甘元毛，劉永紅

(特變電工(德陽)電纜股份有限公司，四川 德陽 618000)

乙丙橡膠為飽和型非極性橡膠，具有優(yōu)異的絕緣性能，耐臭氧、耐熱和耐老化性能，常用作電線電纜的絕緣材料。乙丙橡膠加工工藝性能差，一般添加填料和補強劑改進工藝性能。但普通填充劑會降低乙丙橡膠的絕緣性能，而煅燒高嶺對乙丙橡膠絕緣性能影響較小，是乙丙橡膠絕緣料中重要的加工助劑。工業(yè)化生產的煅燒高嶺土，所用的原材料產地不同，材料結構不同；各企業(yè)的生產工藝不同，導致產品的性能有較大差別。依據高嶺土礦的質地、可塑性和砂質的質量份數不同，將高嶺土礦分為三種類型：硬質高嶺巖、軟質高嶺土和砂質高嶺土。南方高嶺土是一種非金屬礦產，是以高嶺石族粘土礦物為主的粘土和粘土巖，多為軟質高嶺土和砂質高嶺土。南方煅燒高嶺土主要分布在廣東，廣西，湖南，江西，福建和蘇州等地。煤炭開采過程中會產生大量煤矸石，當煤矸石中高嶺巖含量超過80%的稱為煤系高嶺土。煤系高嶺土為硬質高嶺土，集中在我國北方產煤的山西和內蒙古等地。

本文試用了產于廣東和廣西的粘土礦型煅燒高嶺土，產于山西和內蒙古的煤系煅燒高嶺土和進口煅燒高嶺土，研究了材料的特征參數及其對乙丙橡膠絕緣體積電阻率和機械強度的影響，以探討中壓電纜用乙丙橡膠絕緣料所用煅燒高嶺土的選型。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

乙丙橡膠4045(吉化)；煅燒高嶺土(變量，產地分別為：廣東，廣西，山西兩家分別標示為山西A和山西B,內蒙，巴斯夫)；氧化鋅(臺灣臺懋)；石蠟油(漢盛)；石蠟(中石化)；防老劑RD(圣澳)和硫化劑DCP(上海高橋)。為敘述方便，煅燒高嶺土以字母代替如表1。

實驗配方:乙丙橡膠100，煅燒高嶺土100，氧化鋅6，石蠟油10，其它15

1.2 主要設備和儀器

開煉機(江都市天發(fā)實驗機械廠)；平板硫化機(上海市輕工機械股份有限公司)；ZC-90G高絕緣電阻測量儀(上海太歐電子)；傅立葉變換紅外光譜儀Frontier(PerkinElmer)；BT9300激光粒徑分析儀(丹東百特)；恒溫水浴?(新瑞儀器)；恒溫干燥箱(江都金剛機械廠)

1.3 試樣制備

按配方稱取各組份。開煉機升溫至80℃，將乙丙橡膠在開煉機上混煉至包輥，逐步加入包括硫化劑在內的各助劑，待粉料完全混入后，調小輥距，打三角包混煉10遍，出片冷卻。停放24 h后，在輥溫為80℃的開煉機上打三角包混煉6遍。將混合料在平板硫化機上硫化，硫化條件為175℃×10min，硫化膠片厚度1±0.1mm。

1.4 性能測試

硫化膠片的絕緣體積電阻率按照GB/T1410-2006固體絕緣材料體積電阻率和表面電阻率試驗方法測試，實驗電壓1kV,充電時間1min讀數。浸水絕緣材料體積電阻率測試方法如下：將硫化膠片放入50℃水中。7天和14天后取出膠片，擦干水，將膠片與測試電極箱一同放入50℃的恒溫箱恒溫1h后，測試50℃的絕緣體積電阻率。

