CN101445627A - 高压直流电缆绝缘材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种绝缘材料技术领域的高压直流电缆绝缘材料及其制备方法，将100重量份的低密度聚乙烯，0.1－1重量份的抗氧剂，0.5－5重量份的纳米无机粉末，0.2－5重量份的马来酸酐，放入密炼机中混炼，混炼温度为373K－378K，混炼时间为10－15分钟，然后再将0.1－5重量份的交联剂加入，保持在373K－378K的温度下混炼10－15分钟，得到高压直流电缆绝缘材料，其中：所述低密度聚乙烯，密度小于0.9g/cm3。本发明制备的绝缘材料可以有效提高高压直流电缆的力学性能和电气性能，可以避免油纸绝缘电缆由于绝缘油的泄露对环境造成的污染与破坏的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种绝缘材料技术领域及其制备方法，具体地说，涉及的是一种高压直流电缆绝缘材料及其制备方法。
背景技术
相对于交流输电技术，直流输电由于具有线路造价低；线路损耗小；不存在***稳定问题；可以限制短路电流；调节快速，运行可靠等特点，在输配电中逐渐被越来越多的采用。由于塑料直流电力电缆具有机械性能好，运行线路损耗更小，安装以及运行维护方便，耐酸、碱，抗腐蚀，并且不会对环境造成污染等优点，已经成为目前研究的热点。直流电缆在运行过程中，不会出现象交流输电情况下的电场周期性变化，因此聚乙烯中的杂质粒子(如交联副产物)在恒定的电场作用下，解离成阴阳两种离子，并在电场的作用下各向两个电极的方向移动，在移动的过程中部分电荷被聚乙烯内的陷阱所捕获，形成空间电荷包，并造成聚乙烯内局部的电场畸变。研究表明，空间电荷效应造成的局部电场畸变，会到达稳态电场的5-7倍，从而产生介质击穿，导致电缆被破坏。为了抑制聚乙烯中的空间电荷现象，已经有许多的学者提出了通过纳米改性来改善聚乙烯内部空间电荷分布的方法。日本学者近几年一直在研究通过向低密度聚乙烯(LDPE)中添加氧化镁粉末，来改善绝缘材料包括空间电荷分布在内的各项电气性能，并取得了较大的成果。
经对现有技术的检索发现，T.maezawa等在2007 Annual Report Conferenceon Electrical Insulation and Dielectric Phenomena(电气绝缘与电介质年度报告会议2007)发表的文章Space Charge Formation in LDPE/MgONano-composite under High Electric Field at High Temperature(高温强电场下的LDPE/MgO复合介质内空间电荷分布)以及Hayase.Y等在8thInternational Conference on Properties and applications of DielectricMaterials，2006(第8届电介质材料性质与应用国际会议2006)发表的文章SpaceCharge Formation in LDPE/MgO Nano-composite Thin Film under Ultra-highDC Electric Stress(超高电场下LDPE/MgO复合介质薄膜中空间电荷分布)指出，向LDPE内添加纳米MgO粉末可以抑制聚乙烯内部空间电荷的分布。但是，通过研究发现，由于LDPE的生产厂家较多，而且LDPE的牌号也较多，通过添加纳米氧化镁粉末，并不能使所有的不同牌号的LDPE内的空间电荷分布得到改善，比如采用Exxon Mobil公司生产的一种LDPE做为基础材料，其MgO/LDPE复合介质内的空间电荷分布反而比纯LDPE内的空间电荷分布更差，电场的畸变率更高。
