尚 愷 李加才 王詩航 李盛濤

高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料黏度參數(shù)對擠出特性影響的仿真研究

尚 愷 李加才 王詩航 李盛濤

（電工材料電氣絕緣全國重點實驗室（西安交通大學(xué)） 西安 710049）

高壓電纜交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣料及其擠出成型技術(shù)是我國高壓電纜生產(chǎn)的關(guān)鍵問題。絕緣料的黏度參數(shù)會影響其在單螺桿擠出機內(nèi)包括擠出口流率和流道內(nèi)熔體最高溫度等的擠出特性，進(jìn)而決定了高壓電纜絕緣的成型質(zhì)量和絕緣性能。該文通過仿真模擬的方法研究了高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料的黏度參數(shù)對擠出特性的影響，提出利用絕緣料擠出最高溫度-擠出口流率曲線反映不同黏度參數(shù)下的擠出特性變化規(guī)律。結(jié)果表明，最高溫度隨著擠出口流率增大而升高，零切黏度和松弛時間對最高溫度-擠出口流率曲線的斜率影響最大，冪律指數(shù)次之，溫度系數(shù)影響最小。其中，零切黏度和冪律指數(shù)與擠出口流率和最高溫度的關(guān)系均為正相關(guān)，且零切黏度增大到一定值后擠出口流率不再明顯增大而最高溫度持續(xù)提升；松弛時間和溫度系數(shù)與擠出口流率和最高溫度的關(guān)系均為負(fù)相關(guān)，且溫度系數(shù)較小擠出特性較好。最終，根據(jù)實際電纜絕緣料擠出生產(chǎn)需求，提出了絕緣料黏度參數(shù)的適宜范圍。該文可為國產(chǎn)高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料的研發(fā)和擠出成型技術(shù)的提升提供重要數(shù)據(jù)支撐與理論依據(jù)。

高壓電纜 交聯(lián)聚乙烯絕緣料 黏度參數(shù) 擠出特性

0 引言

高壓交流電纜和直流電纜分別是城市輸電網(wǎng)和長距離海上風(fēng)電并網(wǎng)傳輸?shù)年P(guān)鍵電力裝備[1-2]。根據(jù)國家電網(wǎng)有限公司統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至2022年底，我國66 kV及以上電壓等級電纜線路長度超過42 900 km[3]，已有10個城市超過800 km。隨著城市化進(jìn)程對用電需求的不斷增加，交流輸電的電壓等級也由110 kV、220 kV向500 kV及以上發(fā)展。直流輸電電壓等級由±160 kV、±320 kV發(fā)展至±535 kV[4-6]。因此，高壓電纜對我國電力能源的高質(zhì)量發(fā)展至關(guān)重要，對我國能源戰(zhàn)略實施具有重大意義。

高壓電纜交聯(lián)聚乙烯（Cross-Linked Polyethylene, XLPE）絕緣層由絕緣料熔融擠出加工成型。國產(chǎn)110 kV和220 kV電纜絕緣料應(yīng)用少，且其連續(xù)擠出工藝還需優(yōu)化；220 kV以上電壓等級的高壓電纜絕緣料仍依賴進(jìn)口[7-9]。高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣的擠出成型是絕緣料熔體經(jīng)三層共擠包覆金屬導(dǎo)體后，再經(jīng)過交聯(lián)反應(yīng)形成高壓電纜絕緣的過程。絕緣料熔體的黏度參數(shù)決定了高溫和剪切作用下絕緣料在擠出成型過程中的流變行為，同時會影響擠出溫度與壓力、擠出速率、產(chǎn)量和成型絕緣的尺寸穩(wěn)定性等，進(jìn)而決定了高壓電纜的絕緣性能[10-13]。掌握絕緣料熔體黏度參數(shù)對擠出成型過程中流動行為的影響規(guī)律和調(diào)控方法，是提升絕緣料擠出成型質(zhì)量和絕緣性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，研究高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料黏度參數(shù)對擠出特性的影響是十分必要的。

