CN107564608B - 一种热交联电缆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力电缆，包括导电芯，在所述导电芯表面依次包覆的第一绝缘层、第二绝缘层和外壳层；第一绝缘层、第二绝缘层和外壳层的厚度之比1:3‑5:1‑2；其中第一绝缘层采用以下重量份混合原料制成：聚乙烯50份、聚丙烯10‑20份、聚乙烯醇5‑10份、BPO 0.1‑0.3份；所述第二绝缘层采用以下重量份混合原料制成：聚乙烯10‑30份、聚丙烯10‑50份和硅烷偶联剂1‑5份；所述外壳层采用以下重量份混合原料制成：丁腈橡胶50份、聚乙烯10‑15份、蒙脱石2‑4份、氧化镁1‑3份、硬脂酸镁1‑3份、硅烷2‑5份。本发明电缆第一绝缘层采用预先加热结合第一绝缘层的材料融化基础到导电芯上共同激发，交联效果好，电缆性质增强显著。

Description

一种热交联电缆

技术领域

本发明涉及一种线缆材料，特别涉及一种电力电缆材料，属于电力传输领域。

背景技术

电力电缆，由一根或多跟相互绝缘的导体和外包绝缘保护层制成，用于将电力从一处传输到另一处的导线。电力电缆以其特有的保护绝缘层结构常常被应用于城市低下电网的铺设，电力电缆应用的环境大多较为封闭，对于电力电缆的性能指标要求极高，对于各项性能的要求指标也多种多样，比如拉伸强度、耐高温性能、阻燃性能等。对于高标准要求的低下电力电缆的应用情况，需要针对于需要特别优化设计才能实现电缆性能符合预期。

现有的电力电缆能否充分的发挥出其作为电力传输的承载，必须确保电缆的承载能力足够强大，能够耐受高温、高压，保持长时间不间断工作的安全稳定性。特别是各地用电量大幅度增加，对于电缆品质的要求更是大幅度提高。要求电缆中传输电压和电流都不断升高变大，并且不能有过大的发热和安全风险。

要保持电缆的良好稳定品质，就必须对电缆的结构和绝缘层材料进行必要的优化调整。现有的电缆技术大多基于堆叠绝缘材料实现更高的绝缘性能，这必然增大电缆材料的生产成本，不利于节约资源。

另外，如果电缆设计的时候，由于选材配合不当，会出现材料快速老化的问题，使得线缆的应用风险大幅度增加，必须增加监察力度才能保证各种安全指标符合规定。这样的线缆应用本身是高成本，低效率的，不利于电缆铺设后的安全稳定运营，增加了运营维护的成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中电缆性能要求高，选材不当导致制造成本高，性能不佳的问题，提供一种电力电缆。本发明的电力电缆具有强度高、耐磨性好、抗老化能力强的特点，可以更好的应用于各种恶劣环境工况中。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种电力电缆，包括导电芯，在所述导电芯表面依次包覆的第一绝缘层、第二绝缘层和外壳层。第一绝缘层、第二绝缘层和外壳层的厚度之比1:3-5:1-2。其中第一绝缘层采用以下重量份混合原料制成：聚乙烯50份、聚丙烯10-20份、聚乙烯醇5-10份、BPO（过氧化二苯甲酰）0.1-0.3份。所述第二绝缘层采用以下重量份混合原料制成：聚乙烯10-30份、聚丙烯10-50份和硅烷偶联剂1-5份。所述外壳层采用以下重量份混合原料制成：丁腈橡胶50份、聚乙烯10-15份、蒙脱石2-4份、氧化镁1-3份、硬脂酸镁1-3份、硅烷2-5份。

