本發(fā)明涉及電纜絕緣材料技術(shù)，尤其是一種新型抗水樹型交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
交聯(lián)聚乙烯(xlpe)是利用化學(xué)方法或物理方法，使聚乙烯分子由線型分子結(jié)構(gòu)變?yōu)槿S網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，熱塑性材料變?yōu)闊峁绦圆牧?，工作溫度?0℃提高到90℃，顯著提高了材料性能。自五十年代問世以來，因其性能卓越、制造工藝簡單、維修容易等優(yōu)點(diǎn)，在輸配電系統(tǒng)、工業(yè)裝置或其他需要大容量用電領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
早在上世紀(jì)60年代人們就發(fā)現(xiàn)塑料電纜絕緣在電場和水的作用下其內(nèi)部會產(chǎn)生樹枝狀放電通道，稱為“水樹”?！八畼洹睍S著時間的發(fā)展繼續(xù)生長，最終導(dǎo)致電纜絕緣層被擊穿，成為電纜早期損壞的重要原因。
xlpe電纜的水樹枝老化現(xiàn)象主要可歸納為以下幾點(diǎn)：(1)同時存在水和電場時才會發(fā)生水樹枝，即使在較低的電場下也會發(fā)生水樹枝；(2)水樹枝是直徑在0.1到幾個μm的充滿水的氣隙集合；(3)絕緣中存在的雜質(zhì)、氣孔以及絕緣表面內(nèi)外半導(dǎo)體層的不均勻處形成的局部高電場部位是發(fā)生水樹枝的起點(diǎn)；(4)在交流電場下比在直流電場下容易產(chǎn)生水樹枝，交流電頻率越高，發(fā)展速度越快；(5)溫度高時容易發(fā)生水樹枝。
隨著對水樹研究廣泛深入的持續(xù)進(jìn)行，許多提高電纜長期壽命特性的方法被采用，包括采用抗水樹作用的絕緣材料、擠包半導(dǎo)電屏蔽、設(shè)計防水的電纜結(jié)構(gòu)，以及改進(jìn)絕緣制造的工藝條件。
人們提出了許多改進(jìn)材料抗水樹性能的方法，這些方法可以歸納為兩類：第一種方法是將與基體材料分子鏈有親和作用的添加劑與聚合物材料混合以獲得抗水樹特性。這種方法以美國陶氏化學(xué)公司為代表。第二種方法是改變聚合物材料本身的性質(zhì)，即改變聚合物分子結(jié)構(gòu)、聚合物結(jié)構(gòu)形態(tài)，或者采用不同聚合物材料共混，或者采用聚合物合金。這種方法以歐洲最主要的電纜用聚烯烴供應(yīng)商北歐化工為代表采用共聚物。這些共聚物含有過氧化物交聯(lián)劑，在高溫采用化學(xué)方法進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)從而得到交聯(lián)聚乙烯絕緣材料。
目前人們已經(jīng)采用多種措施來解決絕緣料中的水樹問題，包括較成熟的使用添加劑聚乙二醇(peg)的方法以及離聚物等來改進(jìn)絕緣料的抗水樹性能。然而目前各種技術(shù)雖然在抗水樹方面具有一定效果，但是對絕緣料的加工性能(析出問題)以及絕緣材料的介電損耗、介電強(qiáng)度等電性能卻帶來負(fù)面影響。生產(chǎn)時為了獲得電力電纜所需要的各種性能從而在絕緣料中加入不同添加劑，為了保證添加劑與基材之間能很好相容，又必須加入相容劑。此外，目前最常見的交聯(lián)聚乙烯絕緣材料都采用化學(xué)交聯(lián)的方法制備，這樣不僅需要高溫條件消耗能源，而且過氧化物分解產(chǎn)物同樣存在，這樣不但影響到電纜絕緣材料的純凈度，同時很大程度上改變了原有基材的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，從而影響了產(chǎn)品的性能，很難在各種性能之間達(dá)到一種合適的平衡。