高壓電纜絕緣料采用單螺桿擠出的方式進(jìn)行加工，在實際生產(chǎn)中，技術(shù)人員需要對溫度和轉(zhuǎn)速等擠出工藝進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)不同牌號的絕緣料。同時，研發(fā)人員也會利用仿真手段對熔體在擠出機中的流動狀態(tài)進(jìn)行模擬，可以對實際生產(chǎn)工藝進(jìn)行有效的反饋和調(diào)整。因此，利用仿真模擬聚合物材料的流動行為對于調(diào)整實際生產(chǎn)工藝是一種高效、簡便，且具有準(zhǔn)確指導(dǎo)意義的方法[14-15]。

國外學(xué)者總結(jié)了聚丙烯、聚苯乙烯和高密度聚乙烯等材料在單螺桿擠出機中流動行為的仿真方法，通過本構(gòu)方程表征材料的黏度，建立了熔體在固體輸送、熔融和熔體流動等單螺桿擠出過程的仿真模型，將仿真計算后的流動行為與實際擠出結(jié)果對照，得到了較好的印證關(guān)系[16]。國內(nèi)學(xué)者通過仿真研究了橡膠和推進(jìn)劑等聚合物材料在單螺桿擠出機中的流動狀態(tài)，同樣采用本構(gòu)方程表征材料的黏度隨剪切速率和溫度的變化，并通過熱力學(xué)估算確定了合理的機筒壁熱學(xué)邊界條件，得到速度、溫度、物料黏度和壓力等參數(shù)的幾何分布和變化規(guī)律，結(jié)果表明螺棱附近的物料溫度較高，易積聚形成“熱點”。將溫度仿真計算結(jié)果與實測結(jié)果進(jìn)行對比，兩者吻合較好，表明了仿真模型的有效性[17-18]。但目前針對高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料在單螺桿擠出機中的流動行為和擠出特性的仿真鮮有報道。

高壓電纜XLPE絕緣料是由低密度聚乙烯（Low Density Polyethylene, LDPE）基料、交聯(lián)劑和抗氧劑配比組成[19-20]。不同牌號的絕緣料黏度參數(shù)具有差異。黏度特性與分子鏈結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系[21-23]。通過對比國內(nèi)外不同牌號高壓電纜LDPE基料的分子鏈結(jié)構(gòu)與黏度特性可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口料長支鏈含量多、分子量分布窄、端基雙鍵含量高，長鏈支化結(jié)構(gòu)會顯著改變材料的零切黏度和剪切黏度，進(jìn)而影響絕緣料的加工性能和成型后的偏心度。高壓電纜XLPE絕緣料的黏彈特性與LDPE基料和添加劑的配比也密切相關(guān)，學(xué)者們利用交聯(lián)動力學(xué)和流變學(xué)研究了不同配方對國產(chǎn)絕緣料黏彈特性的影響規(guī)律，揭示了XLPE交聯(lián)過程微觀機制[24-27]，為國產(chǎn)絕緣料配方優(yōu)化提供了理論支撐[28]。但鮮有以提升高壓電纜XLPE絕緣料擠出特性為目標(biāo)，優(yōu)化絕緣料黏度參數(shù)，進(jìn)而指導(dǎo)國產(chǎn)絕緣料分子鏈結(jié)構(gòu)調(diào)整的相關(guān)研究。

鑒于此，本文基于特定交聯(lián)聚乙烯絕緣料的黏度參數(shù)，通過單獨改變各項黏度參數(shù)，仿真模擬得出不同黏度參數(shù)對高壓交聯(lián)聚乙烯絕緣料熔體在單螺桿擠出過程中擠出特性的影響規(guī)律，并且從提升擠出特性的角度對絕緣料的黏度參數(shù)提出改進(jìn)建議，為國產(chǎn)高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料的研發(fā)和擠出成型技術(shù)的提升提供理論支持。

