高耐熱老化的熱塑性半導(dǎo)電屏蔽料的制備及性能研究

俞 杰, 謝 威, 陳 勇

(浙江萬馬高分子材料集團有限公司， 杭州 311305)

0 前言

電纜工作時，電流損耗產(chǎn)生的熱量將會引起熱塑性半導(dǎo)電屏蔽料的老化，縮短屏蔽層的使用壽命，對電纜后期帶電運行產(chǎn)生安全隱患[1-5]。屏蔽層的老化性能是決定電力電纜使用壽命的主要因素之一,隨著電力工業(yè)的迅猛發(fā)展,對屏蔽層老化性能的研究具有重要意義[6-8]。

隨著社會的發(fā)展，對高壓輸電的需求越來越大，對半導(dǎo)電屏蔽料的需求也與日俱增。半導(dǎo)電屏蔽料的主要作用是均勻電纜絕緣層中的電場分布，

防止局部放電，提高電纜的電氣強度，最終提高電纜使用壽命。半導(dǎo)電屏蔽料分為熱塑性和熱固性半導(dǎo)電屏蔽料。熱固性半導(dǎo)電屏蔽料回收成本高、生產(chǎn)工藝能耗大，促進了熱塑性半導(dǎo)電屏蔽料的開發(fā)；而目前對熱塑性半導(dǎo)電屏蔽料的研究相對較少，其中由于熱老化材料的斷裂伸長率保持率較低，對長壽命的高壓電纜安全運行造成安全隱患。因此，研究開發(fā)高耐熱老化的熱塑性半導(dǎo)電屏蔽料具有較大的市場價值。

筆者通過熔融共混法制備了一種高耐熱老化的熱塑性半導(dǎo)電屏蔽料，該屏蔽料的性能完全符合國家標準對熱塑性半導(dǎo)電屏蔽料的要求，同時明顯提高材料熱老化性能保持率，對提升電纜使用壽命、增加電纜運行安全性起到一定的推動作用。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

線性低密度聚乙烯，7042，中國石化集團有限公司；

助劑A，浙江萬馬高分子材料集團有限公司；

潤滑劑B，浙江萬馬高分子材料集團有限公司；

硬脂酸鋅，外購；

碳酸鈣，外購；

助劑F，浙江萬馬高分子材料集團有限公司；

導(dǎo)電炭黑，外購；

熱塑性半導(dǎo)電屏蔽料，PSD(導(dǎo)體用熱塑性半導(dǎo)電屏蔽料)，浙江萬馬高分子材料集團有限公司。

1.2 主要儀器和設(shè)備

轉(zhuǎn)矩流變儀,XSS-300型，上?？苿?chuàng)橡塑機械設(shè)備有限公司；

平板硫化機,XQLB-350×350型，上海第一橡膠機械廠；

加熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱,DGG-9070型，上海森信試驗儀器有限公司；

高特福熔融指數(shù)儀,MI-3型，德國Gottfert公司；

電子式拉力機,XLD-1000E型，廣州市廣材試驗儀器有限公司；

電線電纜半導(dǎo)電橡塑電阻測試儀,DB-4型，上海培城電子技術(shù)發(fā)展有限公司；

電子天平,JA12002型，上海精科天平廠。

1.3 試樣制備

樣品制備的配方體系見表1,其中4#試樣為在售PSD產(chǎn)品,作為對比樣。

按照表1，將不同組分原料在溫度為120～140 ℃的轉(zhuǎn)矩流變儀中混煉20 min，供試驗用。

將上述樣品材料使用分析天平稱重,然后放入0.1 mm的模板，嚴格控制壓片工藝。壓片溫度為(180±5) ℃，壓力為15 MPa，壓制15 min后減壓，取出模板，將模板置于冷壓機上冷卻10 min，最后打開模板取出制好的完整試片。

表1 配方體系 %

采用稱重法制備試片，表面應(yīng)平整、無氣泡，厚度為(1.00±0.15) mm；再用啞鈴形裁刀將試片沖壓成啞鈴形試樣，試樣規(guī)格符合GB/T 1040—2018《塑料 拉伸性能的測定》的規(guī)定。

1.4 性能測試與表征

熔融指數(shù)測定：按ASTM D1238—2013 《用擠壓塑料計測量熱塑性塑料熔體流動速率的試驗方法》進行測試。

拉伸強度和斷裂伸長率試驗：按照GB/T 1040—2018進行測試，試樣為Ⅱ型標準啞鈴片，厚度為(1.0±0.1) mm，拉伸速度為(250±50) mm/min。

空氣熱老化試驗：按照JB/T 10738—2007 《額定電壓35 kV及以下擠包絕緣電纜用半導(dǎo)電屏蔽料》中第6.4節(jié)要求進行測試，在(100±2) ℃下240 h后，試樣在(23±3) ℃、相對濕度為44%～45%的環(huán)境中待調(diào)節(jié)時間不少于17 h。

