CN101389701A - 聚烯烃基高介电强度（hds）纳米复合材料 - Google Patents

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L·M·格罗斯
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Abstract

本发明涉及一种电缆，该电缆具有(a)一种或多种电导体或一种或多种电导体的线芯，和(b)每种导体或线芯被绝缘层所包围。所述绝缘层由包含聚烯烃和3维笼状结构纳米粒子的组合物制得。优选的聚烯烃为聚乙烯聚合物，优选的纳米粒子为多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)、多面体低聚硅酸酯(POS)或多面体低聚硅氧烷。

Description

聚烯烃基高介电强度（HDS）纳米复合材料
技术领域
本发明涉及电力电缆绝缘层。具体地，该绝缘层适用于低至高电压电线和电缆的应用。
背景技术
对于低至高电压电线和电缆应用，电介质应具有低介电损耗和非常低的电导率。此外，当用作绝缘材料时，电介质必需具有非常高的耐电击穿能力。绝缘材料还必须满足一定的物理、化学和机械性能要求。
因此，长期以来存在对电力电缆和辅助设备的聚合物基绝缘层具有极佳的介电、物理、化学和机械性能的需求。
发明内容
本发明涉及一种电缆，其包括一种或多种电导体或一种或多种电导体的线芯，每种导体或线芯被绝缘层所包围。所述绝缘层由包含聚烯烃和3维笼状结构纳米粒子的组合物制得。优选的聚烯烃为聚乙烯聚合物，优选的纳米粒子为多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)、多面体低聚硅酸酯(POS)或多面体低聚硅氧烷。
具体实施方式
如本文所用，“3维笼状结构”是指具有多面体结构的分子。
如本文所用，“介电损耗”是指根据ASTM D150并用在60赫兹下的平行板固体室测试器所测得的耗散因数。例如，如本文所用并在室温下进行测量，当纳米复合材料的耗散因数对于交联聚乙烯复合材料体系不大于0.001，对于树抑制剂(tree retardant)交联聚乙烯复合材料体系不大于0.005，和对于乙烯/丙烯橡胶复合材料体系不大于0.02时，纳米复合材料将表现出低介电损耗。
如本文所用，“耐电击穿”是指复合材料的交流电(AC)电压击穿强度，根据ASTM D149并用带有平行板电极的AC击穿测试器测得。如本文所用，当纳米复合材料在室温下达到至少0.9千伏/密耳时，纳米复合材料将表现出非常高的电击穿能力。
如本文所用，“电导率”是指根据ICEA S68-516所测得的绝缘电阻。如本文所用，当1000英尺纳米复合材料在15.6摄氏度下达到不小于20,000兆欧姆时，纳米复合材料将表现出非常低的电导率。
如本文所用，“纳米粒子”是指平均直径小于大约1000纳米的粒子。虽然本文中使用术语“直径”描述适合的粒子尺寸，但应该理解的是，本发明中使用的纳米粒子形状并不需要基本上为球形。因此，可将“直径”的定义用于纳米粒子，使得在理论上能被绘制用来对分粒子的最长线的平均长度小于大约1000纳米。
本发明的电缆包括一种或多种电导体或一种或多种电导体的线芯，每种导体或线芯被绝缘层所包围，该绝缘层由包含聚烯烃和3维笼状结构纳米粒子的组合物制得。
适用于本发明的聚烯烃具有的熔体指数范围为大约0.1克每10分钟至大约50克每10分钟。根据ASTM D-1238，Condition E确定熔体指数，并在190摄氏度和2160克下进行测定。
适合的聚烯烃包括聚乙烯均聚物，聚乙烯共聚物，乙烯/丙烯橡胶，乙烯/丙烯/二烯单体(EPDM)，聚丙烯均聚物，聚丙烯共聚物，聚丁烯，聚丁烯共聚物，和多短链支化α-烯烃/乙烯共聚物。
如本文所用，术语聚乙烯聚合物包括乙烯和少部分一种或多种α-烯烃以及任选二烯的均聚物和共聚物，或这些共聚物的混合物或共混物，该α-烯烃具有3至12个碳原子，优选具有3至8个碳原子。由除了乙烯之外的共聚单体贡献的聚乙烯共聚物部分，以共聚物重量计，可以为大约1至大约49重量％，且优选为大约15至大约40重量％。α-烯烃的示例为丙烯，1-丁烯，1-己烯，4-甲基-1-戊烯，和1-辛烯。二烯的适宜示例包括亚乙基降冰片烯，丁二烯，1，4-己二烯或双环戊二烯。
聚乙烯聚合物的密度范围可以为大约0.850至大约0.950克每立方厘米。聚乙烯聚合物的熔解温度也可以为至少大约115摄氏度。熔解温度优选大于大约115摄氏度。熔解温度更优选大于大约120摄氏度。
用于制备聚乙烯聚合物的典型催化剂体系包括镁/钛基催化剂体系，钒基催化剂体系，铬基催化剂体系以及其他的过渡金属催化剂体系。这些催化剂体系中的很多经常被称为齐格勒-纳塔催化剂体系或菲利普催化剂体系。适用的催化剂体系包括在二氧化硅-氧化铝载体上使用氧化铬或氧化钼的催化剂。
适用的催化剂体系可以包括多种催化剂体系的结合(例如，齐格勒-纳塔催化剂体系和茂金属催化剂体系)。在多级反应法中最适用这些结合的催化剂体系。
优选地，聚烯烃为在高压反应器中通过自由基聚合反应制备的聚乙烯。
3维笼状结构纳米粒子优选以占总组合物大约0.1重量％至大约40重量％的量存在于组合物中用于制备绝缘层。适用的3维笼状结构纳米粒子的示例为多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)，多面体低聚硅酸酯(POS)，多面体低聚硅氧烷以及其它适用于构建有机/无机纳米复合材料的纳米粒子。其它适用的3维笼状结构纳米粒子包括那些在聚烯烃和纳米粒子间提供高界面相互作用的纳米粒子。
所述3维笼状结构纳米粒子可具有活性官能团、非活性官能团，或同时具有活性和非活性官能团。当纳米粒子为POSS、POS或多面体低聚硅氧烷纳米粒子时，官能团可以为羟基、羧基、胺、环氧化物、硅烷或乙烯基。官能团可用于在绝缘组合物中增容纳米粒子，或者与组合物中某些组分，包括聚烯烃的相容。其它的官能团可适用于在组合物中进行接枝或发生其它化学反应。
绝缘组合物可以进一步包括其它纳米粒子、抗氧化剂、固化剂、操作助剂、防结块剂、抗粘滑剂、催化剂、稳定剂、防焦剂、水-树缓聚剂、电-树缓聚剂、着色剂、缓蚀剂、润滑剂、阻燃剂和成核剂。这些附加的组分优选的存在量为0.1重量％至大约10重量％。附加纳米粒子的示例包括二氧化硅粒子或金属氧化物。适合的金属氧化物包括氧化锌、氧化钛、氧化镁和氧化铝。
用于制备绝缘层的组合物可以为交联性或热塑性的。