本发明电力电缆的绝缘层被分成了第一绝缘层、第二绝缘层和外壳层，第一绝缘层采用BPO作为引发交联剂，BPO引发交联的时候，由导电芯预先加热结合第一绝缘层的材料融化基础到导电芯上共同激发，聚乙烯和聚丙烯交联效果好，特别是导电芯表面接触的树脂交联反应更强，使得导电芯能够被第一绝缘层充分包覆实现紧密稳定结合。然后，第二绝缘层采用硅烷偶联剂复配形成主要的绝缘层结构，硅烷偶联剂和其余树脂材料缓慢长期连续交联，实现稳固的交联反应。

然后，电力电缆的外壳层选用了丁腈橡胶为主要成分，配合聚乙烯、蒙脱石、氧化镁、硬脂酸镁、硅烷进行改性，聚乙烯增强外壳层和第二绝缘层的结合性能，蒙脱石、氧化镁增强材料的耐压性能，并且氧化镁可以吸收紫外线，在电缆暴露的情况下，保持电缆的绝缘层的抗老化性能，保持电缆应用安全性。硬脂酸镁可以促进电缆最后成型的挤出，实现电缆形貌更好的控制作用。通过以上多层电缆结构层的设计，既可以保证电缆的加工制备性能，又可以保持电缆的应用品质，在较低的电缆制备原料层厚度设计的情况下，实现更好的电缆性能。

进一步，第一绝缘层、第二绝缘层和外壳层的厚度之比1:4-5:1-2。电力电缆第一绝缘层和外壳层起到特定的性能改进作用，而第二绝缘层主要提供绝缘性能，第二绝缘层厚度较厚，绝缘性能较为突出优秀。

进一步，第一绝缘层采用以下重量份混合原料制成：聚乙烯50份、聚丙烯12-15份、聚乙烯醇5-8份、BPO（过氧化二苯甲酰）0.2-0.3份。

进一步，第二绝缘层中，所述硅烷偶联剂是甲硅烷、乙硅烷或丙硅烷中的一种或几种。优选地，所述硅烷偶联剂是甲硅烷：乙硅烷=1-3:3-1的混合硅烷。混合硅烷具有更好的协同适应性，可以对第二绝缘层的表面结合第一绝缘层以及外壳层提供更多的交联结合，使得电缆绝缘层的整体品质提升，对于拉伸强度、结构致密度等都具有良好的促进作用。进一步，所述氧化镁是纳米氧化镁，粒径100-500nm。氧化镁添加到壳层中可以吸收紫外线，抑制电缆的氧化老化，增强电缆的耐久性，特别选用纳米级别的氧化镁性能增强更加突出优秀，可以减少氧化镁的用量，避免氧化镁用量过大导致电缆树脂层的强度降低。

进一步，所述导电芯为铜芯导线，优选为无氧紫铜作为导电芯。铜芯导电性能好，电力传输能力强，其中无氧紫铜纯度高，杂志影响更小。

进一步，所述外壳层原料中，硅烷是甲硅烷、乙硅烷或丙硅烷中的一种或几种。优选地，所述硅烷是甲硅烷或乙硅烷。

进一步，所述外壳层中还添加有复合阻燃添加剂，所述复合阻燃添加剂的用量为外壳层重量的2-5%。

优选地，所述复合阻燃添加剂是磷酸二氢铵、磷酸一氢铵、碳酸铵、氢氧化铝、硬脂酸锌和纳米级石灰石粉中的一种或几种。更优选地，所述复合阻燃添加剂是磷酸二氢铵、碳酸铵、氢氧化铝、硬脂酸锌、石灰石粉的组合物，其重量份比例为：磷酸二氢铵：碳酸铵：氢氧化铝：硬脂酸锌：石灰石粉=20:10-30:10-16:2-10:5-10。采用上述多种成分组成的复合阻燃添加剂成分应用了磷酸二氢铵和碳酸铵的具有强烈的受热分解阻燃的作用，配合氢氧化铝和硬脂酸锌提供碱性环境和离子捕捉作用，对于电缆意外被引燃的情况可以快速的抑制燃烧，引燃部分自动熄灭。相比于现有的一般的阻燃剂成分应用的效果更好，可以在降低阻燃剂用量的同时实现增强阻燃效果。由于复合阻燃剂的应用总量较少，使得壳层本身的强度能够更好的保持稳定，避免添加过多的阻燃剂引起绝缘层自身强度的快速衰减，以及容易为外力破坏的缺陷。

