CN107652512A - 一种电缆绝缘材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电缆绝缘材料及其制备方法，该电缆绝缘材料包括以下重量份原材料制备而成：10‑20份的玄武岩纤维、0.001‑0.003份的石墨烯，10‑20份的乙烯基硅橡胶、50‑70份的聚乙烯、5‑12份的改性剂、0.1‑0.5份的交联剂；所述的改性剂包括质量比为2‑4︰1‑3的双氧水和有机酸；该电缆绝缘材料具有优异的绝缘性、耐高温性和耐击穿性，用于电缆，能显著提高电缆品质，使电缆能在更高温、高电压环境中应用。

Description

一种电缆绝缘材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及电缆材料领域，具体涉及一种电缆绝缘材料及其制备方法。

背景技术

电缆是用一根或多根导线经过绞合制作成导体线芯，再在导体上施以相应的绝缘层，外面包上密封护套而形成的导线，主要由线芯、绝缘层、屏蔽层和护套层构成。电缆具有占用地面和空间少；供电安全可靠，触电可能性小；有利于提高电力***的功率因数；运行、维护工作简单方便；有利于美化城市，具有保密性等诸多优点，被广泛应用于生活和生产中的各个领域。

电缆中绝缘层的作用是将线芯与大地以及不同相的线芯间在电气上彼此隔离，从而保证在输送电能时不发生相对地或相间击穿短路。经过实验和长期使用经验证明，高品质的电缆中，绝缘层的材料需要具有以下性能：耐压强度高；介质损耗角正切值低；耐电晕性能好；化学性能稳定；耐低温；耐热性能好；机械加工性能好；使用寿命长。现有的电缆绝缘材料大致可分为油浸纸、橡胶、聚乙烯、聚氯乙烯和交联聚乙烯等几大类，虽然能满足常规电缆的性能需求，但在用于制备特殊环境下使用的电缆时，其性能略显不足。

聚乙烯（简称PE）是乙烯经聚合制得的一种热塑性树脂，在工业上，也包括乙烯与少量α-烯烃的共聚物。聚乙烯无臭，无毒，手感似蜡，具有优良的耐低温性能（最低使用温度可达-100~-70°C），化学稳定性好，能耐大多数酸碱的侵蚀，且吸水性小，电绝缘性优良；但由于单一的聚乙烯树脂材料存在高温韧性差、不耐老化，易燃，不耐磨，击穿电压较低等缺陷，将其直接用于电缆的绝缘材料，并不能满足特殊环境条件下对电缆材料的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有用于电缆的聚乙烯绝缘材料存在的耐热性差、击穿电压低的缺陷，提供一种电缆绝缘材料及其制备方法；本发明先将玄武岩纤维进行改性处理，并负载极少量石墨烯，最后与聚乙烯混合改性，显著的提高了聚乙烯的绝缘性、耐高温性和耐电压击穿性，电缆品质显著提高，使电缆能在高温度、高电压环境中长期工作应用。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种电缆绝缘材料，包括以下重量份原材料制备而成：10-20份的玄武岩纤维、0.001-0.003份的石墨烯，10-20份的乙烯基硅橡胶、50-70份的聚乙烯、5-12份的改性剂、0.1-0.5份的交联剂。

本发明一种电缆绝缘材料，不仅利用玄武岩纤维的优异电性能和耐高温性，对聚乙烯进行改性处理，提高了聚乙烯的耐高温性和绝缘性；还将玄武岩纤维进行粗糙化处理，阻止击穿通道沿玄武岩纤维界面的快速生长，对提高绝缘材料的击穿电压有一定作用；并且，将极少量的石墨烯负载在玄武岩纤维表面，可有效阻止界面电晕和放电现象，降低击穿和电树枝化的可能，进而也对提高绝缘材料的电性能具有积极作用；因而，该电缆绝缘材料具有优异的绝缘性、耐高温性和耐击穿性，用于电缆，能显著提高电缆品质，使电缆能在更高温、高电压环境中应用。

