超高壓XLPE電纜絕緣料的交聯(lián)副產(chǎn)物研究

劉美兵, 李秀娟, 姜新梅, 劉敬銳

(浙江萬馬高分子材料有公司， 浙江臨安 311305)

0 前言

超高壓交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣電力電纜憑借其優(yōu)越的電氣性能及加工、敷設、使用方便等多方面的優(yōu)良特性，被廣泛使用。隨著XLPE絕緣材料的不斷改進升級，XLPE絕緣電力電纜已經(jīng)向超高壓、大長度、大截面和高可靠性趨勢發(fā)展[1-2]。

超高壓XLPE絕緣電力電纜的副產(chǎn)物主要來自于超高壓XLPE絕緣電纜料，其中交聯(lián)劑過氧化二異丙苯(DCP)含量決定了材料在加工過程中產(chǎn)生副產(chǎn)物的含量[3-5]。在交聯(lián)反應過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物包含一些易揮發(fā)、易燃的不穩(wěn)定物質(zhì)，其中苯乙酮、枯基醇甲烷和水等低沸點的小分子物質(zhì)，是造成電纜絕緣性能不穩(wěn)定以及影響產(chǎn)品使用性能[6-9]的主要因素。因此，對超高壓XLPE電纜絕緣料進行副產(chǎn)物測量分析以及降低副產(chǎn)物含量是十分必要的。

XLPE絕緣電力電纜電壓等級不斷提高，其絕緣厚度也不斷增加，在研究電纜結(jié)構(gòu)、絕緣界面的同時，厚度大的絕緣層中會殘留部分副產(chǎn)物，副產(chǎn)物的存在嚴重影響了電纜的電氣性能。因此，研究XLPE絕緣電力電纜絕緣層副產(chǎn)物成分、含量以及排氣速度，也是極有必要的。在實驗室條件下，筆者通過熱失重法對交聯(lián)副產(chǎn)物進行分析，快速簡潔地評價了幾種交聯(lián)副產(chǎn)物的含量，最終制備出低副產(chǎn)物的電纜絕緣料。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

35 kV XLPE電纜絕緣料(簡稱YJ-35)，型號為YJ-35，浙江萬馬高分子材料有限公司；

110 kV XLPE電纜絕緣料(簡稱YJ-110)，型號為YJ-110，浙江萬馬高分子材料有限公司；

110 kV XLPE電纜絕緣料A樣(簡稱A試樣)，國外主流產(chǎn)品；

低密度聚乙烯，牌號2220H，熔融指數(shù)為2.0 g/(10 min)，揚子巴斯夫石化公司；

交聯(lián)劑，DCP，江蘇道明化學有限公司；

不飽和雙鍵類助交聯(lián)劑E，外購；

其他類助交聯(lián)劑F，外購。

1.2 主要儀器和設備

雙螺桿擠出機：34型，昆山科亞；

平板硫化機：XQL-B型，上海第一橡膠機械廠；

電子天平：JA12002型，上海精科天平廠；

加熱恒溫鼓風干燥箱：DGG-070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；

轉(zhuǎn)矩流變儀：哈克Rheocord9000型，德國Haake公司；

電子式拉力機：XLD-1000E型，廣州市廣材試驗儀器有限公司。

1.3 樣品制備及性能測試

1.3.1 試樣制備

使用2220H低密度聚乙烯為基體樹脂，添加抗氧劑體系，再添加交聯(lián)劑和助交聯(lián)劑按一定的配方，經(jīng)34型雙螺桿擠出機擠出造粒，制得成品。

制備工藝條件：電機轉(zhuǎn)速720 r/min，喂料轉(zhuǎn)速60 r/min，擠出時從喂料口到機頭各段溫度依次設定為90 ℃、100 ℃、110 ℃、115 ℃、120 ℃、120 ℃、120 ℃。

樣品制備的配方體系質(zhì)量分數(shù)見表1。

表1 配方體系質(zhì)量分數(shù) %

1.3.2 稱重法制樣

將上述樣品材料的粒子使用分析天平稱重(5±0.2) g，并記錄數(shù)據(jù)M0；將該顆粒放入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后打開模板，取出制好的完整樣片再次稱重，并記錄數(shù)據(jù)M1；將稱重好的試樣放入70 ℃的真空干燥烘箱，每隔24 h稱重一次，并做好記錄。

