CN109232816A - 抑制空间电荷聚丙烯接枝改性的直流电缆材料及制备方法 - Google Patents

抑制空间电荷聚丙烯接枝改性的直流电缆材料及制备方法 Download PDF

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张文龙
金珊珊
梁月
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Abstract

一种抑制空间电荷聚丙烯接枝改性的直流电缆材料及制备方法，涉及电力设备技术领域，它包括聚丙烯（PP）100重量份，接枝共轭单体0.8～2.4重量份，引发剂0.05～0.15重量份以及抗氧剂0.01～0.1重量份。本抑制空间电荷聚丙烯接枝改性的直流电缆材料及其制备方法不仅可以起到抑制聚乙烯中空间电荷的作用，同时避免无机粒子的团聚问题和有机共轭小分子的迁移问题。

Description

抑制空间电荷聚丙烯接枝改性的直流电缆材料及制备方法
技术领域
本发明涉及电力设备技术领域，具体涉及抑制空间电荷聚丙烯接枝改性的直流电缆材料及其制备方法。
背景技术
相比于交流输电***，直流输电***在远距离、大容量的输电***中有着独特的优势。直流输电***的功率调节快速灵活、大范围的连锁故障风险较低，***运行可靠。直流输电由于实现了电源***与负荷中心的直接连接，节能环保的同时降低了输电费用，被广泛应用于输电工程中。
目前广泛应用于直流电缆中的交联聚乙烯耐温等级低，难以适应高的使用温度。同时交联聚乙烯是一种热固性材料，在达到使用寿命后，回收困难，难以降解，会造成环境污染。
为提高直流电缆使用温度及耐压等级，降低对环境的污染，需使用一种非交联的热塑性材料。相较于交联聚乙烯，PP的综合性能良好，基本上不受环境因素和电场频率的影响，不需要交联就有较高的机械强度，而且是典型的热塑性材料，可回收利用，符合环境友好的线缆发展要求；其熔点达到了150℃左右，工作的温度可长期保持在90℃。因其良好的耐热性能，而且在同样的绝缘层厚度上可以提高运行电压、线路的输送容量和降低输送的损耗。但是PP也存在不足，易出现空间电荷的积聚，使得使用寿命下降。PP若要用作高压直流电缆绝缘材料，就必须做改性处理，因此如何抑制PP的空间电荷问题是急需解决的问题。
目前在改善聚丙烯空间电荷问题上，使用最多的方式为添加纳米粒子。但添加纳米粒子的主要问题是分散性的问题，一旦分散不均匀将起到副作用，使得介电性能下降，而机械共混存在混炼不均，并且小分子团聚都会使得材料的稳定性降低，造成复合材料内部的缺陷，加重PP空间电荷的积聚和击穿老化。故此，研发一种新型抑制聚丙烯接枝复合材料势在必行。
发明内容
本发明的第一目的是为了克服上述现有技术存在的不足之处，而提供一种抑制空间电荷聚丙烯接枝改性的直流电缆材料，它不仅可以起到抑制聚乙烯中空间电荷的作用，同时避免无机粒子的团聚问题和有机共轭小分子的迁移问题。
本发明的第二目的是提供上述抑制空间电荷聚丙烯接枝改性的直流电缆材料的制备方法。
本发明采用的技术方案为：
一、一种抑制空间电荷聚丙烯接枝改性的直流电缆材料，包括聚丙烯（PP）100重量份，接枝共轭单体0.8～2.4重量份，引发剂0.05～0.15重量份以及抗氧剂0.01～0.1重量份。
所述的聚丙烯为均聚或共聚物中的一种或者二种。