Claims (7)

1、一种绝缘组合物，其包括：
(a)聚烯烃，和
(b)3维笼状结构纳米粒子。
2、根据权利要求1所述的绝缘组合物，其中所述聚烯烃选自聚乙烯均聚物、聚乙烯共聚物、乙烯/丙烯橡胶、乙烯/丙烯/二烯单体(EPDM)、聚丙烯均聚物、聚丙烯共聚物、聚丁烯、聚丁烯共聚物或多短链支化α-烯烃/乙烯共聚物。
3、根据权利要求1所述的绝缘组合物，其中所述3维笼状结构纳米粒子选自多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)、多面体低聚硅酸酯(POS)或多面体低聚硅氧烷。
4、根据权利要求3所述的绝缘组合物，其中所述3维笼状结构纳米粒子的存在量为总组合物的大约0.1重量％至大约40重量％。
5、包括一种或多种电导体或者一种或多种电导体线芯的电缆，其中每种导体或线芯被绝缘层所包围，所述绝缘层由包含如下两项的组合物制得：
(a)聚烯烃，和
(b)3维笼状结构纳米粒子。
6、根据权利要求5所述的电缆，其中所述聚烯烃选自聚乙烯均聚物、聚乙烯共聚物、乙烯/丙烯橡胶、乙烯/丙烯/二烯单体(EPDM)、聚丙烯均聚物、聚丙烯共聚物、聚丁烯、聚丁烯共聚物或多短链支化α-烯烃/乙烯共聚物。
7、根据权利要求5所述的电缆，其中所述3维笼状结构纳米粒子选自多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)、多面体低聚硅酸酯(POS)或多面体低聚硅氧烷。
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