CN105295190A - 炭黑、石墨烯为导电介质的功能化高分子复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于6-220kV交联聚乙烯绝缘高压电缆内外半导电屏蔽的高分子复合材料，尤其涉及一种炭黑、石墨烯为导电介质的功能化高分子复合材料。包括以下质量百分含量组成：乙烯-醋酸乙烯共聚物或聚乙烯55%～62%，导电炭黑23%～30%，石墨烯粉1%～5%，白油8%～12%，抗氧剂0.5%～1%，硬脂酸锌0.3%～1%，交联剂DCP0.6%～1.2%。可以显著提高半导电屏蔽料产品的导电性能外，还大幅改善了其热稳定性。

Description

炭黑、石墨烯为导电介质的功能化高分子复合材料
技术领域
本发明涉及一种高分子复合材料，尤其涉及一种炭黑、石墨烯为导电介质的功能化高分子复合材料。
背景技术
交联聚乙烯绝缘高压电缆（交联电缆）是输配电领域中使用量很大的一种电力电缆。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中均匀分散加入炭黑的方式制成，但由于受炭黑导电性不理想且热稳定性不佳的因素影响，导致目前材料的体积电阻率指标不理想，执行的标准在相关指标要求方面也只能放宽。目前标准（JB/T10738-2007）中要求20℃时用于导体屏蔽和绝缘屏蔽的半导电屏蔽料的体积电阻率均为不大于100Ω·cm，90℃时用于导体屏蔽的半导电屏蔽料的体积电阻率不大于5000Ω·cm，90℃时用于绝缘屏蔽的半导电屏蔽料的体积电阻率均为不大于2500Ω·cm。可见其体积电阻率偏大且热稳定性相当不好（20℃与90℃下体积电阻率变化超过20倍）。因而对电缆屏蔽均化电场效果不够理想，容易造成电缆运行放电故障及寿命下降，对110kV及以上超高压电缆的影响尤为明显。
发明内容
本发明旨在解决上述缺陷，提供一种炭黑、石墨烯为导电介质的功能化高分子复合材料。
为了克服背景技术中存在的缺陷，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种炭黑、石墨烯为导电介质的功能化高分子复合材料包括以下质量百分含量组成：乙烯-醋酸乙烯共聚物或聚乙烯55%～62%，导电炭黑23%～30%，石墨烯粉1%～5%，白油8%～12%，抗氧剂0.5%～1%，硬脂酸锌0.3%～1%，交联剂DCP0.6%～1.2%。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述石墨烯粉的微片厚度不大于8μm。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述炭黑的颗粒直径不大于50μm。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述抗氧剂为4,4'-硫代双。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述质量百分含量为：乙烯-醋酸乙烯共聚物55%、石墨烯粉1%、导电炭黑30%、白油12%、抗氧剂0.5%、硬脂酸锌0.3%。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述质量百分含量为：聚乙烯59%、石墨烯粉3%、炭黑25.8%、白油10%、抗氧剂1%、硬脂酸锌0.6%。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述质量百分含量为：乙烯-醋酸乙烯共聚物62%、石墨烯粉5%、炭黑22%、白油8%、抗氧剂0.9%、硬脂酸锌1%。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括该制备方法包括：
第一步、混合，
a、将石墨烯粉先混溶到白油中；
b、将乙烯-醋酸乙烯共聚物或聚乙烯、导电炭黑粉体加入高混机搅拌2分钟；
c、将石墨烯粉与白油的混合溶液及抗氧剂4,4'-硫代双、硬脂酸锌加入到高混机，一起搅拌1-2分钟；
d、将高混机内初步混合的所有材料通过连接管道送入密炼机，在95-105℃温度下混炼10-12分钟；
第二步、塑化、造粒，
