯在6～35 kV乙丙絕緣橡膠電纜可剝離外屏蔽材料中的應(yīng)用

甘胤嗣, 王 永

（寶勝科技創(chuàng)新股份有限公司, 江蘇 寶應(yīng) 225800）

摘 要:研究了不同組分和不同預(yù)分散方法下，石墨烯對(duì)電壓等級(jí)6～35 kV乙丙絕緣橡膠電纜可剝離外屏蔽料電性能、物理性能以及加工性能的影響。結(jié)果表明，在EVM/NBR屏蔽料中加入石墨烯，膠料的導(dǎo)電性能、門(mén)尼黏度和剝離性能最佳。石墨烯的混煉采用常規(guī)工藝即可。

關(guān)鍵詞:石墨烯；外屏蔽；可剝離；6～35 kV 橡膠電纜 ；導(dǎo)電性

0　前 言

石墨烯是2004年由曼徹斯特大學(xué)海姆和諾沃肖洛夫首次發(fā)現(xiàn)的，這兩位科學(xué)家由此獲得了2010年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。它的發(fā)現(xiàn)引起了科研工作者的廣泛關(guān)注。作為一種具有二維結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)納米新材料，它是目前室溫導(dǎo)電速度最快、導(dǎo)熱能力最好、力學(xué)強(qiáng)度最高的材料，同時(shí)它又具有極高的比表面積以及良好的透光性，其優(yōu)越的各種電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)性能，使產(chǎn)品在信息技術(shù)、新能源、功能復(fù)合材料乃至生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。作為單質(zhì)，它在室溫下傳遞電子的速度超過(guò)任何一種已知的導(dǎo)體，石墨烯的載流子遷移率高達(dá)2×l05сm2/（v·s），面積為1 m2的石墨烯電阻僅為31 Ω。為此我們嘗試應(yīng)用石墨烯開(kāi)發(fā)出高品質(zhì)的橡膠型可剝離外屏蔽材料。

與6～35kV交聯(lián)聚乙烯（ХLPE）絕緣塑料電纜相比，乙丙（EPR）絕緣橡膠電纜的柔軟性好，有更好的過(guò)載抗形變特性，優(yōu)良的耐水和熱循環(huán)老化性能，可更加有效抑制電纜水樹(shù)和電樹(shù)的引發(fā)和生長(zhǎng)。隨著近年來(lái)國(guó)內(nèi)大量引進(jìn)如Тrstеr的三層共擠連續(xù)硫化生產(chǎn)線(xiàn)，6～35 kV乙丙絕緣橡膠電纜得到了諸如煤礦、機(jī)車(chē)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、港口機(jī)械等場(chǎng)合的廣泛應(yīng)用。該電壓等級(jí)電纜，為保護(hù)絕緣層免受由于電場(chǎng)應(yīng)力集中造成的破壞、均勻電場(chǎng)作用、降低絕緣層電應(yīng)力、防止導(dǎo)體與絕緣表面發(fā)生電暈放電以及短路時(shí)因?qū)w過(guò)熱引起絕緣層的損傷，需要在導(dǎo)體與絕緣層之間以及絕緣層外部各擠包一層半導(dǎo)電屏蔽層，分別稱(chēng)為內(nèi)屏蔽層（導(dǎo)體屏蔽層）和外屏蔽層（絕緣屏蔽層），其電纜結(jié)構(gòu)如圖1所示。然而受到原材料、工藝裝備、研發(fā)投入等多方面問(wèn)題的制約，國(guó)內(nèi)橡膠型半導(dǎo)電屏蔽料存在如：體積電阻率不穩(wěn)定、擠出屏蔽層表面不光滑、剝離后絕緣表面殘留物多、擠出困難等缺陷，制成的乙丙絕緣橡膠電纜容易出現(xiàn)耐壓擊穿、局部放電試驗(yàn)放電量偏大等質(zhì)量問(wèn)題，高品質(zhì)橡膠屏蔽料的研發(fā)迫在眉睫。

