高導(dǎo)電率的硅烷交聯(lián)型半導(dǎo)電屏蔽料的制備及性能研究

俞 杰,李秀娟,趙淑群

(浙江萬(wàn)馬高分子材料集團(tuán)有限公司，杭州 311305)

0 前言

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力消耗不斷增加，高壓、超高壓供電量越來(lái)越多[1-2]。在高壓、超高壓供電電纜中，半導(dǎo)電屏蔽料是必不可缺少的材料，其主要作用為改變電纜內(nèi)部電場(chǎng)徑向分布、均化電場(chǎng)，以提高電纜的電氣強(qiáng)度，延長(zhǎng)電纜的使用壽命[3-5]。在電纜屏蔽料標(biāo)準(zhǔn)中，有多種類型的屏蔽料，但國(guó)內(nèi)外仍大多采用過(guò)氧化物交聯(lián)的屏蔽料。

隨著原材料制備技術(shù)的發(fā)展，用于低壓電線電纜的硅烷交聯(lián)聚乙烯已在10 kV電力電纜中獲得應(yīng)用。筆者采用擠出共混法制備了一種高導(dǎo)電率的硅烷交聯(lián)型半導(dǎo)電屏蔽料，其性能符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)硅烷交聯(lián)型半導(dǎo)電屏蔽料的要求，同時(shí)明顯提高材料導(dǎo)電性能，對(duì)提升電纜使用壽命、增加電纜運(yùn)行安全性起到一定的推動(dòng)作用。與傳統(tǒng)化學(xué)交聯(lián)電纜所使用的屏蔽料相比，該屏蔽料的交聯(lián)方式為硅烷交聯(lián)；與過(guò)氧化物硫化管交聯(lián)工藝相比，該屏蔽料的效率有較大提升，成本將顯著降低。研究高導(dǎo)電率的硅烷交聯(lián)半導(dǎo)電屏蔽材料具有較大的市場(chǎng)價(jià)值[6-9]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

線性低密度聚乙烯，7042，中國(guó)石化集團(tuán)有限公司；

助劑C，浙江萬(wàn)馬高分子材料集團(tuán)有限公司；

潤(rùn)滑劑B，浙江萬(wàn)馬高分子材料集團(tuán)有限公司；

硬脂酸鋅，外購(gòu)；

碳酸鈣，外購(gòu)；

助劑F，浙江萬(wàn)馬高分子材料集團(tuán)有限公司；

導(dǎo)電炭黑，外購(gòu)；

石墨烯，外購(gòu)；

乙烯基三甲基硅烷，外購(gòu)；

過(guò)氧化二異丙苯，外購(gòu)；

抗氧劑，外購(gòu)；

助劑D，外購(gòu)；

硅烷交聯(lián)型半導(dǎo)電屏蔽料，PYJGD，浙江萬(wàn)馬高分子材料集團(tuán)有限公司。

1.2 主要儀器和設(shè)備

平板硫化機(jī)，XQLB-350×350型，上海第一橡膠機(jī)械廠；

電子式拉力機(jī)，XLD-1000E型，廣州市廣材試驗(yàn)儀器有限公司；

電線電纜半導(dǎo)電橡塑電阻測(cè)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；

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

水浴鍋，DK-S12型，上海森信試驗(yàn)儀器有限公司；

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

雙螺桿擠出機(jī)，SK26型，南京科亞化工設(shè)備有限公司。

1.3 樣品制備及性能測(cè)試

1.3.1 試樣制備

樣品制備的配方體系見(jiàn)表1，4#試樣為在售PYJGD產(chǎn)品，作為對(duì)比樣。

表1 配方體系 %

按照表1，將不同組分原料在溫度為90～190 ℃的雙螺桿擠出機(jī)中加工成型，供實(shí)驗(yàn)用。

本研究發(fā)現(xiàn)，黃油的固體脂肪含量比豬油高，有更好可塑性，同時(shí)與豬油相比，烘焙溫度和循環(huán)加熱次數(shù)的增加對(duì)黃油的酸價(jià)、過(guò)氧化值及多不飽和脂肪酸含量影響不顯著（P＞0.05），這說(shuō)明黃油在不同烘焙條件下具有良好的穩(wěn)定性，但高溫處理及多次加熱會(huì)使黃油的單不飽和脂肪酸和飽和脂肪酸含量增多，因此，也應(yīng)盡量避免黃油的重復(fù)利用并適當(dāng)減少烘焙溫度。