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種抗水樹型交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣材料及其制備方法。通過熔融共混和物理輻照交聯(lián)等方法將含有不飽和度的水樹抑制添加劑以化學(xué)鍵的方式嫁接到基體樹脂的大分子鏈上，從而解決了抗水樹添加劑與聚乙烯之間的相容性和析出等問題。該電纜絕緣材料具有較強(qiáng)的抗水樹性能，較好的介電性能和適用性，前期可以在較高溫度加工，大大提高生產(chǎn)效率，后續(xù)成型采用高能射線輻照加工，清潔、高效，無需高溫等苛刻條件，能耗低，最大優(yōu)勢是不用擔(dān)心電纜運(yùn)行過程中添加劑的析出等問題。
本發(fā)明的技術(shù)方案：一種抗水樹型交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣材料，包括以下重量份的預(yù)混料：
所述的主抗氧劑是抗氧劑1010、抗氧劑300、抗氧劑264、抗氧劑2246中的一種或幾種復(fù)配。
所述的輔助抗氧劑是亞磷酸酯類抗氧劑168、抗氧劑pep-36、有機(jī)硫化物dltp和dstp中的一種或幾種復(fù)配。
所述的不飽和聚醚的分子量為400～5000。
所述的輻照敏化劑為三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯(tmptma)、三烯丙基異氰脲酸酯(taic)、三羥甲基丙烷二丙烯酸酯(tmpda)中的一種或或幾種復(fù)配。
一種抗水樹型交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣材料的制備方法，包括以下步驟：先將重量份的聚乙烯100份，主抗氧劑0.1～0.6份，輔助抗氧劑0.05～0.2份，不飽和聚醚0.5～5份，輻照敏化劑1～3份原料預(yù)混合均勻，然后通過雙螺桿擠出機(jī)擠出造粒，工藝溫度在120～230℃之間，即得到抗水樹電纜料；再在抗水樹電纜料成型后在真空或惰性氣氛條件下采用高能射線進(jìn)行輻照加工處理制得交聯(lián)聚乙烯電纜，輻照劑量在50～200kgy。
所述的高能射線是α射線、β射線、γ射線或高能電子束中的一種，優(yōu)選γ射線或高能電子束。
本發(fā)明的制造工藝與現(xiàn)有的普通電纜料不一樣，只需將所需原料按比例通過雙螺桿擠出機(jī)組高溫熔融混合均勻，然后擠出造粒，即可得到抗水樹電纜絕緣材料；抗水樹絕緣材料成型后在高能射線下進(jìn)行輻照處理，即可得到抗水樹型交聯(lián)聚乙烯絕緣材料。
本發(fā)明提供的抗水樹電纜絕緣材料，不僅性能完全符合國家jb/t10437—2004《電線電纜用可交聯(lián)聚乙烯絕緣料》的相關(guān)要求，而且其水樹長度和普通電纜料相比降低40％～60％；并具有較好的工藝性能和適用性。
本發(fā)明除了添加了類似聚乙二醇類的親水材料以保證材料的抗水樹性能之外，主要是以化學(xué)接枝改性為主，不存在電纜成型后期的相容性；而且相比之下大大降低了電纜絕緣材料的介電損耗性能，這樣既降低了線路中電能的損耗，同時降低了由于損耗導(dǎo)致電纜發(fā)熱的工作溫度。
具體實施方式
所述的各種原材料均可市售，未詳細(xì)描述的內(nèi)容均為現(xiàn)有技術(shù)。
以前的研究中當(dāng)中，制備抗水樹的電纜絕緣材料主要是加入一定量的聚乙二醇，盡管技術(shù)比較成熟，但是在工藝上還是有需要改進(jìn)的地方，除了抗水樹性能以外，還要考慮材料的電壓擊穿強(qiáng)度、介質(zhì)損耗、熱穩(wěn)定性以及聚乙二醇和聚乙烯材料的相容性能和加工性能。
