俞 杰,李秀娟,趙淑群

(浙江萬馬高分子材料集團有限公司，杭州 311305)

0 前言

隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，電力消耗不斷增加，高壓、超高壓供電量越來越多[1-2]。在高壓、超高壓供電電纜中，半導電屏蔽料是必不可缺少的材料，其主要作用為改變電纜內部電場徑向分布、均化電場，以提高電纜的電氣強度，延長電纜的使用壽命[3-5]。在電纜屏蔽料標準中，有多種類型的屏蔽料，但國內外仍大多采用過氧化物交聯(lián)的屏蔽料。

隨著原材料制備技術的發(fā)展，用于低壓電線電纜的硅烷交聯(lián)聚乙烯已在10 kV電力電纜中獲得應用。筆者采用擠出共混法制備了一種高導電率的硅烷交聯(lián)型半導電屏蔽料，其性能符合國家標準對硅烷交聯(lián)型半導電屏蔽料的要求，同時明顯提高材料導電性能，對提升電纜使用壽命、增加電纜運行安全性起到一定的推動作用。與傳統(tǒng)化學交聯(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。研究高導電率的硅烷交聯(lián)半導電屏蔽材料具有較大的市場價值[6-9]。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

線性低密度聚乙烯，7042，中國石化集團有限公司；

助劑C，浙江萬馬高分子材料集團有限公司；

潤滑劑B，浙江萬馬高分子材料集團有限公司；

硬脂酸鋅，外購；

碳酸鈣，外購；

助劑F，浙江萬馬高分子材料集團有限公司；

導電炭黑，外購；

石墨烯，外購；

乙烯基三甲基硅烷，外購；

過氧化二異丙苯，外購；

抗氧劑，外購；

助劑D，外購；

硅烷交聯(lián)型半導電屏蔽料，PYJGD，浙江萬馬高分子材料集團有限公司。

1.2 主要儀器和設備

平板硫化機，XQLB-350×350型，上海第一橡膠機械廠；

電子式拉力機，XLD-1000E型，廣州市廣材試驗儀器有限公司；

電線電纜半導電橡塑電阻測試儀，DB-4型，上海培城電子技術發(fā)展有限公司；

電子天平，JA12002型，上海精科天平廠；

轉矩流變儀，XSS-300型，上海科創(chuàng)橡塑機械設備有限公司；

水浴鍋，DK-S12型，上海森信試驗儀器有限公司；

加熱恒溫鼓風干燥箱，DGG-9070型，上海森信試驗儀器有限公司；

雙螺桿擠出機，SK26型，南京科亞化工設備有限公司。

1.3 樣品制備及性能測試

1.3.1 試樣制備

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

表1 配方體系 %

按照表1，將不同組分原料在溫度為90～190 ℃的雙螺桿擠出機中加工成型，供實驗用。

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，同時與豬油相比，烘焙溫度和循環(huán)加熱次數(shù)的增加對黃油的酸價、過氧化值及多不飽和脂肪酸含量影響不顯著（P＞0.05），這說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，也應盡量避免黃油的重復利用并適當減少烘焙溫度。

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

電氣性能試驗用硅烷交聯(lián)型聚烯烴類半導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 ℃的液壓機的壓板中不加壓預熱6 min，然后經(jīng)4 min加壓加熱成形。液壓機的壓力應大于15 MPa，加壓冷卻至室溫后出模。試樣應平整光滑、厚度均勻、無氣泡,試樣浸入溫度為90～95 ℃的水浴內6～8 h。

1.3.2 性能測試與表征

熔融指數(shù)測定：按ASTM D1238—2013 《用擠壓塑料計測量熱塑性塑料熔體流動速率的試驗方法》進行測試。

拉伸強度和斷裂伸長率試驗：按照GB/T 1040—2018 《塑料拉伸測試方法》進行測試，試樣為Ⅱ型標準啞鈴片，厚度為(1.0±0.1) mm，拉伸速度為(250±50) mm/min。

空氣熱老化試驗：按照JB/T 10738—2007 《額定電壓35 kV及以下擠包絕緣電纜用半導電屏蔽料》中第6.4節(jié)要求進行測試，在(100±2) ℃下240 h后，試樣在(23±3) ℃、相對濕度為44%～45%的環(huán)境中待調節(jié)時間不少于17 h。

體積電阻率測定：測定20 ℃體積電阻率，按GB/T 3048.3—2007 《電纜線纜電性能試驗方法》的規(guī)定,試樣在(23±3) ℃、相對濕度為44%～45%的環(huán)境中待調節(jié)時間不少于24 h；測定90 ℃工作電阻率，試驗按JB/T 10738—2007中的要求進行測試。

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

2 結果與討論

2.1 熔融指數(shù)對比

對4組試樣進行熔融指數(shù)測定，結果見表2。

表2 熔融指數(shù)對比

對比表2可知：1#、2#和3#試樣的流動性能優(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性能有所改善，使材料的加工性能得到提高，進而提高了同等生產(chǎn)工藝條件下產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

2.2 20 ℃體積電阻率對比

在熔融指數(shù)測定的基礎上，對試樣進行20 ℃體積電阻率測試分析，圖1為4種試樣在(23±3) ℃、相對濕度為44%～45%的環(huán)境中待調節(jié)24 h后測得的20 ℃體積電阻率對比結果。

圖1 20 ℃體積電阻率對比

由圖1可以看出：20 ℃體積電阻率由小到大依次排序為3#、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)化結果來看加入助劑C對材料的20 ℃導電性能有明顯的提升效果。助劑C為一種具有高結構導電炭黑與乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA)擠出造粒制得的導電母料。助劑C的高結構炭黑特性加入2#、3#試樣后有利于其中炭黑導電通道的建立，由于其具有較高的結構穩(wěn)定性，使得材料形成的導電通道更加穩(wěn)定；同時，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。

圖2為4種試樣的90 ℃體積電阻率對比。

圖2 90 ℃體積電阻率對比

由圖2可以看出：不加助劑C時，試樣的90 ℃體積電阻率相對較大，說明高溫對材料的導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，說明2#試樣與3#試樣的導電性能變好。

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電通道穩(wěn)定性，使得材料在制成電纜后運作時的電阻變小，降低了電纜的運行負荷，增加其使用壽命。

2.3 助劑C用量對屏蔽料綜合性能的影響

在對比體積電阻率的基礎上，為了產(chǎn)品能夠商業(yè)化應用，進一步對產(chǎn)品的其他綜合性能進行評估測試，所用數(shù)據(jù)典型值為JB/T 10738—2007中的標準要求值，測試數(shù)據(jù)結果見表3。

表3 4種試樣的常規(guī)性能評測

由表3可以看出：1#、2#、3#試樣的性能均符合JB/T 10738—2007的相關要求，其中2#、3#試樣的性能在滿足標準要求的基礎上，優(yōu)于4#試樣各性能指標；2#試樣測試數(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)運用價值。

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，最終制備出符合標準要求的高導電率的硅烷交聯(lián)型半導電屏蔽。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)狀結構更穩(wěn)定，因此3#試樣與2#試樣的熱延伸率較1#試樣有所下降，力學性能有一定的上升。

3 結語

通過配方改進，成功研制出一種具有高導電率的硅烷交聯(lián)型半導電屏蔽料，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%，帶電運行體積電阻率降低100%，進一步體現(xiàn)了其高導電率的特性。