CN103739929A - 电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料及其制备方法 - Google Patents

电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料及其制备方法，要解决的技术问题是降低半导电屏蔽料的体积电阻率。本发明的屏蔽料，由以下质量百分含量组成：乙烯-醋酸乙烯共聚物83%～90%，石墨烯粉3%～10%，白油3%～6%、抗氧剂0.5%～1%、硬脂酸锌0.3%～0.6%。本发明的制备方法，包括混合，塑化，造粒，脱水，干燥。本发明与现有技术相比，将石墨烯均匀分散到乙烯-醋酸乙烯共聚物中，体积电阻率降到30Ω·cm以下，大大提高均化电场，实现导体、绝缘层和金属屏蔽层的光滑无间隙接触，提高电缆屏蔽均化电场效果，改善电缆的电气性能和长期运行的可靠性，适用于6kV以上电缆的非金属屏蔽层。

Description

电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种中高压输配电电缆材料及其制备方法，特别是一种电缆用的半导电屏蔽料及其制备方法。
背景技术
中高压交联聚乙烯绝缘电缆（交联电缆）是输配电领域中使用量非常大的一种电力电缆。目前交联电缆用的半导电屏蔽料主要采用在乙烯-醋酸乙烯共聚物EVA中均匀分散加入导电炭黑的方式制成，但由于受炭黑导电性不理想且颗粒粒度不够细的因素影响，半导电屏蔽料的体积电阻率在40-100Ω·cm之间，材料表面的光滑度不够好，因而对电缆屏蔽均化电场效果不够理想，对高压和超高压电缆的影响尤为明显。
发明内容
本发明的目的是提供一种电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料及其制备方法，要解决的技术问题是降低半导电屏蔽料的体积电阻率，提高电缆屏蔽均化电场效果。
本发明采用以下技术方案：一种电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料，由以下质量百分含量组成：乙烯-醋酸乙烯共聚物83%～90%，石墨烯粉3%～10%，白油3%～6%、抗氧剂0.5%～1%、硬脂酸锌0.3%～0.6%。
本发明的石墨烯粉的粒径不大于10μm。
本发明的抗氧剂为4,4'-硫代双(6-叔丁基-3-甲基苯酚)。
本发明的电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料由以下质量百分含量组成：乙烯-醋酸乙烯共聚物85%～88%，石墨烯粉7%～8.5%，白油5%～5.4%、抗氧剂0.6%～0.7%、硬脂酸锌0.4%～0.5%。
本发明的乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）86%，石墨烯粉8%。
一种电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料的制备方法，包括以下步骤：
一、混合，按质量百分含量，将乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）83%～90%，石墨烯粉3%～10%，白油3%～6%、抗氧剂0.5%～1%、硬脂酸锌0.3%～0.6%，以150-200rpm的转速搅拌混合1-2分钟，得到混合均匀的混合料；
二、塑化，将混合料进行第一次塑化，螺杆转速为180-220rpm，塑化区各区域的温度为：1区85-90℃，2区105-110℃，3区115-125℃，4区100-105℃，5区90-95℃；再进行第二次塑化，螺杆转速为120-150rpm，挤塑区各区域的温度为：1区85-90℃，2区85-90℃，机头105-110℃，得到塑化料；
三、造粒，将塑化料在温度为105-115℃，压力为5.0-7.0MPa条件下，制成直径3.5mm×高度3mm的圆柱形粒子，净化水冷却至室温；
四、脱水，将圆柱形粒子在转速为1080-1200rpm，时间为15-25min条件下，进行脱水；
五、脱水后的料经沸腾床干燥，温度为45-50℃，得到电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料。
本发明的方法步骤五得到电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料，自然冷却至室温。
本发明的方法步骤一乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）85%～88%，石墨烯粉7%～8.5%，白油5%～5.4%、抗氧剂0.6%～0.7%、硬脂酸锌0.4%～0.5%。
本发明的方法步骤一乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）86%，石墨烯粉8%。
本发明的制备方法采用WF140-180型往复式混炼挤塑造粒机组。
本发明与现有技术相比，将石墨烯均匀分散到乙烯-醋酸乙烯共聚物EVA树脂中，降低半导电屏蔽料的体积电阻率，其体积电阻率降到30Ω·cm以下，大大提高均化电场，实现导体、绝缘层和金属屏蔽层的光滑无间隙接触，提高电缆屏蔽均化电场效果，改善电缆的电气性能和长期运行的可靠性，适用于6kV以上电缆的非金属屏蔽层。