2 材料分析

2.1 傅立葉紅外圖譜FT-IR

傅立葉紅外圖譜FT-IR見圖1。

圖1 FT-IR吸光光譜

不同產地的煅燒高嶺土均以高嶺石為主，主要成份為硅酸鋁鹽，但伴生有石英，云母等，其紅外圖譜相似：在1000～1100 cm-1之間出現了很強的吸收峰,它是Si-O-Si鍵反對稱伸縮振動所致,在800 cm-1左右的吸收峰是Si-O-Si鍵的對稱伸縮振動吸收峰。960cm-1左右的吸收峰是Al-O-OH的彎曲振動。受實驗設備限制，不能反映650cm-1 以下的峰值。不同的高嶺土在1000～1100 cm-1吸收峰強度不同，通過軟件計算，校正后的峰面積和峰的高度排列為 ： A>B>F>E>D>C。吸收峰的強度大小可以反映產品中特定波長的物質的濃度。以上結果也反映出了不同的高嶺土中SiO2含量。峰值明細如表2。

除了A之外，其它煅燒高嶺土的紅外光譜接近。A明顯多了三個吸收峰。其中3699cm-1峰為高嶺土層間-OH的伸縮振動峰，3618 cm-1為內羥基的伸縮振動峰。2960 cm-1為C-H的彎曲振動。說明兩點：煅燒高嶺土A含有結合水,未經充分煅燒;另一方面,它是用硬脂酸等有機物表面改性。

2.2 粒徑分析

激光粒徑法測得的高嶺土粒徑數據如表3。

表3 激光粒徑法測得的高嶺土粒徑數據

以中位徑D50表征的粒徑大小排列下： E

2.3 水中沉降分析

將煅燒高嶺土稱取2g，放入水中，觀察在水中的沉情況。煅燒高嶺土B和F基本全部懸浮于水面，A剛開始部分懸浮于水面，5分鐘后全部沉降。煅燒高嶺土C、D和E放入水中即全部沉降。說明B和F為偶聯處理的煅燒高嶺土，A為有機表面處理，其它產品未改性處理。未改性的煅燒高嶺土表面呈現較強的極性,它與極性的水之間很容易產生浸潤作用而導致沉降; 偶聯劑改性高嶺土表面極性變小,與極性介質水之間難以相容,保持懸濁液狀態(tài)而不易沉降。

3 結果討論

3.1 絕緣體體積電阻率的影響

3.1.1 不同高嶺土對乙丙橡膠絕緣體積電阻率的影響

壓片后18h測試和放置7天每天測試并記錄如圖2。

圖2 壓片后18h測試和放置7天測試的體積電阻率

壓片18h后測試結果顯示，不同煅燒高嶺土對乙丙橡膠絕緣體積電阻率影響不同。排列順序如下： B>A>C>F>E>D。從粒徑分析，E和D的粒徑最小，但成品的絕緣體積電阻率也是最小。而A,B,C,F的粒徑為3.5～5μm，比表面積650～1000m2/kg, 成品的絕緣體積電阻率較好。高嶺土的形狀是多孔隙多通道單晶薄片狀結構，煅燒高嶺土在電纜中的絕緣電阻是由其活性和孔隙率大小決定的。不同的煅燒工藝，決定了煅燒高嶺土產品的活性?；蛟S粒徑3.5～5μm范圍內，煅燒高嶺土的孔隙率更大，更容易捕獲游離的電子，提高乙丙橡膠絕緣體積電阻率。結合紅外光譜分析，Si-O-Si鍵含量較高的A和B絕緣性能優(yōu)異，說明煅燒高嶺土中二氧化硅含量越高對絕緣越有利。

放置7天后測試，絕緣體積電阻率有明顯變化。除A外，其余均為正向變化，隨時間增加而增長。特別是C，絕緣體積電阻率增長明顯。A則有相反的變化，隨時間增長而減少。從紅外圖譜可知， A的分子結構中含用-OH基團，并且未經偶聯處理，表面是親水性的 ,易于吸收空氣中的水分，絕緣體積電阻率隨時間減少。B和F經過表面偶聯處理，偶聯劑一端包覆煅燒高嶺土中殘留-OH基團，另一端增加了煅燒高嶺土與乙丙橡膠的結合，導致混合材料絕緣體積電阻率穩(wěn)定，僅有小幅增長。由于配方中有單獨加入偶聯劑，其它未經偶聯處理的煅燒高嶺土也有上述作用，只是其效果不及填料本身就偶聯處理的產品。