a、将密炼机内密炼好的材料通过单螺杆挤出机进行挤出造粒、水冷和脱水处理；
b、将脱水后的塑料粒子通过输送管道送入另一台高混机并按比例加入交联剂搅拌1-2分钟；
c、将塑料粒子送入储存仓并称量包装。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述挤出造粒为圆柱形粒子，其直径为3.5mm、高度为3mm。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述挤出造粒为圆柱形粒子，其直径为3.5mm、高度为3mm。
本发明的有益效果是：这种炭黑、石墨烯为导电介质的功能化高分子复合材料客服了现有技术只用炭黑复合半导电屏蔽料因炭黑导电性不够理想及导电填料添加比例过大对电缆质量的影响问题，除显著提高半导电屏蔽料产品的导电性能外，还大幅改善了其热稳定性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明制备方法的步骤结构示意图。
具体实施方式
本发明一种用于6-220kV交联聚乙烯绝缘高压电缆内外半导电屏蔽层的炭黑/石墨烯共同导电介质低电阻高热稳定过氧化物交联半导电高分子复合材料，由以下质量百分含量组成：乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）或聚乙烯（PE）55%～62%，导电炭黑23%～30%，石墨烯粉1%～5%，白油8%～12%、抗氧剂0.5%～1%、硬脂酸锌0.3%～1%，交联剂DCP0.6%～1.2%。
石墨烯粉的微片厚度不大于8μm。
炭黑的颗粒直径不大于50μm。
抗氧剂为4,4'-硫代双(6-叔丁基-3-甲基苯酚)。
本发明的高压电缆内外屏蔽用炭黑/石墨烯共同作为导电介质的低电阻高热稳定过氧化物交联半导电高分子复合材料，在20℃的体积电阻率≤20Ω·cm。在90℃的体积电阻率≤100Ω·cm。
本发明材料的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
第一步、混合，
a、将石墨烯粉先混溶到白油中；
b、将乙烯-醋酸乙烯共聚物或聚乙烯、导电炭黑粉体加入高混机搅拌2分钟；
c、将石墨烯粉与白油的混合溶液及抗氧剂4,4'-硫代双、硬脂酸锌加入到高混机，一起搅拌1-2分钟；
d、将高混机内初步混合的所有材料通过连接管道送入密炼机，在95-105℃温度下混炼10-12分钟；
第二步、塑化、造粒，
a、将密炼机内密炼好的材料通过单螺杆挤出机进行挤出造粒、水冷和脱水处理；
b、将脱水后的塑料粒子通过输送管道送入另一台高混机并按比例加入交联剂搅拌1-2分钟；
c、将塑料粒子送入储存仓并称量包装。各组分材料的作用
乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）或聚乙烯（PE）的作用为材料的基料。
石墨烯粉与炭黑共同作为导电填料，石墨烯粉体是一种具有极佳导电性能的材料，其形状为微片状，有非常大的比表面积，与炭黑的颗粒状可以相互搭桥优势互补。屏蔽料的体积电阻率及热稳定性主要通过导电填料的加入量及两种材料比例调整获得。
白油的作用为润滑剂和辅助脱模剂，使材料加工性能得到保障。
抗氧剂的作用为抑制或延缓材料的氧化降解，延长材料的使用寿命。
硬脂酸锌为的作用为润滑剂，降低材料在加工过程中与机械内部的摩擦，提高材料的流动性。
本发明方法制备得到的高压电缆内外屏蔽用炭黑、石墨烯共同作为导电介质的低电阻高热稳定过氧化物交联半导电高分子复合材料，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。用上述方法进行测试与现行标准（JB/T10738-2007）对比结果见附表。
实施例1，
一、质量百分含量为：EVA55%、石墨烯粉1%、炭黑30%、白油12%、抗氧剂0.5%、硬脂酸锌0.3%。以300rpm的转速搅拌混合2分钟。
二、在密炼机内进行密炼，密炼温度95℃，时间10分钟。
三、将密炼好的材料通过单螺杆挤出机进行挤出造粒、水冷和脱水处理。
挤出机螺杆转速为120rpm，塑化温度为：
造粒尺寸为直径3.5mm×高度3mm的圆柱形粒子。
