CN107805331A - 一种电缆绝缘材料及其制备方法 - Google Patents

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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：0.2‑0.5份的纳米氧化铝、5‑10份的多孔陶瓷、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、0.5‑1份的偶联剂、0.1‑0.5份的交联剂；该电缆绝缘材料将经过改性处理的纳米氧化铝颗粒添加到聚乙烯中进行混合交联改性，显著的提高了聚乙烯的击穿电压，该改性聚乙烯材料可用于高压电缆中。

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；本发明将经过改性处理的纳米氧化铝颗粒添加到聚乙烯中进行混合交联改性，显著的提高了聚乙烯的击穿电压，该改性聚乙烯材料可用于高压电缆中。
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：0.2-0.5份的纳米氧化铝、5-10份的多孔陶瓷、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、0.5-1份的偶联剂、0.1-0.5份的交联剂。
本发明一种电缆绝缘材料，将纳米氧化铝和石墨烯负载在多孔陶瓷上，再用乙烯基硅橡胶进行包覆，最后与聚乙烯进行混合交联，使多孔陶瓷-乙烯基硅橡胶体系均匀分散在交联聚乙烯中，能有效减少聚乙烯的电树枝化和电晕现象，提高聚乙烯的击穿电压，使该改性聚乙烯材料可用于高压电缆中。
上述一种电缆绝缘材料，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，所述的乙烯基硅橡胶对多孔陶瓷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。
上述一种电缆绝缘材料，其中，优选的，所述的纳米氧化铝的粒径为2-10nm；直径过大，不能负载在多孔陶瓷颗粒的孔洞中；直径过小，不利于分散。
上述一种电缆绝缘材料，其中，所述的多孔陶瓷粒径为0.1-2μm；粒径过大，在体系中相容性差，容易产生界面裂缝；粒径过小，不能负载纳米氧化铝。
其中，所述的多孔陶瓷颗粒的孔隙率为20-40%；孔隙率过大，孔洞多，空气含量大，在生产过程中容易使聚乙烯内部产生气泡，反而降低击穿电压；孔隙率过小，不能完全负载纳米氧化铝颗粒。
其中，所述的多孔陶瓷的孔径为20-50nm；孔径太大，纳米氧化铝负载不均匀，易堆积，对材料击穿电压有影响；孔径过小，纳米氧化铝不能进入孔洞。
上述一种电缆绝缘材料，其中，所述的偶联剂为硅烷偶联剂；硅烷偶联剂能增加玄武岩纤维与高分子材料之间的相容性，提高绝缘层材料的电性能。
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）将多孔陶瓷用偶联剂进行处理；
（2）将石墨烯和纳米氧化铝负载在多孔陶瓷上；
（3）用乙烯基硅橡胶对负载有石墨烯和纳米氧化铝的多孔陶瓷进行包覆得到中间体；
（4）将中间体与聚乙烯、交联剂混合均匀后用挤出机进行交联挤出，得到电缆绝缘材料。
本发明一种电缆绝缘材料的制备方法，先对多孔陶瓷进行表面处理，增加其与高分子材料的相容性，再石墨烯和纳米氧化铝负载在多孔陶瓷中；然后用乙烯基硅橡胶对多孔陶瓷进行包覆，填充孔洞，形成多孔陶瓷-乙烯基硅橡胶体系，最后与聚乙烯进行交联混合，从而使制备得到的绝缘材料击穿电压显著提高，可用于高压电缆的制备；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。
上述一种电缆绝缘材料的制备方法中，优选的，步骤3在负压条件中进行包覆；负压条件下，多孔陶瓷中的空气会自动溢出，从而使乙烯基硅橡胶填充进入孔洞，形成实心结构，减小了空气的存在使击穿电压降低的影响。
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多孔陶瓷-乙烯基硅橡胶体系均匀分散在交联聚乙烯中，能有效减少聚乙烯的电树枝化和电晕现象，提高聚乙烯的击穿电压。
2、本发明制备方法在负压条件下对多孔陶瓷进行包覆，多孔陶瓷中的空气会自动溢出，形成实心结构，减小了空气的存在使击穿电压降低的影响。
3、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8份的粒径为1μm、孔隙率为25%、孔径为35nm多孔陶瓷用0.8份的硅烷偶联剂进行处理；
（2）将0.002份的石墨烯和0.3份的粒径为5nm纳米氧化铝负载在多孔陶瓷上；
（3）用15份的乙烯基硅橡胶对负载有石墨烯和纳米氧化铝的多孔陶瓷在负压条件下进行包覆得到中间体；
（4）将中间体与60份的聚乙烯、0.3份乙烯基三乙氧基硅混合均匀后用挤出机进行交联挤出，得到电缆绝缘材料。
实施例2
（1）将5份的粒径为2μm、孔隙率为40%、孔径为50nm多孔陶瓷用0.5份的硅烷偶联剂进行处理；
（2）将0.003份的石墨烯和0.2份的粒径为10nm纳米氧化铝负载在多孔陶瓷上；
（3）用10份的乙烯基硅橡胶对负载有石墨烯和纳米氧化铝的多孔陶瓷在负压条件下进行包覆得到中间体；
（4）将中间体与50份的聚乙烯、0.1份乙烯基三乙氧基硅混合均匀后用挤出机进行交联挤出，得到电缆绝缘材料。
实施例3
（1）将10份的粒径为0.1μm、孔隙率为20%、孔径为20nm多孔陶瓷用1份的硅烷偶联剂进行处理；
（2）将0.001份的石墨烯和0.5份份的粒径为2nm纳米氧化铝负载在多孔陶瓷上；
（3）用20份的乙烯基硅橡胶对负载有石墨烯和纳米氧化铝的多孔陶瓷在负压条件下进行包覆得到中间体；
（4）将中间体与70份的聚乙烯、0.5份乙烯基三乙氧基硅混合均匀后用挤出机进行交联挤出，得到电缆绝缘材料。
实施例4
（1）将8份的粒径为5μm、孔隙率为50%、孔径为60nm多孔陶瓷用0.8份的硅烷偶联剂进行处理；
（2）将0.002份的石墨烯和0.3份的粒径为15nm纳米氧化铝负载在多孔陶瓷上；
（3）用15份的乙烯基硅橡胶对负载有石墨烯和纳米氧化铝的多孔陶瓷在负压条件下进行包覆得到中间体；
（4）将中间体与60份的聚乙烯、0.3份乙烯基三乙氧基硅混合均匀后用挤出机进行交联挤出，得到电缆绝缘材料。
对比例1
（1）将8份的粒径为1μm、孔隙率为25%、孔径为35nm多孔陶瓷用0.8份的硅烷偶联剂进行处理；
（2）将0.3份的粒径为5nm纳米氧化铝负载在多孔陶瓷上；
（3）用15份的乙烯基硅橡胶对负载有石墨烯和纳米氧化铝的多孔陶瓷在负压条件下进行包覆得到中间体；
（4）将中间体与60份的聚乙烯、0.3份乙烯基三乙氧基硅混合均匀后用挤出机进行交联挤出，得到电缆绝缘材料。
对比例2
（1）将8份的粒径为1μm、孔隙率为25%、孔径为35nm多孔陶瓷用0.8份的硅烷偶联剂进行处理；
（2）将0.002份的石墨烯负载在多孔陶瓷上；
（3）用15份的乙烯基硅橡胶对负载有石墨烯和纳米氧化铝的多孔陶瓷在负压条件下进行包覆得到中间体；
（4）将中间体与60份的聚乙烯、0.3份乙烯基三乙氧基硅混合均匀后用挤出机进行交联挤出，得到电缆绝缘材料。
对比例3
（1）用15份的乙烯基硅橡胶将0.002份的石墨烯和0.3份的粒径为5nm纳米氧化铝进行包覆得到中间体；
（2）将中间体与60份的聚乙烯、0.3份乙烯基三乙氧基硅混合均匀后用挤出机进行交联挤出，得到电缆绝缘材料。
对比例4
（1）将8份的粒径为1μm、孔隙率为25%、孔径为35nm多孔陶瓷用0.8份的硅烷偶联剂进行处理；
（2）将0.005份的石墨烯和0.3份的粒径为5nm纳米氧化铝负载在多孔陶瓷上；
（3）用15份的乙烯基硅橡胶对负载有石墨烯和纳米氧化铝的多孔陶瓷在负压条件下进行包覆得到中间体；
（4）将中间体与60份的聚乙烯、0.3份乙烯基三乙氧基硅混合均匀后用挤出机进行交联挤出，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 击穿电压（KV/mm）
实施例1 ≥56
实施例2 ≥55
实施例3 ≥57
实施例4 ≥53
对比例1 ≥34
对比例2 ≥42
对比例3 ≥23
对比例4 ≥36
交联聚乙烯 ≥32
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，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击穿电压显著降低。