體積電阻率測定：測定20 ℃體積電阻率，試驗按GB/T 3048.3—2007 《電纜線纜電性能試驗方法》的規(guī)定,試樣在(23±3) ℃、相對濕度為44%～45%的環(huán)境中調(diào)節(jié)時間不少于24 h；測定70 ℃工作電阻,按JB/T 10738—2007中的要求進行測試。

密度試驗：按照GB/T 1033—2008 《塑料密度和相對密度試樣方法》的規(guī)定進行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 熔融指數(shù)對比

對4組試樣進行熔融指數(shù)測定，結(jié)果見表2。由表2可以看出:4#試樣的流動性能沒有1#、2#及3#試樣好。分析認為：采用新型助劑A，在增大熔融指數(shù)的同時，提高了復(fù)合材料的熔融指數(shù)，即加入適量的助劑A對試樣的加工流動性能有所改善，使材料的加工性能得到改善，降低加工能耗，最終起到降低生產(chǎn)成本的目的。

表2 熔融指數(shù)對比

2.2 空氣熱老化數(shù)據(jù)對比

在熔融指數(shù)測定的基礎(chǔ)上，對試樣進行標準空氣熱老化測試分析，圖1為試驗制備的試樣在100 ℃老化箱中熱老化240 h后的拉伸強度保持率對比結(jié)果。

圖1 空氣熱老化后拉伸強度保持率對比

由圖1可以看出：拉伸強度保持率由小到大依次排序為2#、3#、4#、1#。2#試樣及3#試樣的拉伸強度保持率較1#試樣和4#試樣穩(wěn)定，從配方優(yōu)化結(jié)果來看加入助劑A對材料的空氣熱老化拉伸強度保持率穩(wěn)定性有明顯的提升效果。分析認為：由于助劑A是一種具有相對較少短支鏈，同時與低密度聚乙烯具有較好相容性的材料，因此它對復(fù)合材料的流動性具有一定的改善作用，最終提高了材料的整體加工性，由于其具有相對較高的規(guī)整度，在材料中可以起到異相成核的作用。因此助劑A在整體上提升了材料的拉伸強度，致使老化后物理交聯(lián)點被打開，拉伸強度略微減小，整體上保障試樣在熱老化后拉伸強度保持率相對較高。

圖2為空氣熱老化后斷裂伸長率保持率對比。由圖2可以看出：不加助劑A時，試樣老化后的斷裂伸長率保持率特別小，說明材料抗熱老化性能非常差；隨著助劑A的用量增加,試樣的老化后斷裂伸長率保持率呈明顯上升趨勢，說明2#試樣及3#試樣的抗熱老化性能變好。

圖2 空氣熱老化后斷裂伸長率保持率對比

在強度不降低的前提下，保障拉伸斷裂伸長率的增加，助劑A的加入有效地降低了熱老化對材料的影響，使材料在長期高溫老化條件下，使用壽命延長。

為了更加直觀地對比材料的耐老化性能，通過引入老化性能保持率作為參考依據(jù)。3#試樣老化后斷裂伸長率保持率為102.32%，4#試樣的熱老化斷裂伸長率保持率為84.4%，可以發(fā)現(xiàn)3#試樣對比4#試樣老化后斷裂伸長率保持率提升在21.6%。

2.3 不同配方中的助劑A用量對屏蔽料綜合性能的影響

在對比上述老化后斷裂伸長保持率的基礎(chǔ)上，為了產(chǎn)品能夠商業(yè)化應(yīng)用，進一步對產(chǎn)品的其他綜合性能進行評估測試，所用數(shù)據(jù)典型值為JB/T 10738—2007標準要求值，測試數(shù)據(jù)結(jié)果見表3。

表3 4種試樣的常規(guī)性能評測

由表3可以看出:新制備的2#、3#試樣符合JB/T 10738—2007的相關(guān)要求，且在滿足標準要求基礎(chǔ)上，優(yōu)于4#試樣各項性能指標，并且2#試樣測試數(shù)據(jù)與3#試樣相當，與4#試樣相比具有很大商業(yè)運用價值。

由表3還可以看出：1#試樣不符合標準要求，3#試樣綜合性能最優(yōu)，因此助劑A對材料的老化性能有明顯的提升，最終制備出符合標準要求的高耐熱老化的熱塑性半導(dǎo)電屏蔽料。分析認為：加入助劑A后，可能是由于助劑A具有較好的規(guī)整度，在20 ℃時材料導(dǎo)電通道穩(wěn)固，在同樣的導(dǎo)電炭黑添加量下，體積電阻率會有一定的增大；當溫度升高時，助劑A在同樣的動能作用下，降低了材料的體積電阻正溫度系數(shù)，從而致使材料的70 ℃體積電阻率上升得比較緩慢。

3 結(jié)語

(1) 通過配方改進，成功研制出高耐熱老化的熱塑性半導(dǎo)電屏蔽料，其性能完全符合JB/T 10738—2007的要求。

(2) 高耐熱老化的熱塑性半導(dǎo)電屏蔽料的老化后拉伸強度及斷裂伸長率保持率穩(wěn)定性均好于在售PSD產(chǎn)品，其中拉伸斷裂伸長率保持率可提升21.6%。