四、将脱水后的塑料粒子通过输送管道送入另一台高混机，并按照0.6%比例加入交联剂，以300rpm的转速搅拌1分钟。
五、将塑料粒子送入储存仓并称量包装。
实施例2，
一、质量百分含量为：PE59%、石墨烯粉3%、炭黑25.8%、白油10%、抗氧剂1%、硬脂酸锌0.6%。以300rpm的转速搅拌混合2分钟。
二、在密炼机内进行密炼，密炼温度100℃，时间11分钟。
三、将密炼好的材料通过单螺杆挤出机进行挤出造粒、水冷和脱水处理。
挤出机螺杆转速为106rpm，塑化温度为：
造粒尺寸为直径3.5mm×高度3mm的圆柱形粒子。
四、将脱水后的塑料粒子通过输送管道送入另一台高混机，并按照1.2%比例加入交联剂，以300rpm的转速搅拌1分钟。
五、将塑料粒子送入储存仓并称量包装。
实施例3，
一、质量百分含量为：EVA62%、石墨烯粉5%、炭黑22%、白油8%、抗氧剂0.9%、硬脂酸锌1%。以300rpm的转速搅拌混合2分钟。
二、在密炼机内进行密炼，密炼温度105℃，时间12分钟。
三、将密炼好的材料通过单螺杆挤出机进行挤出造粒、水冷和脱水处理。
挤出机螺杆转速为106rpm，塑化温度为：
造粒尺寸为直径3.5mm×高度3mm的圆柱形粒子。
四、将脱水后的塑料粒子通过输送管道送入另一台高混机，并按照1.1%比例加入交联剂，以300rpm的转速搅拌1.5分钟。
五、将塑料粒子送入储存仓并称量包装
附表测试结果对表
由对比可以看出，本发明与现行标准相比，材料的体积电阻率下降5倍以上，热稳定性提高20倍以上。
本本发明克服了现有技术只用炭黑复合半导电屏蔽料因炭黑导电性不够理想及导电填料添加比例过大对电缆质量的影响问题，除显著提高半导电屏蔽料产品的导电性能外，还大幅改善了其热稳定性。

Claims (9)

1.一种炭黑、石墨烯为导电介质的功能化高分子复合材料，其特征在于，包括以下质量百分含量组成：乙烯-醋酸乙烯共聚物或聚乙烯55%～62%，导电炭黑23%～30%，石墨烯粉1%～5%，白油8%～12%，抗氧剂0.5%～1%，硬脂酸锌0.3%～1%，交联剂DCP0.6%～1.2%。
2.如权利要求1所述的炭黑、石墨烯为导电介质的功能化高分子复合材料，其特征在于，所述石墨烯粉的微片厚度不大于8μm。
3.如权利要求1所述的炭黑、石墨烯为导电介质的功能化高分子复合材料，其特征在于，所述炭黑的颗粒直径不大于50μm。
4.如权利要求1所述的炭黑、石墨烯为导电介质的功能化高分子复合材料，其特征在于，所述抗氧剂为4,4'-硫代双。
5.如权利要求1所述的炭黑、石墨烯为导电介质的功能化高分子复合材料，其特征在于，所述质量百分含量为：乙烯-醋酸乙烯共聚物55%、石墨烯粉1%、导电炭黑30%、白油12%、抗氧剂0.5%、硬脂酸锌0.3%。
6.如权利要求1所述的炭黑、石墨烯为导电介质的功能化高分子复合材料，其特征在于，所述质量百分含量为：聚乙烯59%、石墨烯粉3%、炭黑25.8%、白油10%、抗氧剂1%、硬脂酸锌0.6%。
7.如权利要求1所述的炭黑、石墨烯为导电介质的功能化高分子复合材料，其特征在于，所述质量百分含量为：乙烯-醋酸乙烯共聚物62%、石墨烯粉5%、炭黑22%、白油8%、抗氧剂0.9%、硬脂酸锌1%。
8.如权利要求1所述的高分子复合材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括：
第一步、混合，
a、将石墨烯粉先混溶到白油中；
b、将乙烯-醋酸乙烯共聚物或聚乙烯、导电炭黑粉体加入高混机搅拌2分钟；
c、将石墨烯粉与白油的混合溶液及抗氧剂4,4'-硫代双、硬脂酸锌加入到高混机，一起搅拌1-2分钟；
d、将高混机内初步混合的所有材料通过连接管道送入密炼机，在95-105℃温度下混炼10-12分钟；
第二步、塑化、造粒，
a、将密炼机内密炼好的材料通过单螺杆挤出机进行挤出造粒、水冷和脱水处理；
b、将脱水后的塑料粒子通过输送管道送入另一台高混机并按比例加入交联剂搅拌1-2分钟；
c、将塑料粒子送入储存仓并称量包装。
9.如权利要求1所述的高分子复合材料的制备方法，其特征在于，所述挤出造粒为圆柱形粒子，其直径为3.5mm、高度为3mm。
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