采用以上方法制備試片，要求表面平整、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—2016 《塑料 拉伸性能的測定》。

1.3.3 流變性能測試方法

設定溫度為140 ℃，額定轉(zhuǎn)速為45 r/min，運行時間為10 min，稱取40 g樣品，待溫度達到設定條件，加入已稱樣品開始測試，實驗結(jié)束后，利用流變儀自帶軟件進行分析，得出測試結(jié)果曲線。

1.3.4 性能測試標準

熱失重測試：按照DB/T 1236—2010 《化工產(chǎn)品的干燥失重測定方法》進行測試；

熱延伸測試：按照GB/T 2951.21—2008 《電纜和光纜絕緣和護套材料通用試驗方法》進行測試；

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；

拉伸性能測試：按照GB/T 1040—2016 進行測試，拉伸速度為250 mm/min，試驗溫度為(23±2) ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同材料的熱失重性能分析

圖1為利用不同材料制備的試樣，在70 ℃烘箱中每隔24 h的熱失重。

圖1 不同材料的熱失重隨時間變化

由圖1可以看出；經(jīng)過4 d后熱失重曲線上升趨勢平穩(wěn)，但是仍有微量副產(chǎn)物的存在；第5～7天熱失重曲線趨于穩(wěn)定，基本可以確定交聯(lián)副產(chǎn)物已完全脫氣，其熱失重數(shù)據(jù)代表副產(chǎn)物的多少。根據(jù)第7天的熱失重質(zhì)量分數(shù)由小到大依次排序為：配方2#、A試樣、配方1#、YJ-110、配方3#、YJ-35。

A試樣交聯(lián)副產(chǎn)物明顯少于國產(chǎn)料，針對交聯(lián)副產(chǎn)物進行配方優(yōu)化研究，從配方優(yōu)化結(jié)果來看配方1#和2#添加相應的助交聯(lián)劑E和F，交聯(lián)副產(chǎn)物有明顯改善，尤其是配方2#的交聯(lián)副產(chǎn)物已優(yōu)于進口A試樣。

2.2 不同配方中的交聯(lián)劑體系在聚乙烯中交聯(lián)程度效果

根據(jù)流變性能實驗得出不同材料的流變曲線見圖2。

圖2 不同材料的流變曲線圖

由圖2可知：幾種材料的抗焦燒性能(一般采用扭矩從最小處升高到相同扭矩所需要的時間來判斷其焦燒性能，扭矩開始升高的時間越長，絕緣料的抗焦燒性能越好)均好于YJ-35，扭矩升高時間均小于YJ-35，與理論相近?，F(xiàn)有的YJ-110與A試樣流變性能相近，同時經(jīng)過配方調(diào)整改進，明顯降低了材料的扭矩升高速度，大大降低了交聯(lián)速度，提高了長時間放線穩(wěn)定性，對工業(yè)大批量穩(wěn)定生產(chǎn)具有重要意義。

2.3 不同配方中的交聯(lián)劑體系對XLPE綜合性能的影響

通過綜合性能評估測試所得6種材料的全性能測評數(shù)據(jù)見表2。

表2 6種材料的全性能評測數(shù)據(jù)

由表2可以看出，1#試樣不符合標準，2#試樣綜合性能最優(yōu)。分析認為：1#試樣由于助交聯(lián)劑E效果較差，主要原因是不飽和雙鍵含量低，不能滿足等量替代DCP，導致電纜絕緣料的熱延伸偏大，凝膠含量不合格。2#和3#試樣均滿足標準要求，并且2#試樣的測試數(shù)據(jù)和A試樣相當，因此通過新交聯(lián)助劑可以明顯降低DCP的使用，最終制備出符合標準的高性能電纜絕緣料。

3 結(jié)語

綜上所述，隨著電壓等級的升高，絕緣層厚度越來越厚，相對脫氣時間越來越長，為了提高生產(chǎn)過程中的脫氣效率，研究超高壓電纜XLPE電纜絕緣料的交聯(lián)副產(chǎn)物的減少是非常有意義的。同時，流變性能表明YJ-110與A試樣抗焦燒性能相近。通過配方優(yōu)化調(diào)整，采用DCP和助交聯(lián)劑配合使用時，在不影響產(chǎn)品性能基礎上明顯降低材料的交聯(lián)副產(chǎn)物，同時提高其抗焦燒性能。