附图说明
图1是本发明电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料的制备方法流程图。
具体实施方式
本发明的电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电（半导电）屏蔽料，由以下质量百分含量组成：乙烯-醋酸乙烯共聚物EVA83%～90%，石墨烯粉3%～10%，白油3%～6%、抗氧剂0.5%～1%、硬脂酸锌0.3%～0.6%。
所述石墨烯粉的粒径不大于10μm。
所述抗氧剂为4,4'-硫代双(6-叔丁基-3-甲基苯酚)。
本发明的电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电（半导电）屏蔽料，在20℃的体积电阻率≤30Ω·cm。
本发明的电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料（屏蔽料）的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
一、混合，将乙烯-醋酸乙烯共聚物EVA、粒径不大于10μm的石墨烯粉、白油、抗氧剂4,4'-硫代双(6-叔丁基-3-甲基苯酚)和硬脂酸锌，经上料斗分别装入原料仓，用失重式计量秤连续称量，在室温（20℃）下，按质量百分含量，将乙烯-醋酸乙烯共聚物EVA83%～90%，石墨烯粉3%～10%，白油3%～6%、抗氧剂0.5%～1%、硬脂酸锌0.3%～0.6%，加入到南京科亚化工成套装备有限公司的WF140-180型往复式混炼挤塑造粒机组的混炼区中，以150-200rpm的转速搅拌混合1-2分钟，进行混合，得到混合均匀的混合料。
本实施例采用的WF140-180型往复式混炼挤塑造粒机组是一套多功能连续设备，设有主机组与辅助机组两部分，主机组包括往复式混炼区，塑化区、挤塑区与造粒区，辅助机组包括离心脱水机与沸腾床，因此整个混合、塑化与挤出、造粒、脱水均在此机组上完成。
乙烯-醋酸乙烯共聚物EVA作为（屏蔽料）的基料。
石墨烯粉作为导电填料。石墨烯具有极佳的导电性能，作为高半导电（半导电）屏蔽料的功能组分材料，使屏蔽料成为半导电材料，通过对石墨烯量的选择，满足屏蔽料在20℃的体积电阻率≤30Ω·cm。
白油作为润滑剂和辅助脱模剂，使屏蔽料的加工性能得到保障。
抗氧剂抑制或延缓屏蔽料的氧化降解，延长电缆的使用寿命。
硬脂酸锌作为润滑剂，降低屏蔽料在加工过程中与制备设备机械内部接触的摩擦力，提高屏蔽料的流动性。
二、塑化，连续进行两次塑化，使步骤一得到的混合料组分中各物质通过物理作用力融化后分散均匀,形成稳定的均相组分。将混合料送入往复式混炼挤塑造粒机组的塑化区，进行第一次塑化，螺杆转速为180-220rpm，塑化区各区域的温度如表1。塑化区预先升温1小时，使各区升温达到表1中的温度（挤塑区、造粒区的温度也如此升温）。
表1第一次塑化塑化区温度（℃）
1区 2区 3区 4区 5区
85-90 105-110 115-125 100-105 90-95
第一次塑化后的料被送入往复式混炼挤塑造粒机组的挤塑区，进行第二次塑化，得到塑化料，螺杆转速为120-150rpm，挤塑区各区域的温度如表2。
表2第二次塑化挤塑区温度（℃）
1区 2区 机头
85-90 85-90 105-110
三、造粒，将塑化料送入往复式混炼挤塑造粒机组的造粒区，在温度为105-115℃，压力为5.0-7.0MPa的条件下，制成直径3.5mm×高度3mm的圆柱形粒子，净化水冷却至室温。净化水为一般软化水。
四、脱水，将圆柱形粒子送入往复式混炼挤塑造粒机组的离心脱水机，在转速为1080-1200rpm，时间为15-25min的条件下，进行脱水。
五、筛选、称重、包装，脱水后的料经储料斗送入往复式混炼挤塑造粒机组的沸腾床干燥，温度为45-50℃，由振动筛进行颗粒的筛选，去除粉末，将粒度不符合直径3.5mm×高度3mm的粒子筛选出，得到电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料，自然冷却至室温，称重后包装入库。
实施例1-5采用本发明方法制备得到的电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料，按GB/T1033-2008测试密度，按GB/T1040-2006测试拉伸强度，按GB/T3048.3-2007测试20℃体积电阻率。进行空气热老化试验，按GB/T1040-2006测试拉伸强度变化率，按GB/T2951.12-2008断裂伸长率变化率。以现有技术的10KV半导电内屏蔽料YPJ-10作为对比例，用上述相同的方法进行测试对比，测试结果见表3。YPJ-10在乙烯-醋酸乙烯共聚物EVA中加入导电炭黑作为导电填料。
实施例1，
一、质量百分含量为：EVA83%、石墨烯粉10%、白油6%、抗氧剂0.5%、硬脂酸锌0.5%。以150rpm的转速搅拌混合2分钟。
二、第一次塑化，螺杆转速控制在180rpm/min，第一次塑化温度为：
1区 2区 3区 4区 5区
85 105 115 100 90
第二次塑化，螺杆转速为120rpm，第二次塑化温度为：
1区 2区 机头
85 85 105