复合阻燃添加剂采用以下方式准备：球磨机研磨成粉末，研磨的过程中用乙醇浸泡，研磨时间5-30分钟，研磨完成以后，添加十二烷基苯磺酸钠1-3wt%（相对于复合阻燃添加剂总质量），剧烈搅拌1-5min，优选搅拌转速≥1200r/min，最好是≥2000r/min。20-40℃减压蒸发除去乙醇，得到复合阻燃添加剂。次复合阻燃添加剂在壳层挤出成型的时候，添加到融化的聚氯乙烯和/或聚乙烯原料中，和聚乙烯/聚氯乙烯一同成型为电缆的壳层。本发明的阻燃剂经过球磨机预先制备处理，添加十二烷基苯磺酸钠使得阻燃剂混合成均匀，多种相互促进的阻燃剂成分能够均匀的分散在一起，使得阻燃剂的协同效果更佳，也更容易添加应用到壳层树脂原料中。

本发明同时还提供了一种制备上述电缆的方法，包括以下步骤：

（1）将导电芯加热至70-90℃，输送到第一挤出成型段，利用第一绝缘层原料混合物熔化料挤出附着形成第一绝缘层，红外线加热炉中加热至100℃以上，保持5-10秒。

（2）在第一绝缘层上形成后，连续输送第二挤出成型段，利用第二绝缘层原料混合物熔化料挤出附着形成第二绝缘层。

（3）在第二绝缘层上，连续挤出形成外壳层，外壳层的物料挤出后，采用50-60℃热风处理，控制电缆的温度降低速度，使得电缆在2-4分钟内降低至50℃以下。

本发明制备电缆的方法中预先将导电芯预加热至70-80℃，进而第一绝缘层在挤出成型的时候，融化料和导电芯接触的时候能够保持较高的温度，充分发生交联反应，并且在第一绝缘层挤出完成以后，采用红外线加热炉中加热确保第一绝缘层的充分交联反应，在后续的应用中电缆的最内层绝缘层致密品质好。然后连续形成第二绝缘层和外壳层，外壳层采用了丁腈橡胶和其他多种添加剂，实现耐紫外线、抗老化、耐电压的性能，由于添加了多种无机物料，为了使物料充分发挥作用，形成良好的最外层壳层性能满足预期，特别设计了热风处理，控制电缆温度降低速度，使得电缆在2-4分钟内降低至50℃以下。最终电力电缆的整体材料中各个部分的配合关系密切，所能实现的电力输送性能，拉伸强度、撕裂强度、浸油拉伸强度等得到改善，满足特殊应用环境的要求。

进一步，步骤1中，将导电芯加热至80-90℃。预先将导电芯加热到较高的温度，导电芯表面结合的第一绝缘层的性能更加优秀。优选地，导电芯预先加热至80-88℃，第一绝缘层中BPO引发聚合的效果最佳。

进一步，步骤3，使得电缆在2-3分钟内降低至50℃以下。控制电缆壳层的降温速度，也可以对于第一绝缘层和第二绝缘层的温度降低变化实现控制调整，最终实现电缆的性质提升改善。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1. 本发明电缆第一绝缘层采用BPO作为引发交联剂，导电芯预先加热结合第一绝缘层的材料融化基础到导电芯上共同激发，聚乙烯和聚丙烯交联效果好，特别是导电芯表面接触的树脂交联反应更强，使得导电芯能够被第一绝缘层充分包覆实现紧密稳定结合。