本發(fā)明思路是通過添加親水性物質(zhì)(不飽和聚醚)，改善聚合物與水的相互作用，從而降低了水樹枝的生長速度，大大延長電纜的使用壽命；通過引入不飽和雙鍵，在高能射線的作用下，使抗水樹添加劑與基體樹脂分子鏈連接，且基體樹脂分子鏈之間形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而大大提高了材料抗水樹性能的穩(wěn)定性和服役溫度。
本發(fā)明中使用的聚乙烯(pe)，是用傳統(tǒng)高壓法制造的乙烯均聚物；密度在0.910～0.930g/cm3之間，熔融指數(shù)在1～10g/10min，最好是在1.5～5g/10min；pe可以是一種乙烯的均聚物或乙烯和少量的一個或多個含有3～12個碳原子的α烯烴的共聚物,這種α烯烴最好含有4～8個碳原子和一種二烯烴或這種均聚物和共聚物的混合物。這里的α烯烴是丙烯、1－丁烯、1－己烯、4甲基1戊烯、1辛烯。
一般來講，不飽和聚醚是根據(jù)其不飽和度和分子量來定義的，分子量的范圍在100～10000之間，最好是在400～5000之間。聚醚不飽和度主要在1～3之間；不飽和度為1時，其主要提供了化學(xué)接枝的鏈接點(diǎn)；不飽和度在1以上時，不僅提供了接枝改性的鏈接點(diǎn)，還可以起到協(xié)助交聯(lián)作用。不飽和聚醚是一種極性混合物，不飽和度為1的聚醚可以用分子式ch2＝chch2-o(ch2ch2o)n-h來表示。這里n可以從6到100，這樣就可以得到400～5000的分子量范圍。絕緣料中的不飽和聚醚含量可以在0.5～5份之間。
在本發(fā)明中，主抗氧劑可以是抗氧劑1010、抗氧劑300、抗氧劑264、抗氧劑2246等中的一種或幾種復(fù)配；輔助抗氧劑可以是亞磷酸酯類抗氧劑168、抗氧劑pep-36以及有機(jī)硫化物dltp和dstp等中的一種或幾種復(fù)配。
抗水樹電纜絕緣材料成型后采用γ射線或高能電子束進(jìn)行輻照加工處理制得交聯(lián)聚乙烯絕緣材料，輻照劑量在50～200kgy。
實施例1：原料成分及重量份：
將以上原料預(yù)混合均勻，然后通過雙螺桿擠出機(jī)擠出造粒，工藝溫度在120～230℃之間，即得到抗水樹電纜料；抗水樹電纜絕緣材料成型后采用γ射線進(jìn)行輻照加工處理制得交聯(lián)聚乙烯絕緣材料，輻照劑量在50kgy。
實施例2：原料成分及重量份：
將以上原料預(yù)混合均勻，然后在120～230℃的溫度下通過雙螺桿擠出機(jī)擠出造粒，即得到抗水樹電纜料；抗水樹電纜絕緣材料成型后采用γ射線進(jìn)行輻照加工處理制得交聯(lián)聚乙烯絕緣材料，輻照劑量在120kgy。
實施例3：原料成分及重量份：
將以上原料預(yù)混合均勻，然后在120～230℃的溫度下通過雙螺桿擠出機(jī)擠出造粒，即得到抗水樹電纜料；抗水樹電纜絕緣材料成型后采用電子束進(jìn)行輻照加工處理制得交聯(lián)聚乙烯絕緣材料，輻照劑量在200kgy。
實施例4：原料成分及重量份：
將以上原料預(yù)混合均勻，然后在120～230℃的溫度下通過雙螺桿擠出機(jī)擠出造粒，即得到抗水樹電纜料；抗水樹電纜絕緣材料成型后采用電子束進(jìn)行輻照加工處理制得交聯(lián)聚乙烯絕緣材料，輻照劑量在150kgy。
實例2獲得的樣品，與現(xiàn)有的絕緣電纜料產(chǎn)品一同經(jīng)過各項性能指標(biāo)測試，獲得如下比較數(shù)據(jù)，見表一。
表一：
注：yj-35為某公司生產(chǎn)的35kvxlpe絕緣電纜料，市售。
由表一數(shù)據(jù)可以看出，實例2所得材料性能完全符合jb/t10437—2002《電線電纜用可交聯(lián)聚乙烯絕緣料》中的35kv電纜料要求，并且其水樹長度和普通電纜料相比降低約58％。