上述一种电缆绝缘材料，其中，所述的改性剂包括质量比为2-4︰1-3的双氧水和有机酸；所述改性剂能快速对玄武岩纤维表面进行腐蚀、活化，形成粗糙表面，并接枝大量活性基团，不仅提高了玄武岩纤维对石墨烯的负载能力，提高了玄武岩纤维与乙烯基硅橡胶之间的化学键合和机械铆合能力，还能阻止击穿通道沿玄武岩纤维界面的快速生长，提高了绝缘材料的击穿电压；所述的机械铆合是指基体材料通过收缩应力包紧粗糙表面的纤维而产生的摩擦结合。

其中，所述的乙烯基硅橡胶对玄武岩纤维和聚乙烯的相容性都好，能增加无机材料与有机材料界面间的键接能力，降低电晕和电树枝化的发生概率。

其中，石墨烯的量需要控制在规定范围内，用量过大，绝缘材料电阻率大幅降低，绝缘性降低；用量过少，对绝缘材料改性作用小，作用效果不明显；优选的，所述的石墨烯用量为0.002份。

其中，所述的有机酸为甲酸、乙酸、乙二酸、丁烯二酸、丙烯酸中的一种或多种。

上述一种电缆绝缘材料，其中，所述的玄武岩纤维长度≤2mm，直径为1-5μm。

上述一种电缆绝缘材料，其中，所述的玄武岩纤维中包括有重量百分数为0.1-1.5%的纳米氧化铝，纳米氧化铝可以阻挡击穿通道的发展，提高玄武岩纤维的击穿强度；所述的纳米氧化铝的含量必须控制在规定范围内，其用量过大，会导致纳米氧化铝在电场作用中起主导作用，反而降低了玄武岩纤维的击穿强度，用量过少，所起的作用小，对玄武岩纤维的击穿强度增加作用小；优选的，所述的纳米氧化铝的重量百分比为0.5-1.2%。其中，优选的，所述的纳米氧化铝的直径为2-10nm；直径过大，相容性降低，对击穿通道的阻挡作用降低，直径过小，不利于分散。

其中，优选的，所述的纳米氧化铝为长径比为1.5-3︰1的氧化铝晶须；晶须能嵌入不同的晶相结构中，对击穿通道的阻挡作用更好；长径比太小，对击穿通道的阻挡作用差，长径比过大，容易发生缠绕或断裂，不利于对玄武岩纤维的改性。

上述一种电缆绝缘材料，其中，所述的玄武岩纤维中还包括0.6-2.8%的纳米二氧化硅，纳米二氧化硅能影响玄武岩纤维中晶相分布和大小，使玄武岩纤维中晶相分布更均匀，大小差异更小，使玄武岩纤维的耐电晕和电树枝化的性能更好；所述的纳米二氧化硅的含量必须控制在规定范围内，含量过大，纳米二氧化硅容易积聚，反而对玄武岩纤维中晶相的分布造成影响，使其耐电晕和电树枝化的性能降低，含量过小，对玄武岩纤维均匀性影响作用小；优选的，所述的纳米二氧化硅的重量百分比为1.2-2.1%。

其中，优选的，所述的纳米二氧化硅的粒径为5-20nm；粒径过大，玄武岩纤维中晶相直径大，对耐电晕和电树枝化增强作用降低；粒径过小，不利于分散。

其中，所述的交联剂为乙烯基三乙氧基硅烷；不仅能使聚乙烯与硅橡胶进行交联，形成三维网状结构，使材料结构更稳定，耐高温和耐腐蚀性能更强，还能改善玄武岩纤维与高分子材料之间的界面性，使电子不容易集聚，提高了材料的击穿电压。

为了实现上述发明目的，进一步的，本发明提供了一种电缆绝缘材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将玄武岩纤维用改性剂进行处理，得到改性玄武岩纤维；

（2）将石墨烯负载在改性玄武岩纤维上；

（3）将乙烯基硅橡胶与负载有石墨烯的改性玄武岩纤维混合挤出得到中间体；

（4）将中间体与聚乙烯、交联剂混合均匀后用挤出机进行挤出，得到电缆绝缘材料。

本发明一种电缆绝缘材料的制备方法，先对玄武岩纤维进行表面改性，提高玄武岩纤维的负载能力和界面性，再将负载石墨烯，有效阻止界面电晕和放电现象；最后通过与乙烯基硅橡胶的复合，使其与聚乙烯的相容性更好，从而使制备得到的绝缘材料具有更好的耐高温性和耐击穿性，用于电缆，能显著提高电缆品质，使电缆能在更高温、高电压环境中应用；该制备方法简单可靠，适合用于电缆绝缘材料的大规模、工业化生产。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明电缆绝缘材料中的玄武岩纤维具有粗糙表面，阻止击穿通道沿玄武岩纤维界面的快速生长，提高了绝缘材料的击穿电压。