硅烷交聯(lián)型聚烯烴類半導(dǎo)電屏蔽料采用擠壓法制備所得，試樣用單螺桿擠出機(jī)的擠出溫度為130～195 ℃，擠壓的試片應(yīng)平整光滑、厚度均勻、無(wú)氣泡，試樣浸入溫度為90～95 ℃的水浴內(nèi)6～8 h。

電氣性能試驗(yàn)用硅烷交聯(lián)型聚烯烴類半導(dǎo)電屏蔽料的試樣也可以采用膜壓法制備。將擠壓的條狀片料裁剪為模壓的塊狀片料，將其在160～170 ℃的液壓機(jī)的壓板中不加壓預(yù)熱6 min，然后經(jīng)4 min加壓加熱成形。液壓機(jī)的壓力應(yīng)大于15 MPa，加壓冷卻至室溫后出模。試樣應(yīng)平整光滑、厚度均勻、無(wú)氣泡,試樣浸入溫度為90～95 ℃的水浴內(nèi)6～8 h。

1.3.2 性能測(cè)試與表征

熔融指數(shù)測(cè)定：按ASTM D1238—2013 《用擠壓塑料計(jì)測(cè)量熱塑性塑料熔體流動(dòng)速率的試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。

拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率試驗(yàn)：按照GB/T 1040—2018 《塑料拉伸測(cè)試方法》進(jìn)行測(cè)試，試樣為Ⅱ型標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)：按照J(rèn)B/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(jìn)行測(cè)試，在(100±2) ℃下240 h后，試樣在(23±3) ℃、相對(duì)濕度為44%～45%的環(huán)境中待調(diào)節(jié)時(shí)間不少于17 h。

體積電阻率測(cè)定：測(cè)定20 ℃體積電阻率，按GB/T 3048.3—2007 《電纜線纜電性能試驗(yàn)方法》的規(guī)定,試樣在(23±3) ℃、相對(duì)濕度為44%～45%的環(huán)境中待調(diào)節(jié)時(shí)間不少于24 h；測(cè)定90 ℃工作電阻率，試驗(yàn)按JB/T 10738—2007中的要求進(jìn)行測(cè)試。

熱延伸測(cè)定：按GB/T 2951.21—2008 《電纜和光纜絕緣和護(hù)套材料通用試驗(yàn)方法 第21部分：彈性體混合料專用試驗(yàn)方法 耐臭氧試驗(yàn) 熱延伸試驗(yàn) 浸礦物油試驗(yàn)》的規(guī)定，采用5型樣條進(jìn)行測(cè)試，試片厚度為(1.0±0.1) mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 熔融指數(shù)對(duì)比

對(duì)4組試樣進(jìn)行熔融指數(shù)測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 熔融指數(shù)對(duì)比

對(duì)比表2可知：1#、2#和3#試樣的流動(dòng)性能優(yōu)于4#試樣。采用新型助劑C提高了材料的熔融指數(shù)，即加入適量助劑C后該體系材料的流動(dòng)性能有所改善，使材料的加工性能得到提高，進(jìn)而提高了同等生產(chǎn)工藝條件下產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

2.2 20 ℃體積電阻率對(duì)比

在熔融指數(shù)測(cè)定的基礎(chǔ)上，對(duì)試樣進(jìn)行20 ℃體積電阻率測(cè)試分析，圖1為4種試樣在(23±3) ℃、相對(duì)濕度為44%～45%的環(huán)境中待調(diào)節(jié)24 h后測(cè)得的20 ℃體積電阻率對(duì)比結(jié)果。