1 黏度參數(shù)的表征

1.1 試樣制備和黏度參數(shù)測試

試樣材料選用某牌號的高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料。取適量絕緣料在平板硫化機中進(jìn)行熱壓成型，設(shè)置預(yù)熱溫度為120℃，預(yù)熱3 min，然后加壓至15 MPa，溫度120℃下熱壓7 min，制備得到直徑為25 mm、厚度為1 mm的圓形樣片。

使用安東帕MCR302高級旋轉(zhuǎn)流變儀測試絕緣料圓形樣片的黏度參數(shù)，選取平行板模式和型號為PP-25的平行板轉(zhuǎn)子。測試前先進(jìn)行應(yīng)變掃描以確定絕緣料的線性黏彈區(qū)，設(shè)置剪切速率為10 rad/s，應(yīng)變掃描范圍為0.1%～100%。通過觀察樣品模量變化可知，當(dāng)應(yīng)變小于10%時，材料處在小應(yīng)變區(qū)，表現(xiàn)為線性黏彈行為。因此，在之后的黏度參數(shù)測試過程中設(shè)置應(yīng)變恒定為1%，剪切速率的掃頻范圍為0.1～100 rad/s。測試溫度設(shè)置為120℃、125℃和130℃，通過反復(fù)實驗驗證，在該測試溫度條件下，絕緣料并不會發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，黏度數(shù)據(jù)有效。測試時保持法向力在1～2 N，掃頻范圍內(nèi)采樣25個點，記錄黏度隨剪切速率的變化。

1.2 熔體黏度方程和參數(shù)擬合

研究絕緣料熔體擠出過程必須要考慮材料的黏度特性及熱物理過程?；趩温輻U擠出絕緣料熔體的流動過程，假設(shè)熔體為不可壓縮純黏性非牛頓流體，不考慮熔體的彈性和拉伸黏度，黏度的本構(gòu)方程可以用Bird-Carreau模型式（1）進(jìn)行描述，并使用Arrhenius定律式（2）對溫度的影響作用進(jìn)行修正，二者乘積即為絕緣料熔體黏度的特征方程式（3）。

圖1 擬合的交聯(lián)聚乙烯絕緣料黏度特性曲線

表1 交聯(lián)聚乙烯絕緣料黏度參數(shù)

Tab.1 Viscosity parameters of XLPE

2 仿真建模與方法

2.1 單螺桿和流道模型的構(gòu)建

為保證準(zhǔn)確地模擬出絕緣料真實加工過程中的熔體流動狀態(tài)，參考高壓電纜絕緣專用單螺桿擠出機，選擇均化段的單螺桿按照1:1的比例進(jìn)行建模，同時建立4:1的圓錐形收縮流道模型，幾何模型參數(shù)見表2。

表2 均化段單螺桿和流道的幾何模型參數(shù)

Tab.2 Parameters of single screw and flow domain geometric configurations （單位：mm）

分別對單螺桿和流道模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分與網(wǎng)格重組，使其成為一個擁有良好有限元網(wǎng)格質(zhì)量的完整模型。單螺桿和流道的三維模型與網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示，模型的總網(wǎng)格數(shù)為356 450，網(wǎng)格質(zhì)量良好。

圖2 單螺桿和流道的三維模型與網(wǎng)格劃分

2.2 絕緣料熔體擠出過程的仿真方法

根據(jù)高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料熔體擠出過程的流變行為，在仿真計算中作以下基本假設(shè)：①絕緣料熔體為不可壓縮純黏性非牛頓流體；②熔體流動為三維非等溫穩(wěn)定層流流動；③由于熔體的高黏度，忽略慣性力和重力作用；④流道全充滿，熔體與流道壁面間無滑移。