进一步检索中，发现日本专利号JP11224544、日本专利号JP11224545和美国专利号6924435介绍了，通过向聚乙烯中添加马来酸酐的方法，达到抑制绝缘材料内空间电荷分布的目的。向聚乙烯中添加适量的马来酸酐，可以有效的抑制绝缘内部阳离子的移动，进而抑制它们的积聚形成空间电荷包，但是，对分子半径较小的阴离子，马来酸酐的抑制效果不是很明显。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种高压直流电缆绝缘材料及其制备方法，通过在聚乙烯树脂中添加纳米无机极性粉末，离子清除剂等，达到抑制绝缘内部空间电荷积聚，改善其内部电场的目的，从而制备一种可以用于中高压直流电缆绝缘的塑料材料。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明所涉及的高压直流电缆绝缘材料，包含的组分及其含量为：低密度聚乙烯100重量份，无机纳米粉末0.5-5重量份，离子清除剂0.2-5重量份，抗氧剂0.1-1重量份，交联剂0.1-5重量份。
本发明所采用的低密度聚乙烯的熔融指数为0.5-10g/10min，密度小于0.9g/cm3，结晶度小于10％，催化剂残留小于1/1000。
本发明采用的纳米无机粉末为氧化镁、氧化硅、三氧化二铝。原生粒子粒径为12-30nm，BET比表面积为80-160m2/g。
本发明采用的交联剂为过氧化二枯基、过氧化二叔丁基、2，5-二甲基-2，5-二(叔丁基过氧)-乙炔或2，5-二甲基-2，5二(叔丁基过氧)-己烷叔丁基氢。
本发明采用的抗氧剂为抗氧剂1010或抗氧剂300。
本发明所涉及的高压直流电缆绝缘材料的制备方法，具体为：将100重量份的低密度聚乙烯，0.1-1重量份的抗氧剂，0.5-5重量份的纳米无机粉末，0.2-5重量份的马来酸酐，放入密炼机中混炼，混炼温度为373K-378K，混炼时间为10-15分钟，然后再将0.1-5重量份的交联剂加入，保持在373K-378K的温度下混炼10-15分钟，得到高压直流电缆绝缘材料。
本发明是在低密度聚乙烯中，添加无机极性纳米粉末以及离子清除剂，通过机械共混的方法制备了一种高压直流电缆绝缘材料。与未掺杂任何无机纳米粉末以及离子清除剂的交联聚乙烯相比，非常有效的抑制了绝缘内部空间电荷的积聚。未掺杂无机纳米粉末以及离子清除剂的交联聚乙烯在10kV/mm的电场下，绝缘内部有明显的空间电荷现象，随着外加电场的增加，绝缘内部的空间电荷量逐渐增多；在60kV/mm电场下，由于空间电荷引起绝缘内部的电场的畸变率达到了60％-80％。添加无机纳米粉末以及离子清除剂制备的复合介质在10kV/mm以及30kV/mm电场下，绝缘内部没有空间电荷的积聚现象；在60kV/mm电场下，复合介质绝缘内部出现少量的空间电荷，通过计算可得，此复合介质绝缘内部由于空间电荷效应引起的电场畸变率不超过15％。
附图说明
图1.本发明实施例1材料在60kV/mm电场下加压30分钟的空间电荷与电场分布图，其中(a)为材料内空间电荷分布，(b)为电场分布。
图2.本发明实施例2材料在60kV/mm电场下加压30分钟的空间电荷与电场分布图，其中(a)为材料内空间电荷分布，(b)为电场分布。
图3.本发明实施例3材料在60kV/mm电场下加压30分钟的空间电荷与电场分布图，其中(a)为材料内空间电荷分布，(b)为电场分布。
图4.本发明实施例4材料在60kV/mm电场下加压30分钟的空间电荷与电场分布图，其中(a)为材料内空间电荷分布，(b)为电场分布。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
将50克低密度聚乙烯、0.05克抗氧剂1010、2.5克三氧化二铝、0.5克马来酸酐放入哈克转矩流变仪中混炼，混炼温度为375K，混炼时间为10分钟，再将1.15克过氧化二枯基放入哈克转矩流变仪混炼10分钟，混炼温度保持在375K，得到一种可用于高压塑料电缆的绝缘材料。
