劉美兵, 李秀娟, 姜新梅, 劉敬銳

(浙江萬(wàn)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(shè)、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(jìn)升級(jí)，XLPE絕緣電力電纜已經(jīng)向超高壓、大長(zhǎng)度、大截面和高可靠性趨勢(shì)發(fā)展[1-2]。

超高壓XLPE絕緣電力電纜的副產(chǎn)物主要來(lái)自于超高壓XLPE絕緣電纜料，其中交聯(lián)劑過(guò)氧化二異丙苯(DCP)含量決定了材料在加工過(guò)程中產(chǎn)生副產(chǎn)物的含量[3-5]。在交聯(lián)反應(yīng)過(guò)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(diǎn)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(duì)超高壓XLPE電纜絕緣料進(jìn)行副產(chǎn)物測(cè)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(jí)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(shí)，厚度大的絕緣層中會(huì)殘留部分副產(chǎn)物，副產(chǎn)物的存在嚴(yán)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(shí)驗(yàn)室條件下，筆者通過(guò)熱失重法對(duì)交聯(lián)副產(chǎn)物進(jìn)行分析，快速簡(jiǎn)潔地評(píng)價(jià)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(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

35 kV XLPE電纜絕緣料(簡(jiǎn)稱YJ-35)，型號(hào)為YJ-35，浙江萬(wàn)馬高分子材料有限公司；

110 kV XLPE電纜絕緣料(簡(jiǎn)稱YJ-110)，型號(hào)為YJ-110，浙江萬(wàn)馬高分子材料有限公司；

110 kV XLPE電纜絕緣料A樣(簡(jiǎn)稱A試樣)，國(guó)外主流產(chǎn)品；

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

交聯(lián)劑，DCP，江蘇道明化學(xué)有限公司；

不飽和雙鍵類助交聯(lián)劑E，外購(gòu)；

其他類助交聯(lián)劑F，外購(gòu)。

1.2 主要儀器和設(shè)備

雙螺桿擠出機(jī)：34型，昆山科亞；

平板硫化機(jī)：XQL-B型，上海第一橡膠機(jī)械廠；

電子天平：JA12002型，上海精科天平廠；

加熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：DGG-070型，上海森信試驗(yàn)儀器有限公司；

高特福熔融指數(shù)儀：MI-3型，德國(guó)Gottfert公司；

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

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

1.3 樣品制備及性能測(cè)試

1.3.1 試樣制備

使用2220H低密度聚乙烯為基體樹(shù)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(jī)擠出造粒，制得成品。

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

樣品制備的配方體系質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1。

表1 配方體系質(zhì)量分?jǐn)?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(yán)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(jī)上冷卻10 min后打開(kāi)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(wú)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(cè)定》。

1.3.3 流變性能測(cè)試方法

設(shè)定溫度為140 ℃，額定轉(zhuǎn)速為45 r/min，運(yùn)行時(shí)間為10 min，稱取40 g樣品，待溫度達(dá)到設(shè)定條件，加入已稱樣品開(kāi)始測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，利用流變儀自帶軟件進(jìn)行分析，得出測(cè)試結(jié)果曲線。

1.3.4 性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

熱失重測(cè)試：按照DB/T 1236—2010 《化工產(chǎn)品的干燥失重測(cè)定方法》進(jìn)行測(cè)試；

熱延伸測(cè)試：按照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》進(jìn)行測(cè)試；

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；

拉伸性能測(cè)試：按照GB/T 1040—2016 進(jìn)行測(cè)試，拉伸速度為250 mm/min，試驗(yàn)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(shí)間變化

由圖1可以看出；經(jīng)過(guò)4 d后熱失重曲線上升趨勢(shì)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?cái)?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?jǐn)?shù)由小到大依次排序?yàn)椋号浞?#、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(guó)產(chǎn)料，針對(duì)交聯(lián)副產(chǎn)物進(jìn)行配方優(yōu)化研究，從配方優(yōu)化結(jié)果來(lái)看配方1#和2#添加相應(yīng)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(jìn)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(shí)驗(yàn)得出不同材料的流變曲線見(jiàn)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(shí)間來(lái)判斷其焦燒性能，扭矩開(kāi)始升高的時(shí)間越長(zhǎng)，絕緣料的抗焦燒性能越好)均好于YJ-35，扭矩升高時(shí)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(shí)經(jīng)過(guò)配方調(diào)整改進(jìn)，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(zhǎng)時(shí)間放線穩(wěn)定性，對(duì)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(duì)XLPE綜合性能的影響

通過(guò)綜合性能評(píng)估測(cè)試所得6種材料的全性能測(cè)評(píng)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 6種材料的全性能評(píng)測(cè)數(shù)據(jù)

由表2可以看出，1#試樣不符合標(biāo)準(zhǔn)，2#試樣綜合性能最優(yōu)。分析認(rèn)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)要求，并且2#試樣的測(cè)試數(shù)據(jù)和A試樣相當(dāng)，因此通過(guò)新交聯(lián)助劑可以明顯降低DCP的使用，最終制備出符合標(biāo)準(zhǔn)的高性能電纜絕緣料。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著電壓等級(jí)的升高，絕緣層厚度越來(lái)越厚，相對(duì)脫氣時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，為了提高生產(chǎn)過(guò)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(shí)，流變性能表明YJ-110與A試樣抗焦燒性能相近。通過(guò)配方優(yōu)化調(diào)整，采用DCP和助交聯(lián)劑配合使用時(shí)，在不影響產(chǎn)品性能基礎(chǔ)上明顯降低材料的交聯(lián)副產(chǎn)物，同時(shí)提高其抗焦燒性能。