2、本发明电缆绝缘材料中的玄武岩纤维负载有石墨烯，能有效阻止界面电晕和放电现象，降低材料被击穿和电树枝化的可能。

3、本发明电缆绝缘材料中的玄武岩纤维含有纳米氧化铝和纳米二氧化硅，其电性能更好。

4、本发明电缆绝缘材料绝缘性、耐高温性和耐电压击穿性好，使电缆能在高温度、高电压环境中长期工作应用。

5、本发明制备方法简单、可靠，适合电缆绝缘材料的大规模、工业化生产。

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。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

（1）将15份含有重量百分数为0.8%长径比为2︰1、直径为5nm的氧化铝晶须和1.6%的粒径为10nm纳米二氧化硅的玄武岩纤维用8份的包括质量比为3︰2的双氧水和乙酸进行处理，得到改性玄武岩纤维；

（2）将0.002份石墨烯均匀负载在改性玄武岩纤维上；

（3）将15份乙烯基硅橡胶与负载有石墨烯的改性玄武岩纤维混合挤出得到中间体；

（4）将中间体与60份聚乙烯、0.3份乙烯基三乙氧基硅烷混合均匀后用挤出机进行挤出，得到电缆绝缘材料。

实施例2

（1）将15份普通玄武岩纤维用8份的包括质量比为2︰1的双氧水和甲酸进行处理，得到改性玄武岩纤维；

（2）将0.002份石墨烯均匀负载在改性玄武岩纤维上；

（3）将15份乙烯基硅橡胶与负载有石墨烯的改性玄武岩纤维混合挤出得到中间体；

（4）将中间体与60份聚乙烯、0.3份乙烯基三乙氧基硅烷混合均匀后用挤出机进行挤出，得到电缆绝缘材料。

实施例3

（1）将10份含有重量百分数为0.1%长径比为1.5︰1、直径为10nm的氧化铝晶须和2.8%的粒径为2nm纳米二氧化硅的玄武岩纤维用5份的包括质量比为4︰1的双氧水和乙二酸、进行处理，得到改性玄武岩纤维；

（2）将0.001份石墨烯均匀负载在改性玄武岩纤维上；

（3）将20份乙烯基硅橡胶与负载有石墨烯的改性玄武岩纤维混合挤出得到中间体；

（4）将中间体与70份聚乙烯、0.1份乙烯基三乙氧基硅烷混合均匀后用挤出机进行挤出，得到电缆绝缘材料。

实施例4

（1）将20份含有重量百分数为1.5%长径比为3︰1、直径为2nm的氧化铝晶须和0.6%的粒径为20nm纳米二氧化硅的玄武岩纤维用12份的包括质量比为2︰3的双氧水和丁烯二酸进行处理，得到改性玄武岩纤维；

（2）将0.003份石墨烯均匀负载在改性玄武岩纤维上；

（3）将20份乙烯基硅橡胶与负载有石墨烯的改性玄武岩纤维混合挤出得到中间体；

（4）将中间体与50份聚乙烯、0.5份乙烯基三乙氧基硅烷混合均匀后用挤出机进行挤出，得到电缆绝缘材料。

对比例1

（1）将0.002份石墨烯均匀负载在15份含有重量百分数为0.8%长径比为2︰1、直径为5nm的氧化铝晶须和1.6%的粒径为10nm纳米二氧化硅的玄武岩纤维上；

（2）将15份乙烯基硅橡胶与负载有石墨烯的玄武岩纤维混合挤出得到中间体；

（3）将中间体与60份聚乙烯、0.3份乙烯基三乙氧基硅烷混合均匀后用挤出机进行挤出，得到电缆绝缘材料。

对比例2

（1）将15份含有重量百分数为0.8%长径比为2︰1、直径为5nm的氧化铝晶须和1.6%的粒径为10nm纳米二氧化硅的玄武岩纤维用8份的包括质量比为3︰2的双氧水和乙酸进行处理，得到改性玄武岩纤维；