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：0.2-0.5份的纳米氧化铝、5-10份的多孔陶瓷、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、0.5-1份的偶联剂、0.1-0.5份的交联剂。
2.根据权利要求1所述的电缆绝缘材料，其特征在于，所述的石墨烯重量份为0.002份。
3.根据权利要求1所述的电缆绝缘材料，其特征在于，所述的纳米氧化铝的粒径为2-10nm。
4.根据权利要求1所述的电缆绝缘材料，其特征在于，所述的多孔陶瓷颗粒的孔隙率为20-40%。
5.根据权利要求1所述的电缆绝缘材料，其特征在于，所述的多孔陶瓷粒径为0.1-2μm。
6.根据权利要求1所述的电缆绝缘材料，其特征在于，所述的多孔陶瓷的孔径为20-50nm。
7.根据权利要求1所述的电缆绝缘材料，其特征在于，所述的偶联剂为硅烷偶联剂。
8.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。
9.一种权利要求1-8任一项所述电缆绝缘材料的制备方法，其特征在于，
（1）将多孔陶瓷用偶联剂进行处理；
（2）将石墨烯和纳米氧化铝负载在多孔陶瓷上；
（3）用乙烯基硅橡胶对负载有石墨烯和纳米氧化铝的多孔陶瓷进行包覆得到中间体；
（4）将中间体与聚乙烯、交联剂混合均匀后用挤出机进行交联挤出，得到电缆绝缘材料。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤3是在负压条件中进行包覆。
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