圖1 20 ℃體積電阻率對(duì)比

由圖1可以看出：20 ℃體積電阻率由小到大依次排序?yàn)?#、2#、1#、4#。3#試樣和2#試樣的20 ℃體積電阻率較1#試樣和4#試樣都要小，從配方優(yōu)化結(jié)果來(lái)看加入助劑C對(duì)材料的20 ℃導(dǎo)電性能有明顯的提升效果。助劑C為一種具有高結(jié)構(gòu)導(dǎo)電炭黑與乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA)擠出造粒制得的導(dǎo)電母料。助劑C的高結(jié)構(gòu)炭黑特性加入2#、3#試樣后有利于其中炭黑導(dǎo)電通道的建立，由于其具有較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，使得材料形成的導(dǎo)電通道更加穩(wěn)定；同時(shí)，由于助劑C中含有極性材料EVA使原材料中的非極性材料線性低密度聚乙烯與導(dǎo)電炭黑的相容性得到了一定的提升，因此加入助劑C后材料的20 ℃體積電阻率呈明顯下降趨勢(shì)。

圖2為4種試樣的90 ℃體積電阻率對(duì)比。

圖2 90 ℃體積電阻率對(duì)比

由圖2可以看出：不加助劑C時(shí)，試樣的90 ℃體積電阻率相對(duì)較大，說(shuō)明高溫對(duì)材料的導(dǎo)電通道有一定的破壞;隨著助劑C的用量增加，材料的90 ℃體積電阻率呈明顯的下降趨勢(shì)，說(shuō)明2#試樣與3#試樣的導(dǎo)電性能變好。

在材料電阻不上升的情況下，助劑C的加入有效地提升了材料的導(dǎo)電通道穩(wěn)定性，使得材料在制成電纜后運(yùn)作時(shí)的電阻變小，降低了電纜的運(yùn)行負(fù)荷，增加其使用壽命。

2.3 助劑C用量對(duì)屏蔽料綜合性能的影響

在對(duì)比體積電阻率的基礎(chǔ)上，為了產(chǎn)品能夠商業(yè)化應(yīng)用，進(jìn)一步對(duì)產(chǎn)品的其他綜合性能進(jìn)行評(píng)估測(cè)試，所用數(shù)據(jù)典型值為JB/T 10738—2007中的標(biāo)準(zhǔn)要求值，測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 4種試樣的常規(guī)性能評(píng)測(cè)

由表3可以看出：1#、2#、3#試樣的性能均符合JB/T 10738—2007的相關(guān)要求，其中2#、3#試樣的性能在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上，優(yōu)于4#試樣各性能指標(biāo)；2#試樣測(cè)試數(shù)據(jù)與3#試樣較為接近，與4#試樣相比具有很大的商業(yè)運(yùn)用價(jià)值。

由表3還可以看出：3#試樣綜合性能最優(yōu)，因此助劑C的加入能顯著降低材料的體積電阻率，最終制備出符合標(biāo)準(zhǔn)要求的高導(dǎo)電率的硅烷交聯(lián)型半導(dǎo)電屏蔽。加入助劑C后，由于其含有一定的聚乙烯鏈段使得硅烷可接枝部分有一定的增加，水解交聯(lián)后材料的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，因此3#試樣與2#試樣的熱延伸率較1#試樣有所下降，力學(xué)性能有一定的上升。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)配方改進(jìn)，成功研制出一種具有高導(dǎo)電率的硅烷交聯(lián)型半導(dǎo)電屏蔽料，其性能符合JB/T 10738—2007的要求。制得的硅烷交聯(lián)型半導(dǎo)電屏蔽料的綜合性能尤其是體積電阻率均優(yōu)于在售PYJGD產(chǎn)品，其中室溫下體積電阻率降低73%，帶電運(yùn)行體積電阻率降低100%，進(jìn)一步體現(xiàn)了其高導(dǎo)電率的特性。