所述的接枝共轭单体为4-丙氧烯基-2-羟基二苯甲酮(AHB)；所述的引发剂为过氧化二异丙苯或过氧化二叔丁基中的一种或两种；所述的抗氧剂为四{β-（3,5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸}季戊四醇酯【抗氧剂1010】。
二、一种抑制空间电荷聚丙烯接枝改性的直流电缆材料的制备方法，步骤如下：
1）取100重量份的聚丙烯(PP)，0.8～2.4重量份的4-丙氧烯基-2-羟基二苯甲酮(AHB)，引发剂 0.05～0.15重量份和0.01～0.1重量份的抗氧剂放入混合机中均匀搅拌混合，将混合后的原料加入到转矩流变仪中进行熔融共混；
2）熔融温度为190～210℃，转矩流变仪的转速为30～50 r/min，混炼时间为8～10min，获得抑制空间电荷聚丙烯接枝改性直流电缆材料。
本发明的有益效果是：本抑制空间电荷聚丙烯接枝改性的直流电缆材料及其制备方法，所制备的抑制空间电荷聚丙烯接枝4-丙氧烯基-2-羟基二苯甲酮，其内部空间电荷的密度明显小于纯聚丙烯，说明在聚丙烯中接枝4-丙氧烯基-2-羟基二苯甲酮能明显有效的改善聚丙烯内部空间电荷的分布；同时接枝4-丙氧烯基-2-羟基二苯甲酮也使得材料击穿强度得到了提高；而且解决了填料在基体中团聚的问题。
附图说明：
图1是本发明纯聚丙烯的空间电荷分布图；
图2是本发明接枝率为0.38%时的空间电荷分布图；
图3是本发明接枝率为0.73%时的空间电荷分布图；
图4是本发明接枝率为0.94%时的空间电荷分布图。
具体实施方式：
参照各图，一种抑制空间电荷聚丙烯接枝改性的直流电缆材料，包括聚丙烯（PP）100重量份，接枝共轭单体0.8～2.4重量份，引发剂0.05～0.15重量份以及抗氧剂0.01～0.1重量份。所述的聚丙烯为均聚或共聚物中的一种或者二种。所述的接枝共轭单体为4-丙氧烯基-2-羟基二苯甲酮(AHB)；所述的引发剂为过氧化二异丙苯或过氧化二叔丁基中的一种或两种；所述的抗氧剂为四{β-（3,5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸}季戊四醇酯【抗氧剂1010】。
一种抑制空间电荷聚丙烯接枝改性的直流电缆材料的制备方法，步骤如下：
1）取100重量份的聚丙烯(PP)，0.8～2.4重量份的4-丙氧烯基-2-羟基二苯甲酮(AHB)，引发剂 0.05～0.15重量份和0.01～0.1重量份的抗氧剂放入混合机中均匀搅拌混合，将混合后的原料加入到转矩流变仪中进行熔融共混；
2）熔融温度为190～210℃，转矩流变仪的转速为30～50 r/min，混炼时间为8～10min，获得抑制空间电荷聚丙烯接枝改性直流电缆材料。
本方法采用熔融接枝法，在聚丙烯的分子链上接枝具有极性基团的小分子，即4-丙氧烯基-2-羟基二苯甲酮，从而抑制直流电场作用下材料内部的空间电荷积聚问题。
实施例1
取100重量份的聚丙烯(PP)、0重量份的4-丙氧烯基-2-羟基二苯甲酮(AHB)（即不添加4-丙氧烯基-2-羟基二苯甲酮(AHB)）、0.1重量份的引发剂(DCP)和0.1重量份的抗氧剂放入混合机中均匀搅拌混合。
将混合后的原料加入到转矩流变仪中进行熔融共混，熔融温度为190℃，转矩流变仪的转速为50r/min，混炼时间为9min，获得复合材料。实施例1制得的复合材料在40kV/mm直流电场作用0.5min、10min时材料内部空间电荷分布图见图2。从图中可以看出，在加压极化0.5min时，在阳极和阴极附近都只有很少量的电荷注入，加压10min后，复合材料中电荷密度最高约达5.23C/m3，且复合材料内部残余电荷量降低，电荷分布均匀，说明接枝对内部空间电荷的积聚具有一定的抑制效果。