采用有限元法，對建立的單螺桿和流道模型進(jìn)行熔體流動狀態(tài)仿真，需設(shè)置相應(yīng)的物性參數(shù)和邊界條件。物性參數(shù)中的黏度參數(shù)使用表1中數(shù)值作為初始參考值，邊界條件設(shè)置如下：熔體在流道入口為自由流入，入口溫度為120℃；熔體在流道出口為自由流出，由于擠出口會對熔體產(chǎn)生背壓，設(shè)置0.3 MPa的法向應(yīng)力作為熔體出口壓力；單螺桿轉(zhuǎn)速設(shè)置為18 r/min，流道內(nèi)側(cè)是與螺桿的螺槽底部接觸的面，跟著螺桿完全轉(zhuǎn)動；熔體受熱方式是通過機筒進(jìn)行加熱，設(shè)置為實際計量段加工溫度120℃；流道外側(cè)是熔體與機筒壁的接觸面，此處無滑移，設(shè)置法向速度和切向速度均為0。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 擠出特性仿真結(jié)果

高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料在單螺桿擠出過程中熔體的溫度分布如圖3所示。可以看出，絕緣料熔體溫度在單螺桿的剪切作用下逐漸升高，最高溫度出現(xiàn)在螺棱與筒壁的間隙處，此處熔體的剪切速率較大，黏度較小，黏性生熱更明顯，容易積聚熱量導(dǎo)致局部高溫。圖3中的最高溫度達(dá)到128.8℃，遠(yuǎn)高于加工溫度120℃。

圖3 絕緣料熔體在擠出過程中的溫度分布

高壓電纜絕緣料中的交聯(lián)劑過氧化二異丙苯（Dicumyl Peroxide, DCP）屬于二烷基過氧化物，若局部過熱處的溫度高于過氧化物的快速分解溫度，再加上熔體停滯等因素，易使絕緣料發(fā)生預(yù)交聯(lián)或焦燒現(xiàn)象，從而影響絕緣擠出成型質(zhì)量。

因此，為了避免焦燒現(xiàn)象，保證擠出過程中良好的加工性能和擠出效率，擠出過程中最高溫度不宜過高，并且需要足夠的擠出口流率以滿足產(chǎn)量。通過仿真計算，該牌號高壓電纜XLPE絕緣料在擠出口的流率為7.69×10-2L/s。

3.2 零切黏度對擠出特性的影響

圖4 零切黏度對熔體黏度的影響

調(diào)整仿真中零切黏度參數(shù)的輸入值，得到交聯(lián)聚乙烯絕緣料黏度參數(shù)中零切黏度的改變對其擠出口流率和最高溫度m的影響如圖5所示。觀察可知，當(dāng)零切黏度數(shù)值在25 000～140 000 Pa·s范圍內(nèi)變化時，擠出口流率隨著零切黏度的增大先快速增大，之后增速減緩，曲線趨于平穩(wěn)；而最高溫度與零切黏度呈近似線性正相關(guān)，其中零切黏度每增大10 000 Pa·s，最高溫度提升約1.3℃。

圖5 零切黏度對Q和Tm的影響

在實際電纜絕緣生產(chǎn)過程中，為了提高絕緣擠出產(chǎn)量，增大擠出口流率，可以選擇零切黏度稍大的絕緣料，但零切黏度不宜超過80 000 Pa·s，高于此零切黏度值后，擠出口流率不再增大，且熔體最高溫度將超過設(shè)置溫度值近10℃，達(dá)到130℃以上，易產(chǎn)生焦燒現(xiàn)象。

3.3 松弛時間對擠出特性的影響

松弛時間近似代表剪切變稀開始時剪切速率的倒數(shù)[30]。僅改變松弛時間對絕緣料熔體黏度曲線的影響如圖6所示。

圖6 松弛時間對熔體黏度的影響

圖6表明，松弛時間越大，在低頻剪切速率范圍下的熔體由于受剪切作用影響?zhàn)ざ乳_始減小的起始轉(zhuǎn)折點逐漸向左移動，即熔體的剪切變稀所需要的最小剪切速率值逐漸減小。黏度參數(shù)中的松弛時間變大也會使得剪切變稀后的熔體在高頻剪切速率下的黏度值減小。