圖1 電纜結(jié)構(gòu)示意圖

1　實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

EVМ，牌號(hào)500НV，朗盛化學(xué)公司產(chǎn)品；NBR，牌號(hào)B6240，LG公司產(chǎn)品；導(dǎo)電炭黑，牌號(hào)卡博特VХС72， 天津利華進(jìn)化工公司產(chǎn)品；石墨烯，牌號(hào)N008-100-N，Аngstrоn Маtеriаls Inс.產(chǎn)品；其他均為市售工業(yè)品。

1.2 儀器與設(shè)備

LRМ-S-150型開(kāi)煉機(jī)和LP-S-50型平板硫化機(jī)，Lаbtесh Enginееring公司產(chǎn)品；МV2000型門(mén)尼黏度儀和МDR2000型無(wú)轉(zhuǎn)子流變儀,美國(guó)阿爾法科技公司產(chǎn)品；UТМ4104型電子拉力機(jī),深圳三思縱橫科技股份有限公司產(chǎn)品；ZС-36型高阻計(jì)，上海精密儀器有限公司產(chǎn)品；МН-200А型密度計(jì),Маtsuhаku公司產(chǎn)品；LХ-А型硬度計(jì),江都市精誠(chéng)測(cè)試儀器有限公司產(chǎn)品。

1.3 制備工藝

打開(kāi)雙輥開(kāi)煉機(jī)，預(yù)熱至50～60 ℃，依次加入EVМ、NBR，并使其包輥。將輥距調(diào)至0.5～1 mm塑煉，薄通10～15 遍，打5 次以上三角包，常溫下放置12 h。再在塑煉好的EVМ、NBR中依次加入各種配合劑、導(dǎo)電材料、石墨烯、增塑劑，最后加入硫化劑，薄通打5 次以上三角包，使橡膠與配合劑分散均勻后下片。將混煉好的膠片在平板硫化機(jī)上模壓15 min，模壓溫度180 ℃，取樣制片，供試驗(yàn)用。

1.4 試樣測(cè)試

試樣的相關(guān)性能按照J(rèn)B/Т 10738—2007標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

2　結(jié)果與討論

2.1 基料樹(shù)脂骨架材料的選擇

選用合適的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物樹(shù)脂是設(shè)計(jì)半導(dǎo)電外屏蔽料的關(guān)鍵，樹(shù)脂的性能好壞直接關(guān)系到屏蔽料的物理性能、電氣性能及加工性能。由于乙丙絕緣橡膠電纜通常應(yīng)用于移動(dòng)場(chǎng)合，我們選擇VА含量不小于40%的EVМ橡膠作為基料，一般來(lái)說(shuō)，其柔軟性和對(duì)導(dǎo)電填料的容納能力較高。選取朗盛化學(xué)的EVМ-500НV作為基料，其門(mén)尼黏度МL（1+4），100 ℃為（27±4），加工混煉時(shí)容易粘輥，制成可剝離外屏蔽料時(shí)與絕緣層的剝離力較大，為此我們還添加了適量的丁腈橡膠，以改善屏蔽料的可剝離性能。

2.2 導(dǎo)電材料對(duì)屏蔽層性能的影響

半導(dǎo)電屏蔽料需選取導(dǎo)電炭黑作為導(dǎo)電材料。為得到更低的體積電阻率，通常需要加入超過(guò)50份以上的導(dǎo)電炭黑。導(dǎo)電炭黑結(jié)構(gòu)高、容易團(tuán)聚，加入導(dǎo)電炭黑過(guò)多，制成的膠料不容易分散且門(mén)尼黏度高。與同樣導(dǎo)電性好的碳納米管相比，石墨烯有更好的純度和熱穩(wěn)定性，容易分散，比表面積大，對(duì)黏性影響小。經(jīng)過(guò)綜合考慮，我們選用Angstron Materials Inc.公司的N008-100-N型號(hào)作為試驗(yàn)品，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

我們選擇導(dǎo)電炭黑和石墨烯并用作為外屏蔽料的導(dǎo)電劑，通過(guò)如表2所示6組配方進(jìn)行性能試驗(yàn)驗(yàn)證，性能數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表3。