（2）将15份乙烯基硅橡胶与改性玄武岩纤维混合挤出得到中间体；

（3）将中间体与60份聚乙烯、0.3份乙烯基三乙氧基硅烷混合均匀后用挤出机进行挤出，得到电缆绝缘材料。

对比例3

（1）将15份含有重量百分数为0.8%长径比为2︰1、直径为5nm的氧化铝晶须和1.6%的粒径为10nm纳米二氧化硅的玄武岩纤维用8份的包括质量比为3︰2的双氧水和乙酸进行处理，得到改性玄武岩纤维；

（2）将0.005份石墨烯均匀负载在改性玄武岩纤维上；

（3）将15份乙烯基硅橡胶与负载有石墨烯的改性玄武岩纤维混合挤出得到中间体；

（4）将中间体与60份聚乙烯、0.3份乙烯基三乙氧基硅烷混合均匀后用挤出机进行挤出，得到电缆绝缘材料。

对比例4

（1）将0.002份石墨烯与15份乙烯基硅橡胶混合挤出得到中间体；

（2）将中间体与60份聚乙烯、0.3份乙烯基三乙氧基硅烷混合均匀后用挤出机进行挤出，得到电缆绝缘材料。

将上述实施例1-4和对比例1-4中的电缆绝缘材料，进行性能检测，记录数据如下：

编号	击穿强度（KV/mm）	阻燃性	耐高温（℃）
				实施例1	≥50	++++	≤140
实施例2	≥45	++++	≤140
				实施例3	≥50	++++	≤140
实施例4	≥50	++++	≤140
				对比例1	≥40	++++	≤130
对比例2	≥35	++++	≤140
				对比例3	≥10	++++	≤140
对比例4	≥20	+	≤110

注：“+”越多，表示性能越好。

对上述实验数据分析可知，实施例1-4中制备得到的本发明电缆绝缘材料，耐高温性能好，阻燃性好，击穿电压高；而对比例1-4中，未采用本发明技术方案得到的电缆绝缘材料性能显著降低。

Claims (10)

1.一种电缆绝缘材料，其特征在于，包括以下重量份原材料制备而成：10-20份的玄武岩纤维、0.001-0.003份的石墨烯，10-20份的乙烯基硅橡胶、50-70份的聚乙烯、5-12份的改性剂、0.1-0.5份的交联剂；所述的改性剂包括质量比为2-4︰1-3的双氧水和有机酸。

2.根据权利要求1所述的电缆绝缘材料，其特征在于，所述的有机酸为甲酸、乙酸、乙二酸、丁烯二酸、丙烯酸中的一种或多种。

3.根据权利要求2所述的电缆绝缘材料，其特征在于，所述的玄武岩纤维中包括有重量百分数为0.1-1.5%的纳米氧化铝。

4.根据权利要求2所述的电缆绝缘材料，其特征在于，所述的纳米氧化铝的直径为2-10nm。

5.根据权利要求2所述的电缆绝缘材料，其特征在于，所述的纳米氧化铝为长径比为1.5-3︰1的氧化铝晶须。

6.根据权利要求1所述的电缆绝缘材料，其特征在于，所述的玄武岩纤维中还包括0.6-2.8%的纳米二氧化硅。

7.根据权利要求6所述的电缆绝缘材料，其特征在于，所述的纳米二氧化硅的重量百分比为1.2-2.1%。

8.根据权利要求6所述的电缆绝缘材料，其特征在于，所述的纳米二氧化硅的粒径为5-20nm。

9.根据权利要求1所述的电缆绝缘材料，其特征在于，所述的交联剂为乙烯基三乙氧基硅烷。

10.一种权利要求1-9任一项所述电缆绝缘材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将玄武岩纤维用改性剂进行处理，得到改性玄武岩纤维；

（2）将石墨烯负载在改性玄武岩纤维上；

（3）将乙烯基硅橡胶与负载有石墨烯的改性玄武岩纤维混合挤出得到中间体；

（4）将中间体与聚乙烯、交联剂混合均匀后用挤出机进行挤出，得到电缆绝缘材料。