隨著交聯(lián)聚乙烯絕緣料黏度參數(shù)中松弛時間逐漸增大（1.75～35 s），擠出口流率和最高溫度m的變化曲線如圖7所示?？芍?，隨著松弛時間變大，擠出口流率近似呈線性減小趨勢，且松弛時間每增大1 s，擠出口流率減小約0.02×10-2L/s，而最高溫度則呈現(xiàn)先快后慢的趨勢逐漸降低。

圖7 松弛時間對Q和Tm的影響

由此可見，絕緣料的松弛時間越小，擠出產(chǎn)量越高，但松弛時間不宜過小，當(dāng)松弛時間小于5.25 s后，最高溫度也會迅速超過130℃，遠(yuǎn)高于設(shè)置的120℃擠出溫度值。

3.4 冪律指數(shù)對擠出特性的影響

冪律指數(shù)反映了材料黏度變化非線性性質(zhì)的強弱，冪律指數(shù)越小，表明熔體的非牛頓性越強。僅改變冪律指數(shù)對絕緣料熔體黏度曲線的影響如圖8所示?？梢钥闯觯瑑缏芍笖?shù)越大，則非牛頓性越弱，熔體黏度隨剪切速率變稀的程度越小，在高頻剪切速率下的黏度越大。

圖8 冪律指數(shù)對黏度參數(shù)的影響

交聯(lián)聚乙烯絕緣料黏度參數(shù)中冪律指數(shù)的改變對其擠出口流率和最高溫度m的影響如圖9所示。隨著冪律指數(shù)由0.30增大到0.50，熔體的擠出口流率先迅速增大，之后增速緩慢減弱；而最高溫度的變化趨勢則呈現(xiàn)先勻速增大后急劇升高的趨勢。

圖9 冪律指數(shù)對Q和Tm的影響

交聯(lián)聚乙烯絕緣料是由低密度聚乙烯與交聯(lián)劑和抗氧劑復(fù)配得到的，其冪律指數(shù)與純低密度聚乙烯的冪律指數(shù)相差極小。由圖9可知，冪律指數(shù)的微小改變都會對擠出口流率和最高溫度產(chǎn)生很大影響，若為了提高擠出口流率而增大冪律指數(shù)，最高溫度便會急劇升高，存在較強的矛盾關(guān)系，因此針對高壓電纜XLPE絕緣料黏度參數(shù)中冪律指數(shù)的調(diào)整應(yīng)當(dāng)在0.41附近，建議控制在其±0.02范圍以內(nèi)。

3.5 溫度系數(shù)對擠出特性的影響

溫度系數(shù)是黏度隨溫度變化的Arrhenius模型中的重要參數(shù)，表示熔體黏度對溫度的敏感程度。溫度系數(shù)對熔體黏度的影響如圖10所示。

由圖10可以看出，溫度系數(shù)越大，不同溫度下的黏度曲線與參考溫度（120℃）下的黏度曲線偏離程度越大，說明此條件下熔體黏度對溫度的敏感性越高，溫度變化對絕緣料熔體的黏度影響越大。溫度系數(shù)的改變對擠出特性中擠出口流率和最高溫度的影響如圖11所示，與其他黏度參數(shù)的影響作用不同，兩條曲線均近似呈線性減小趨勢。隨著溫度系數(shù)由100增大到10 000，擠出口流率減小了約0.64×10-2L/s；最高溫度雖然也近似呈線性減小，但整體變化幅度相對較小，在溫度系數(shù)由100增大到10 000的過程中，最高溫度僅降低了約1.8℃。

