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        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

        2014-04-14 01:26:44甘胤嗣
        世界橡膠工業(yè) 2014年6期
        關(guān)鍵詞:乙丙導(dǎo)電屏蔽

        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,石墨烯對電壓等級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。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和電樹的引發(fā)和生長。隨著近年來國內(nèi)大量引進(jìn)如Тrstеr的三層共擠連續(xù)硫化生產(chǎn)線,6~35 kV乙丙絕緣橡膠電纜得到了諸如煤礦、機(jī)車、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、港口機(jī)械等場合的廣泛應(yīng)用。該電壓等級電纜,為保護(hù)絕緣層免受由于電場應(yīng)力集中造成的破壞、均勻電場作用、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因?qū)w過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)投入等多方面問題的制約,國內(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500НV,朗盛化學(xué)公司產(chǎn)品;NBR,牌號B6240,LG公司產(chǎn)品;導(dǎo)電炭黑,牌號卡博特VХС72, 天津利華進(jìn)化工公司產(chǎn)品;石墨烯,牌號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型開煉機(jī)和LP-S-50型平板硫化機(jī),Lаbtесh Enginееring公司產(chǎn)品;МV2000型門尼黏度儀和МDR2000型無轉(zhuǎn)子流變儀,美國阿爾法科技公司產(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),江都市精誠測試儀器有限公司產(chǎn)品。

        1.3 制備工藝

        打開雙輥開煉機(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)行測試。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 基料樹脂骨架材料的選擇

        選用合適的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物樹脂是設(shè)計(jì)半導(dǎo)電外屏蔽料的關(guān)鍵,樹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)用于移動場合,我們選擇VА含量不小于40%的EVМ橡膠作為基料,一般來說,其柔軟性和對導(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,其門尼黏度МL(1+4),100 ℃為(27±4),加工混煉時容易粘輥,制成可剝離外屏蔽料時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)電炭黑過多,制成的膠料不容易分散且門尼黏度高。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,對黏性影響小。經(jīng)過綜合考慮,我們選用Angstron Materials Inc.公司的N008-100-N型號作為試驗(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)詳見表3。

        由表2、表3中6組配方及性能測試的數(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尼黏度明顯下降。加入10份時效果較好,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)電材料對屏蔽層性能影響的實(shí)驗(yàn)配方

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

        ③剝離試驗(yàn)絕緣采用美國EСС公司生產(chǎn)的乙丙絕緣膠料(牌號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附著物。加入10份時效果較好,繼續(xù)增加用量至15、20份,效果增加不明顯。

        ④石墨烯的加入會提高屏蔽層的物理性能,加入10份時效果較好。

        ⑤石墨烯的加入對體系硬度、密度無明顯影響。

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

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

        表4 石墨烯預(yù)分散處理方式不同時對試樣性能數(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份時效果最優(yōu),繼續(xù)增加則效果不明顯。同時材料的門尼黏度明顯下降,剝離性能優(yōu)異。石墨烯的加入對體系硬度、密度無明顯影響。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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        [2] 宋峰, 于音. 什么是石墨烯-2010年諾貝爾物理學(xué)獎介紹[J].大學(xué)物理, 2011(1)∶7-12.

        [3] 牛正, 裴海燕. 可剝離交聯(lián)型EVA半導(dǎo)電絕緣屏蔽料的研制[J].塑料工業(yè), 2009(5)∶46-49

        [4] 蘇朝化, 牛征. 熱塑性EVA半導(dǎo)電屏蔽料的研制[J].加工與應(yīng)用, 2009(5)∶67-69.

        [責(zé)任編輯:朱 胤]

        中圖分類號:TQ 336.4+2

        文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B

        文章編號:1671-8232(2014)06-0030-04

        收稿日期:2014-03-24

        作者簡介: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。

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