2. 本发明电缆的第一绝缘层和第二绝缘层树脂材料配合性好，在第二绝缘层采用硅烷偶联剂复配的情况下，树脂材料缓慢固话交联，交联效果好，绝缘层的性能突出。

3. 本发明电缆的外壳层选用了丁腈橡胶为主要成分，配合聚乙烯、蒙脱石、氧化镁、硬脂酸镁、硅烷进行改性，多种成分复配以后，外壳层的性能增强显著，特别是对于某些异常影响因素的抵抗耐受性能提升突出，能够更好的保持电缆材料的整体活性性能提升改善。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

实施例1

电力电缆，包括导电芯和在所述导电芯表面依次包覆的第一绝缘层、第二绝缘层和外壳层。第一绝缘层、第二绝缘层和外壳层的厚度之比1:3:1。其中第一绝缘层采用以下重量份混合原料制成：聚乙烯50份、聚丙烯15份、聚乙烯醇5份、BPO 0.2份。所述第二绝缘层采用以下重量份混合原料制成：聚乙烯30份、聚丙烯50份和甲硅烷1份。所述外壳层采用以下重量份混合原料制成：丁腈橡胶50份、聚乙烯10份、蒙脱石2份、氧化镁3份、硬脂酸镁3份、硅烷3份。

实施例2

电力电缆，包括导电芯和在所述导电芯表面依次包覆的第一绝缘层、第二绝缘层和外壳层。第一绝缘层、第二绝缘层和外壳层的厚度之比1:5:2。其中第一绝缘层采用以下重量份混合原料制成：聚乙烯50份、聚丙烯20份、聚乙烯醇10份、BPO 0.3份。所述第二绝缘层采用以下重量份混合原料制成：聚乙烯10份、聚丙烯40份和乙硅烷5份。所述外壳层采用以下重量份混合原料制成：丁腈橡胶50份、聚乙烯15份、蒙脱石4份、氧化镁1份、硬脂酸镁1份、硅烷2份。

对比例1

电力电缆，同实施例3，只是不设置第一绝缘层，直接不知第二绝缘层和外壳层。

对比例2

电力电缆，第一绝缘层和第二绝缘层同实施例3，只是外壳层采用聚乙烯制成。

实施例3

电力电缆，包括导电芯和在所述导电芯表面依次包覆的第一绝缘层、第二绝缘层和外壳层。第一绝缘层、第二绝缘层和外壳层的厚度之比1:4:1。其中第一绝缘层采用以下重量份混合原料制成：聚乙烯50份、聚丙烯20份、聚乙烯醇10份、BPO 0.2份。所述第二绝缘层采用以下重量份混合原料制成：聚乙烯20份、聚丙烯30份和乙硅烷2份。所述外壳层采用以下重量份混合原料制成：丁腈橡胶50份、聚乙烯10份、蒙脱石2份、氧化镁2份、硬脂酸镁3份、硅烷3份。

实施例4

准备各层材料的混合物料：

第一绝缘层原料混合物，按照以下重量份取原料：聚乙烯50份、聚丙烯10-20份、聚乙烯醇5-10份、BPO0.1-0.3份，将混合物料在第一成型段中加热融化，待挤出于导电芯表面形成第一绝缘层。

第二绝缘层原料混合物，按照以下重量份取原料：聚乙烯30份、聚丙烯40份和甲硅烷1份，乙硅烷1份。

外壳层原料混合物，按照以下重量份取原料：丁腈橡胶50份、聚乙烯12份、蒙脱石3份、纳米氧化镁（100-300nm）2份、硬脂酸镁2份、硅烷4份。

将99.99%纯铜电芯加热至85℃，输送到第一挤出成型段，利用第一绝缘层原料混合物熔化料挤出附着形成第一绝缘层，红外线加热炉中加热至100℃以上，保持8秒。在第一绝缘层上形成后，连续输送第二挤出成型段，利用第二绝缘层原料混合物熔化料挤出附着形成第二绝缘层。最后，在第二绝缘层上，连续挤出形成外壳层，外壳层的物料挤出后，采用55℃热风处理，控制电缆的温度降低速度，使得电缆在3分钟内降低至50℃以下。