实施例2
将50克低密度聚乙烯、0.05克抗氧剂1010、1克氧化镁、0.1克马来酸酐放入哈克转矩流变仪中混炼，混炼温度为378K，混炼时间为15分钟，再将1.15克过氧化二枯基放入哈克转矩流变仪混炼15分钟，混炼温度保持在378K，得到一种可用于高压塑料电缆的绝缘材料。
实施例3
将50克低密度聚乙烯、0.05克抗氧剂1010、0.25克氧化硅、2.5克马来酸酐放入哈克转矩流变仪中混炼，混炼温度为373K，混炼时间为13分钟，再将0.5克过氧化二枯基放入哈克转矩流变仪混炼13分钟，混炼温度保持在373K，得到一种可用于高压塑料电缆的绝缘材料。
实施例4
将50克低密度聚乙烯、0.05克抗氧剂1010放入哈克转矩流变仪中混炼，混炼温度为373K-378K，混炼时间为10-15分钟，再将1.15克过氧化二枯基放入哈克转矩流变仪混炼10-15分钟，混炼温度保持在373K-378K，得到对比的绝缘材料。
以上实施例1-4所制备的材料在60kV/mm电场下加压30分钟时的空间电荷与电场分布分别如图1、图2、图3、图4所示。在60kV/mm外电场下，实施例1所制备的材料，内部几乎无空间电荷的产生，试样内部的空间电场峰值约为61.1kV/mm，电场几乎无畸变；实施例2、实施例3所制备的材料，内部有少量的空间电荷，试样内部空间电场的峰值分别约为66.5kV/mm与64.1kV/mm，电场畸变率分别为6.8％与10.8％；实施例4所制备的对比材料内部有较多的空间电荷，由于试样内部较多负的空间电荷，在阳极(B)上感应出较多的正电荷，由图4(b)可以看出试样内部空间电场的峰值约为107.1kV/mm，电场畸变率为78.5％。
Claims (9)
1、一种高压直流电缆绝缘材料，其特征在于包含的组分及其含量为：低密度聚乙烯100重量份，无机纳米粉末0.5-5重量份，离子清除剂0.2-5重量份，抗氧剂0.1-1重量份，交联剂0.1-5重量份，其中所述低密度聚乙烯，密度小于0.9g/cm3。
2、根据权利要求1所述的高压直流电缆绝缘材料，其特征是，所述低密度聚乙烯的熔融指数为0.5-10g/10min，结晶度小于10％，催化剂残留小于1/1000。
3、根据权利要求1所述的高压直流电缆绝缘材料，其特征是，所述纳米无机粉末为氧化镁、氧化硅、三氧化二铝中一种。
4、根据权利要求1或2所述的高压直流电缆绝缘材料，其特征是，所述纳米无机粉末，其原生粒子粒径为12-30nm，BET比表面积为80-160m2/g。
5、根据权利要求1所述的高压直流电缆绝缘材料，其特征是，所述交联剂为过氧化二枯基、过氧化二叔丁基、2，5-二甲基-2，5-二(叔丁基过氧)-乙炔或2，5-二甲基-2，5二(叔丁基过氧)-己烷叔丁基氢中一种。
6、根据权利要求1所述的高压直流电缆绝缘材料，其特征是，所述抗氧剂为抗氧剂1010或抗氧剂300。
7、一种如权利要求1所述的高压直流电缆绝缘材料的制备方法，其特征在于，将100重量份的低密度聚乙烯，0.1-1重量份的抗氧剂，0.5-5重量份的纳米无机粉末，0.2-5重量份的马来酸酐，放入密炼机中混炼，混炼温度为373K-378K，然后再将0.1-5重量份的过氧化二异丙苯加入，保持在373K-378K的温度下混炼，得到高压直流电缆绝缘材料，其中：所述低密度聚乙烯，密度小于0.9g/cm3。
8、根据权利要求7所述的高压直流电缆绝缘材料的制备方法，其特征是，所述放入密炼机中混炼，其时间为10-15分钟。
9、根据权利要求7所述的高压直流电缆绝缘材料的制备方法，其特征是，所述保持在373K-378K的温度下混炼，其混炼时间为10-15分钟。
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