3.1.2 50℃浸水過程跟蹤

50℃浸水測試的絕緣體積電阻率見圖3。

圖3 50℃浸水測試的絕緣體積電阻率

浸水之前測試，絕緣體積電阻率的大小順序為B>A>C>F>E>D，并且數值均大于6×1015Ω.cm。 50℃浸水7天后，絕緣體積電阻率的大小順序B>F>C>E>D>A，變化趨勢與常溫放置7天后測試結果接近，但絕緣體積電阻率呈現幾何級下降。A和D的膠料絕緣體積電阻率僅僅在1014Ω.cm范疇。50℃浸水14天后，絕緣體積電阻率的大小順序B>F>C>E>D>A，與浸水7天后的變化趨勢完全一樣。但絕緣體積電阻率進一步下降，除B和F外，均下降到1014Ω·cm級，其中A和D產品生產的膠片，接近1013Ω·cm。B和F降低較小，仍然在1015Ω·cm范疇。將50℃浸水14天后的膠片擦干水，20℃放置18h后, 按照GB/T1410-2006測試絕緣體積電阻率，結果從大到小為B>C>F>E>D>A。仍然是B產品生產的膠片絕緣體積電阻率最好，但是，C的絕緣體積電阻率卻明顯優(yōu)于F。

B和F均為偶聯處理煅燒高嶺土，有優(yōu)異的浸水絕緣穩(wěn)定性。C未經表面處理，但是比表面表積小，高溫下吸水較小，恢復常溫后吸附的水分子揮發(fā)快，絕緣體積電阻率增加。D和E未經表面處理，且粒徑較細,絕緣活性低，穩(wěn)定性差。而A產品，由于未經充分煅燒，含有結合水，粒徑較大，孔隙率大，浸入水中與水更易于結合，隨時間增加，絕緣性能急劇下降。

3.1.3 不同用量的影響

不同用量煅燒高嶺土測試的絕緣體積電阻率見圖4。

圖4選用絕緣性能較好的煅燒高嶺土B作變量分析。煅燒高嶺土土用量從50份到200份變化。從圖可知，適量的煅燒高嶺土對提高乙丙橡膠的絕緣體積電阻率有利，但隨用量增加，絕緣體積電阻率呈下降趨勢。

圖4 不同用量煅燒高嶺土測試的絕緣體積電阻率

3.2 機械性能影響

各種高嶺土測試的機械性能見圖5。

圖5 各種高嶺土測試的機械性能

抗張強度大小排列順序為：D>E>F>B>A>C,伸長率大小排列順序為：A>C>E>D>B>F。填充劑的粒徑越小，與橡膠的混合更充分，抗張強度越大。經表面處理的填料，與橡膠更易結合，抗張強度增加，但斷裂伸長率降低。

通過以上分析，優(yōu)先考慮絕緣電阻及其穩(wěn)定性方面，F和B為最佳選擇。但F為進口材料，價格較貴。而國產的粘土礦型煅燒高嶺土B絕緣性能更好，機械性能也能滿足電纜用絕緣料GB7594中XJ-30的要求)。以國產煅燒高嶺土B在車間批量生產XJ-30型絕緣料，制成礦纜MYPTJ 6/10kV 25mm2絕緣，測試結果如表4，滿足相關國標要求。

表4 礦纜MYPTJ 6/10kV 25mm2絕緣測試結果

4 結論

(1)不同煅燒高嶺土，對乙丙橡膠絕緣電阻的影響不同：并非粒徑越小，絕緣電阻越高；而是中位徑在3.5～5μm范圍內的煅燒高嶺土絕緣性能較好。使用經表面偶聯處理的煅燒高嶺土的乙丙橡膠，絕緣體積電阻率隨時間變化而較為穩(wěn)定。適量的煅燒高嶺土對提高乙丙橡膠的絕緣體積電阻率有利，但隨用量增加，絕緣體積電阻率呈下降趨勢。

(2)煅燒高嶺土粒徑越小，乙丙橡膠絕緣料的機械性能更大。

(3)國產的粘土礦物型煅燒高嶺土B可代替進口產品用于對絕緣性能要求較高的礦纜用XJ-30型乙丙橡膠絕緣料。