实施例5

准备各层材料的混合物料：

第一绝缘层原料混合物，按照以下重量份取原料：聚乙烯50份、聚丙烯15份、聚乙烯醇8份、BPO 0.3份，将混合物料在第一成型段中加热融化，待挤出于导电芯表面形成第一绝缘层。

第二绝缘层原料混合物，按照以下重量份取原料：聚乙烯30份、聚丙烯50份和丙硅烷5份。

外壳层原料混合物，按照以下重量份取原料：丁腈橡胶50份、聚乙烯10份、蒙脱石2份、氧化镁3份、硬脂酸镁2份、硅烷3份。

将导电芯加热至80℃，输送到第一挤出成型段，利用第一绝缘层原料混合物熔化料挤出附着形成第一绝缘层，红外线加热炉中加热至105℃以上，保持5秒。第一绝缘层的加工制备前导电芯被预先加热，成型后被再次红外线加热，使得第一绝缘层能够充分的交联反应，第一绝缘层的绝缘性能和机械强度增强显著。在第一绝缘层上形成后，连续输送第二挤出成型段，利用第二绝缘层原料混合物熔化料挤出附着形成第二绝缘层。最后，在第二绝缘层上，连续挤出形成外壳层，外壳层的物料挤出后，采用60℃热风处理，控制电缆的温度降低速度，使得电缆在4分钟内降低至50℃以下。通过本发明的工艺方法将第一绝缘层、第二绝缘层和外壳层依次成型，特别是第一绝缘层的成型效果好，具有高绝缘性和高机械强度。并且第一绝缘层和第二绝缘层的配合粘接部分紧密结合，整体的绝缘层的耐高压属性突出，并且电缆包覆的绝缘层的稳定性好，能够更好的耐受异常的拖、拉、拽等人为因素破坏，保持良好的安装、使用可靠性和安全性。

对比例3

实施过程同实施例5，只是最后物料不采用热风处理，任由电缆自然降温。

实施例6

准备各层材料的混合物料：

第一绝缘层原料混合物，按照以下重量份取原料：聚乙烯50份、聚丙烯20份、聚乙烯醇10份、BPO 0.3份，将混合物料在第一成型段中加热融化，待挤出于导电芯表面形成第一绝缘层。

第二绝缘层原料混合物，按照以下重量份取原料：聚乙烯20份、聚丙烯40份和硅烷偶联剂4份。

外壳层原料混合物，按照以下重量份取原料：丁腈橡胶50份、聚乙烯10份、蒙脱石4份、氧化镁3份、硬脂酸镁2份、硅烷4份。

准备复合阻燃添加剂：取磷酸二氢铵20g、碳酸铵15g、氢氧化铝13g、硬脂酸锌7g、石灰石粉10g，混合，加入球磨机中研磨，乙醇浸泡保护，研磨时间5-30分钟，研磨完成以后，添加十二烷基苯磺酸钠1.3g，剧烈搅拌1-5min，25℃减压蒸发除去乙醇，得到复合阻燃添加剂。

将导电芯加热至88℃，输送到第一挤出成型段，利用第一绝缘层原料混合物熔化料挤出附着形成第一绝缘层，红外线加热炉中加热至100℃以上，保持10秒。在第一绝缘层上形成后，连续输送第二挤出成型段，利用第二绝缘层原料混合物熔化料挤出附着形成第二绝缘层。最后，将外壳层的混合物料加热融化，加入3wt%复合阻燃添加剂，然后在第二绝缘层上，连续挤出形成外壳层，外壳层的物料挤出后，采用60℃热风处理，控制电缆的温度降低速度，使得电缆在4分钟内降低至50℃以下。在制备过程中，应当特别注意各个工艺步骤之间的相互配合，避免挤出成型各层的时候出现抵触，应当严格按照本发明的设计参数等进行制备，确保电缆能够有效的成型结合到一起。经过阻燃测试，本实施例的电缆阻燃性能优良，即使用明火引燃也可以在30s内自动熄灭，具有良好的阻燃抗燃烧性能。