根據(jù)上述結(jié)果可知，如果絕緣料的溫度系數(shù)盡量小，其擠出特性表現(xiàn)則相對越好，在實現(xiàn)擠出口流率快速增大的同時，最高溫度提升程度較小。高壓電纜XLPE絕緣料的開發(fā)研究中也希望其在擠出加工溫度范圍內(nèi)的溫敏性較低，即絕緣料在均化段的加工擠出過程中，熔體黏度可以在溫度不斷波動的情況下保持穩(wěn)定，更有利于絕緣料熔體的均勻擠出。

圖10 溫度系數(shù)對熔體黏度的影響

圖11 溫度系數(shù)對Q和Tm的影響

4 分析與討論

將不同黏度參數(shù)影響下的擠出口流率和最高溫度兩個擠出特性的變化規(guī)律總結(jié)如圖12所示，各曲線的交點是以試樣牌號的高壓電纜XLPE絕緣料的黏度參數(shù)為參考值時的擠出特性，該牌號絕緣料擠出口流率為7.69×10-2L/s，最高溫度為128.8℃。通過不同黏度參數(shù)的最高溫度-擠出口流率曲線可以看出，零切黏度和松弛時間對擠出特性的影響最大，冪律指數(shù)次之，溫度系數(shù)的影響最小。從整體上觀察可知，擠出口流率越大，對應(yīng)的最高溫度越高；反之都降低。高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料黏度參數(shù)對擠出特性的影響作用為同步提升或降低。

圖12 不同黏度參數(shù)影響下的擠出口流率Q和最高溫度Tm的變化曲線

零切黏度和松弛時間在物理原理上關(guān)系密切，高分子材料的零切黏度和松弛時間的關(guān)系可以近似表示[31]為

式中，()為松弛時間譜函數(shù)，它是連續(xù)分布的松弛時間的函數(shù)。

因此，最高溫度-擠出口流率曲線在僅改變零切黏度和僅改變松弛時間兩種情況下基本重合。當(dāng)擠出口流率逐漸增大并超過參考點后，最高溫度開始急劇上升，零切黏度的改變導(dǎo)致最高溫度劇增更明顯。絕緣料的零切黏度與LDPE基料的平均相對分子質(zhì)量的大小密切相關(guān)，對于相對分子質(zhì)量較大的LDPE，其分子鏈較長，較長的分子鏈來不及解纏結(jié)，松弛時間變長，使流動阻力增加，導(dǎo)致零切黏度變大。在絕緣料的開發(fā)過程中需要調(diào)整平均相對分子質(zhì)量在適當(dāng)范圍內(nèi)才能合理地控制零切黏度和松弛時間的大小。

僅改變冪律指數(shù)時，最高溫度-擠出口流率曲線的各處斜率略小于改變零切黏度和松弛時間的曲線，即使擠出口流率超過參考點后，最高溫度升高速率也小于改變零切黏度和松弛時間的情況。冪律指數(shù)主要體現(xiàn)出剪切變稀程度的差異，這與分子質(zhì)量分布和長支鏈數(shù)有關(guān)。在一般的高分子聚合物材料加工過程中，普遍希望材料的相對分子質(zhì)量分布較寬，因為在平均相對分子質(zhì)量接近時，材料的相對分子質(zhì)量分布越寬，流動性越好。但對于絕緣料中的LDPE基料而言，需求更為復(fù)雜。寬分子質(zhì)量分布中的超高分子質(zhì)量部分在高剪切速率下的黏-切性更敏感，在高剪切速率下更容易剪切變稀，此時冪律指數(shù)會增大，但過多的超高分子質(zhì)量也容易產(chǎn)生焦燒現(xiàn)象。在相對分子質(zhì)量大小及其分布規(guī)律接近時，長支鏈數(shù)也會影響剪切變稀程度，使得冪律指數(shù)發(fā)生改變。適當(dāng)?shù)拈L支鏈可以增強分子鏈間的纏結(jié)，限制鏈段運動，降低冪律指數(shù)，同時也會提高零切黏度。