三、温度为105℃，压力为5.0MPa，制成直径3.5mm×高度3mm的圆柱形粒子。
四、转速为1080rmp，时间为23min，脱水。
五、沸腾床干燥，50℃干燥，冷却，筛选，得到电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料，称重后包装入库。
实施例2，
一、质量百分含量为：EVA树脂86%、石墨烯粉7%、白油5.4%、抗氧剂1%、硬脂酸锌0.6%。以200rpm的转速搅拌混合1分钟。
二、第一次塑化，螺杆转速控制在200rpm/min，第一次塑化温度为：
1区 2区 3区 4区 5区
87 108 120 103 92
第二次塑化，螺杆转速为150rpm，第二次塑化温度为：
1区 2区 机头
87 89 107
三、温度为107℃，压力为6.5M Pa，制成直径3.5mm×高度3mm的圆柱形粒子。
四、转速为1140rpm，时间为25min，脱水。
五、沸腾床干燥，48℃干燥，冷却，筛选，得到电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料，称重后包装入库。
实施例3，
一、质量百分含量为：EVA树脂88%、石墨烯粉8%、白油3%、抗氧剂0.7%、硬脂酸锌0.3%。以200rpm的转速搅拌混合1分钟。
二、第一次塑化，螺杆转速控制在200rpm/min，第一次塑化温度为：
1区 2区 3区 4区 5区
90 110 125 105 90
第二次塑化，螺杆转速为150rpm，第二次塑化温度为：
1区 2区 机头
90 90 110
三、温度为110℃，压力为7.0M Pa，制成直径3.5mm×高度3mm的圆柱形粒子。
四、转速为1140rmp，时间为22min，脱水。
五、沸腾床干燥，47℃干燥，冷却，筛选，得到电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料，称重后包装入库。
实施例4，
一、质量百分含量为：EVA树脂90%、石墨烯粉3%、白油6%、抗氧剂0.6%、硬脂酸锌0.4%。以180rpm的转速搅拌混合2分钟。
二、第一次塑化，螺杆转速控制在220rpm/min，第一次塑化温度为：
1区 2区 3区 4区 5区
88 107 120 105 95
第二次塑化，螺杆转速为140rpm，第二次塑化温度为：
1区 2区 机头
88 89 110
三、温度为110℃，压力为6.7M Pa，制成直径3.5mm×高度3mm的圆柱形粒子。
四、转速为1170rmp，时间为15min，脱水。
五、沸腾床干燥，50℃干燥，冷却，筛选，得到电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料，称重后包装入库。
实施例5，
一、质量百分含量为：EVA树脂85%、石墨烯粉8.5%、白油5%、抗氧剂1%、硬脂酸锌0.5%。以180rpm的转速搅拌混合1.5分钟。
二、第一次塑化，螺杆转速控制在180rpm/min，第一次塑化温度为：
1区 2区 3区 4区 5区
90 110 125 105 95
第二次塑化，螺杆转速为150rpm，第二次塑化温度为：
1区 2区 机头
90 90 110
三、温度为115℃，压力为5.5MPa，制成直径3.5mm×高度3mm的圆柱形粒子。
四、转速为1200rmp，时间为17min，脱水。
五、沸腾床干燥，45℃干燥，冷却，筛选，得到电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料，称重后包装入库。
表3实施例1-5、对比例的性能测试结果
Figure BDA0000455445160000081
Figure BDA0000455445160000091
由对比可以看出，本发明的电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料，体积电阻率和机械性能优于现有技术的半导电内屏蔽料YPJ-10。
石墨烯具有优异的导电性能、良好的机械性能和导热性能，采用粒度在10微米以下的石墨烯，将其均匀分散到EVA树脂中，制备得到的电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料，其体积电阻率可降到30Ω·cm以下，采用本发明的电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料代替现有技术的炭黑复合半导电屏蔽料后，可以大大提高均化电场并实现导体、绝缘与金属屏蔽层的光滑无间隙接触的技术效果，可以用于6kV及以上电缆的非金属屏蔽层，改善电缆的电气性能和长期运行的可靠性。
本发明克服了现有技术炭黑复合半导电屏蔽料因炭黑导电性不够理想且颗粒细度的因素对电缆质量的影响问题，尤其是在20℃电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料具有体积电阻率≤30Ω·cm的优异技术效果，除显著提高半导电屏蔽料产品的导电性能外，其光滑性、力学性能、稳定性能和均匀性与现有技术的炭黑复合半导电屏蔽料相比都有提高，而且挤出工艺性能得到改善，挤出效率较现有技术材料提高7%-15%。现有技术的屏蔽料在65挤出机挤出时，温度设置在90-100℃，螺杆转速在26rpm/min，熔压在15MPa，每小时出胶量在20kg,而采用本发明方法制备电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料，在同样温度设置、同样螺杆转速和熔压时，其每小时出胶量为21.4-23kg,挤出效率明显提高。