测试

	拉伸强度	撕裂强度	油浸48h拉伸强度变化率
				实施例1	46.8	75	-4%
实施例2	50.2	71	-2%
				对比例1	30.5	53	-8%
对比例2	24.3	43.1	-7%
				实施例3	48.9	88.9	-1.2%
实施例4	62.3	98.6	-0.8%
				实施例5	58.9	94.5	-2.1%
对比例3	34.5	67.4	-6.5%
				实施例6	87.5	84.2	-0.7%

本发明的实施例6制备的电缆虽然对于外壳层添加应用了一定的复合阻燃添加剂成分，但是其结构强度却没有降低，反而相对其他实施例具有更高的拉伸强度。这主要是因为其第一绝缘层和第二绝缘层的加工过程控制更佳，导电芯先经过了充分的预热处理。第一绝缘层和电缆结合性能好，然后电缆料第一绝缘层和第二绝缘层具备了突出的机械性能，而且外壳层添加应用的复合阻燃添加剂成分协同配合性能好。经过研磨分散均匀，添加到外壳层中同步成型的时候，不但不降低外壳层的强度，还能够增强外壳层的表面平滑度，减少外壳层的表面缺陷，最终使得电缆整体的强度极佳，并兼具良好的拉伸强度，撕裂强度并非所有实施例中最优的，这和复合阻燃添加剂的应用有一定的联系，但结合实际应用的要求，依然满足电缆铺设的应用环境要求。

以上实施例只是本发明较佳的实施方案之一，并不作为对本发明技术方案的限制，凡基于本发明思路所实现的技术均属于本发明的范围。

Claims (4)

1.一种电力电缆，其特征在于，包括导电芯，在所述导电芯表面依次包覆的第一绝缘层、第二绝缘层和外壳层；

第一绝缘层、第二绝缘层和外壳层的厚度之比1:3-5:1-2；

其中第一绝缘层采用以下重量份混合原料制成：聚乙烯50份、聚丙烯10-20份、聚乙烯醇5-10份、BPO 0.1-0.3份；

所述第二绝缘层采用以下重量份混合原料制成：聚乙烯10-30份、聚丙烯10-50份和硅烷偶联剂1-5份；

所述外壳层采用以下重量份混合原料制成：丁腈橡胶50份、聚乙烯10-15份、蒙脱石2-4份、氧化镁1-3份、硬脂酸镁1-3份、硅烷2-5份；外壳层中还添加有复合阻燃添加剂，所述复合阻燃添加剂的用量为 外壳层重量的2-5%，所述复合阻燃添加剂是磷酸二氢铵、碳酸铵、氢氧化铝、硬脂酸锌、石灰石粉的组合物，其重量份比例为：磷酸二氢铵：碳酸铵：氢氧化铝：硬脂酸锌：石灰石粉=20:10-30:10-16:2-10:5-10。

2.一种制备权利要求1所述的电力电缆的方法，包括以下步骤：

（1）将导电芯加热至70-90℃，输送到第一挤出成型段，利用第一绝缘层原料混合物熔化料挤出附着形成第一绝缘层，红外线加热炉中加热至100℃以上，保持5-10秒；

（2）在第一绝缘层形成后，连续输送第二挤出成型段，利用第二绝缘层原料混合物熔化料挤出附着形成第二绝缘层；

（3）在第二绝缘层上，连续挤出形成外壳层，外壳层的物料挤出后，采用50-60℃热风处理，控制电缆的温度降低速度，使得电缆在2-4分钟内降低至50℃以下。

3.如权利要求2所述制备方法，其特征在于，步骤1中，将导电芯加热至80-90℃。

4.如权利要求2所述制备方法，其特征在于，步骤3，使得电缆在2-3分钟内降低至50℃以下。