當(dāng)只改變溫度系數(shù)時，擠出口流率和最高溫度為近似線性正相關(guān)，擠出口流率的增大對最高溫度的影響作用相較于其他黏度參數(shù)改變時更小，絕緣料的擠出口流率每增加0.1×10-2L/s，最高溫度只升高約0.3℃。如果從材料角度改變溫度系數(shù)，需要改變LDPE的分子鏈結(jié)構(gòu)，也會同時影響LDPE的分子質(zhì)量及其分布，影響零切黏度、松弛時間和冪律指數(shù)。

在高壓電纜XLPE絕緣料的實際生產(chǎn)中，通常要求絕緣料具有較大的擠出口流率和不能過高的最高溫度，在圖12中可以體現(xiàn)出兩條參考線（如圖12中虛線所示），其中垂直參考線表示絕緣料擠出口流率不能低于的最小值，水平參考線是絕緣料溫度不宜超過的最高溫度值，處在兩條參考虛線右下方的擠出口流率和最高溫度則是理想的擠出特性范圍，相對應(yīng)的黏度參數(shù)可認(rèn)為是高壓電纜絕緣料適宜的黏度參數(shù)范圍。

根據(jù)某高壓電纜廠的實際生產(chǎn)任務(wù)需要，要求擠出口流率不低于7.65×10-2L/s，熔體最高溫度最好不超過129℃，通過上述方法可以在圖12中畫出相應(yīng)參考線，得到對應(yīng)的高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料適宜的黏度參數(shù)如下：零切黏度范圍為57 160～65 400 Pa·s，松弛時間范圍為6.95～8.75 s，冪律指數(shù)范圍為0.40～0.41，溫度系數(shù)范圍為500～1 900。

為了使高壓電纜XLPE絕緣料具有最適宜的黏度參數(shù)范圍，需要對絕緣料中的LDPE基料的分子鏈結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對性的調(diào)整。由于溫度系數(shù)對擠出特性影響最小，松弛時間與零切黏度影響相近，綜上分析，應(yīng)該將改進(jìn)絕緣料中LDPE的平均相對分子質(zhì)量放在首位，以調(diào)整零切黏度；其次優(yōu)化分子質(zhì)量分布，增加長支鏈數(shù)，以調(diào)整冪律指數(shù)改進(jìn)剪切變稀過程；最終整體優(yōu)化絕緣料的黏度參數(shù)，提升其在單螺桿擠出成型過程中的擠出特性。

5 結(jié)論

本文在典型高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料的黏度參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過仿真模擬分析了零切黏度、松弛時間、冪律指數(shù)和溫度系數(shù)等黏度參數(shù)對絕緣料熔體在單螺桿擠出成型過程中擠出口流率和最高溫度的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論：

1）提出用最高溫度-擠出口流率曲線反映絕緣料不同黏度參數(shù)的改變對擠出特性的影響規(guī)律。在任意黏度參數(shù)下，最高溫度都隨著擠出口流率的增大而增大，因此黏度參數(shù)對擠出特性的影響為同步提升或降低。零切黏度和松弛時間對擠出特性影響最大，冪律指數(shù)的影響次之，溫度系數(shù)對擠出特性影響最小且近似呈線性關(guān)系。零切黏度和冪律指數(shù)與擠出口流率和最高溫度曲線的關(guān)系為正相關(guān)，松弛時間和溫度系數(shù)與擠出口流率和最高溫度的關(guān)系為負(fù)相關(guān)。

2）對于高壓電纜絕緣料在實際生產(chǎn)中要求的擠出口流率大于7.65×10-2L/s和熔體最高溫度不高于129℃的情況，可以獲得絕緣料適宜的零切黏度范圍為57 160～65 400 Pa·s，松弛時間范圍為6.95～8.75 s，冪律指數(shù)范圍為0.40～0.41，溫度系數(shù)范圍為500～1 900。