Claims (10)

1.一种电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料，其特征在于：所述电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料由以下质量百分含量组成：乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）83%～90%，石墨烯粉3%～10%，白油3%～6%、抗氧剂0.5%～1%、硬脂酸锌0.3%～0.6%。
2.根据权利要求1所述的电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料，其特征在于：所述石墨烯粉的粒径不大于10μm。
3.根据权利要求1所述的电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料，其特征在于：所述抗氧剂为4,4'-硫代双(6-叔丁基-3-甲基苯酚)。
4.根据权利要求1所述的电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料，其特征在于：所述电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料由以下质量百分含量组成：乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）85%～88%，石墨烯粉7%～8.5%，白油5%～5.4%、抗氧剂0.6%～0.7%、硬脂酸锌0.4%～0.5%。
5.根据权利要求4所述的电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料，其特征在于：所述乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）86%，石墨烯粉8%。
6.一种电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料的制备方法，包括以下步骤：
一、混合，按质量百分含量，将乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）83%～90%，石墨烯粉3%～10%，白油3%～6%、抗氧剂0.5%～1%、硬脂酸锌0.3%～0.6%，以150-200rpm的转速搅拌混合1-2分钟，得到混合均匀的混合料；
二、塑化，将混合料进行第一次塑化，螺杆转速为180-220rpm，塑化区各区域的温度为：1区85-90℃，2区105-110℃，3区115-125℃，4区100-105℃，5区90-95℃；再进行第二次塑化，螺杆转速为120-150rpm，挤塑区各区域的温度为：1区85-90℃，2区85-90℃，机头105-110℃，得到塑化料；
三、造粒，将塑化料在温度为105-115℃，压力为5.0-7.0MPa条件下，制成直径3.5mm×高度3mm的圆柱形粒子，净化水冷却至室温；
四、脱水，将圆柱形粒子在转速为1080-1200rpm，时间为15-25min条件下，进行脱水；
五、脱水后的料经沸腾床干燥，温度为45-50℃，得到电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料。
7.根据权利要求6所述的电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料的制备方法，其特征在于：所述步骤五得到电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料，自然冷却至室温。
8.根据权利要求6所述的电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料的制备方法，其特征在于：所述步骤一乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）85%～88%，石墨烯粉7%～8.5%，白油5%～5.4%、抗氧剂0.6%～0.7%、硬脂酸锌0.4%～0.5%。
9.根据权利要求8所述的电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料的制备方法，其特征在于：所述步骤一乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）86%，石墨烯粉8%。
10.根据权利要求6所述的电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料的制备方法，其特征在于：所述的制备方法采用WF140-180型往复式混炼挤塑造粒机组。
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