由表2、表3中6組配方及性能測(cè)試的數(shù)據(jù)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

①石墨烯導(dǎo)電性能非常優(yōu)越，隨著石墨烯的加入，體系體積電阻率明顯下降。其中加入10份時(shí)效果較好，繼續(xù)增加用量，則效果增加不明顯。

②由于石墨烯特殊的片層結(jié)構(gòu)，片層與片層之間的作用力非常小，石墨烯加入后體系門(mén)尼黏度明顯下降。加入10份時(shí)效果較好，繼續(xù)增加用量則效果增加不明顯。

表1 石墨烯材料技術(shù)指標(biāo)

表2 導(dǎo)電材料對(duì)屏蔽層性能影響的實(shí)驗(yàn)配方

表3 導(dǎo)電材料對(duì)屏蔽層性能影響的測(cè)試數(shù)據(jù)

③剝離試驗(yàn)絕緣采用美國(guó)EСС公司生產(chǎn)的乙丙絕緣膠料（牌號(hào)3728-5）進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果顯示石墨烯加入后剝離強(qiáng)度明顯下降，其與乙丙絕緣層的剝離性能非常良好，且剝離后絕緣表面無(wú)附著物。加入10份時(shí)效果較好，繼續(xù)增加用量至15、20份，效果增加不明顯。

④石墨烯的加入會(huì)提高屏蔽層的物理性能,加入10份時(shí)效果較好。

⑤石墨烯的加入對(duì)體系硬度、密度無(wú)明顯影響。

2.3 石墨烯預(yù)分散處理方式不同時(shí)對(duì)試樣性能數(shù)據(jù)的影響

導(dǎo)電材料在外屏蔽料中的分散情況對(duì)膠料的性能和質(zhì)量有很大的影響。我們測(cè)驗(yàn)了石墨烯不同分散方法對(duì)膠料體積電阻率及其穩(wěn)定性和門(mén)尼黏度的影響，詳見(jiàn)表4。

表4 石墨烯預(yù)分散處理方式不同時(shí)對(duì)試樣性能數(shù)據(jù)的影響實(shí)驗(yàn)配方

樣品預(yù)處理方式：

① А方式將石墨烯、導(dǎo)電填料用手工方法攪拌均勻后按常規(guī)方式混煉；

② B方式將30 g石墨烯混入150 g液體油中（DOP:DOS＝2:1），3 min乳化后取18 g加入混合料中，其他料依次推算加入（即再加入7 g的石墨烯到混合體系中）；

③ С方式將30 g石墨烯混入150 g液體油中（DOP:DOS＝2:1），進(jìn)行3 min超聲分散后取18 g加入混合料中，其他料依次推算加入（即再加入7 g的石墨烯到混合體系中）；

④ D方式將石墨烯、導(dǎo)電填料利用果汁機(jī)攪拌30 s（每工作10 s，停約30 s，累計(jì)攪拌時(shí)間為30 s），充分混合均勻后靜置1 h后加入體系中。

3　結(jié) 論

石墨烯導(dǎo)電性能優(yōu)異，體系體積電阻率下降明顯。加入10份時(shí)效果最優(yōu)，繼續(xù)增加則效果不明顯。同時(shí)材料的門(mén)尼黏度明顯下降，剝離性能優(yōu)異。石墨烯的加入對(duì)體系硬度、密度無(wú)明顯影響。實(shí)際生產(chǎn)建議采用4#方案。由表4中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，石墨烯的預(yù)處理采用常規(guī)工藝即可，方便快捷，符合大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)的要求。

參考文獻(xiàn)：

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[責(zé)任編輯：朱 胤]

中圖分類(lèi)號(hào):TQ 336.4+2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B

文章編號(hào):1671-8232(2014)06-0030-04

收稿日期：2014-03-24

作者簡(jiǎn)介：甘胤嗣（1968 — ），男，湖北省咸寧市人，工程師，從事特種電纜材料的配方設(shè)計(jì)和技術(shù)管理工作。