3）在提升國產(chǎn)絕緣料方面，要將改進(jìn)絕緣料中LDPE基料的平均相對分子質(zhì)量放在首位，以調(diào)整零切黏度；其次優(yōu)化分子質(zhì)量分布，增加長支鏈數(shù)，以調(diào)整冪律指數(shù)改進(jìn)剪切變稀過程；最終整體優(yōu)化絕緣料的黏度參數(shù)，提升其在單螺桿擠出成型過程中的擠出特性。

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Simulation Study on the Extrusion Performances Based on the Viscosity Parameters of Cross-Linked Polyethylene Insulating Materials for High-Voltage Cables

Shang Kai Li Jiacai Wang Shihang Li Shengtao

（State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China）

The cross-linked polyethylene (XLPE) insulating materials and its extrusion molding technology for high-voltage cables are key issues for the production of high-voltage cables in China. The insulating materials are composed of low-density polyethylene (LDPE) by introducing cross-linking agent (dicumyl peroxide (DCP)) and antioxidants. The extrusion molding of XLPE insulation for high-voltage cables is a process in which the XLPE melt is continuously triple extruded and coated with metal conductors, and then undergoes cross-linking reaction to form high-voltage cable insulation. The viscosity parameters of the insulating materials melt will affect its extrusion performances in the single-screw extruder, such as the flow rate of the extrusion outlet and the maximum temperature of the melt in the flow channel, which in turn determine the molding quality and insulation properties of the cable insulation.

This paper discussed the influence of the viscosity parameters of the high-voltage cable XLPE insulating materials on extrusion performances by means of simulation, and proposed to use the maximum temperature-extrusion outlet flow rate curve during insulating materials extrusion process to reflect the change rule of extrusion performances under different viscosity characteristics.

The results show that the maximum temperature increases with the increase of the flow rate at the extrusion port, the zero-shear viscosity and relaxation time have the greatest influence on the slope of the maximum temperature-extrusion port flow rate curve, followed by the power law index, and the temperature coefficient has the least effect. Among them, the zero-shear viscosity and power law index are positively correlated with the flow rate at the extrusion port and the maximum temperature, and the flow rate at the extrusion outlet does not increase significantly after the zero-shear viscosity increases to a certain value, but the maximum temperature continues to increase. Meanwhile, the relationship between relaxation time and temperature coefficient is negatively correlated with the flow rate of the extrusion port and the maximum temperature, and the smaller the temperature coefficient is, the better the extrusion performances are. Finally, according to the actual extrusion production requirements of cable insulation material, the optimum range of viscosity characteristic parameters of insulation material is determined. Therefore, in terms of improving domestic insulation materials, the first priority is improving the relative average molecular weight of the LDPE base material in the insulation materials, followed by optimizing the molecular weight distribution and appropriately increasing the number of long chain branches to adjust the viscosity parameters of the high-voltage cable cross-linked polyethylene insulation materials, which can improve its extrusion properties.

This study can provide important data support and theoretical basis for the development of domestic high-voltage cable cross-linked polyethylene insulation materials and the improvement of extrusion molding technology. Based on this research, the improvement strategy of great extrusion performances in high-voltage cable insulating materials will be explored in the future from the perspective of regulating the molecular chain structure of LDPE.

High-voltage cables, cross-linked polyethylene (XLPE) insulating materials, viscosity parameters, extrusion performances

TM215

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.231438

國家電網(wǎng)有限公司總部科技項目（SGSNKY00KJJS2100283）和國家自然科學(xué)基金智能電網(wǎng)聯(lián)合基金（U2066204）資助。

2023-08-31

2023-10-16

尚 愷 男，1994年生，博士研究生，研究方向為高壓電纜絕緣料擠出加工成型與絕緣性能等。E-mail：shangkai@stu.xjtu.edu.cn

李盛濤 男，1963年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電介質(zhì)理論及其應(yīng)用、電纜絕緣材料與絕緣技術(shù)、電氣功能材料及器件等。E-mail：sli@mail.xjtu.edu.cn（通信作者）

（編輯 李 冰）