实施例2
取100重量份的聚丙烯(PP)、0.8重量份的4-丙氧烯基-2-羟基二苯甲酮(AHB)、0.1重量份的引发剂(DCP)和0.1重量份的抗氧剂放入混合机中均匀搅拌混合。
将混合后的原料加入到转矩流变仪中进行熔融共混，熔融温度为190℃，转矩流变仪的转速为50r/min，混炼时间为9min，获得复合材料。
实施例3
取100重量份的聚丙烯(PP)、1.6重量份的4-丙氧烯基-2-羟基二苯甲酮(AHB)、0.1重量份的引发剂(DCP)和0.1重量份的抗氧剂放入混合机中均匀搅拌混合。
混合后的原料加入到转矩流变仪中进行熔融共混，熔融温度为190℃，转矩流变仪的转速为50r/min，混炼时间为9min，获得复合材料
实施例4
取100重量份的聚丙烯(PP)、2.4重量份的4-丙氧烯基-2-羟基二苯甲酮(AHB)、0.1重量份的引发剂(DCP)和0.1重量份的抗氧剂放入混合机中均匀搅拌混合。
混合后的原料加入到转矩流变仪中进行熔融共混，熔融温度为190℃，转矩流变仪的转速为50r/min，混炼时间为9min，获得复合材料。
实施例5
取100重量份的聚丙烯(PP)、0重量份的4-丙氧烯基-2-羟基二苯甲酮(AHB)（即不添加4-丙氧烯基-2-羟基二苯甲酮(AHB)）、0.05重量份的引发剂(DCP)和0.01重量份的抗氧剂放入混合机中均匀搅拌混合。
实施例6
取100重量份的聚丙烯(PP)、0重量份的4-丙氧烯基-2-羟基二苯甲酮(AHB)（即不添加4-丙氧烯基-2-羟基二苯甲酮(AHB)）、0.15重量份的引发剂(DCP)和0.05重量份的抗氧剂放入混合机中均匀搅拌混合。
对比例
实施例1至4原料配方（重量份）如表1所示，以未加入4-丙氧烯基-2-羟基二苯甲酮的纯聚丙烯实施例1作为介电性能对照。
实施例1至4原料配方（重量份）如表1所示，以未加入4-丙氧烯基-2-羟基二苯甲酮的纯聚乙烯实施例1作为介电性能对照。
表1-原料配方表
原料 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
聚丙烯 100 100 100 100
4-丙氧烯基-2-羟基二苯甲酮 0 0.8 1.6 2.4
抗氧剂 0.1 0.1 0.1 0.1
通过将图2～4与图1相比，聚丙烯接枝4-丙氧烯基-2-羟基二苯甲酮的接枝率为0.38%、0.73%、0.94%的复合材料在加压极化0.5min后，注入电荷量明显比纯聚丙烯减少，且注入电荷量随着接枝率增加，电荷密度先降低后增加，且均比纯PP的电荷注入量减少。加压10 min后试样内部出现少量异极性电荷，最大电荷密度约为2.21 C/m3。由此可见接枝4-丙氧烯基-2-羟基二苯甲酮对抑制复合材料内部空间电荷的积聚、改善空间电荷的分布能起到一定的作用，且接枝率为0.73%的复合材料对空间电荷的抑制效果最好。
以未加入4-丙氧烯基-2-羟基二苯甲酮的纯聚丙烯实施例1作为击穿强度测试对照。击穿强度测试采用长春市智能仪器设备有限公司制造的HT-100型击穿电压测试仪，测试试样厚度为1mm，采用连续升压的升压方式，升压速度为1kV/s。本试验制得复合材料的击穿强度数值见表2。
表2-击穿强度表
性能 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
击穿场强/kV/mm 127.49 92.43 110.48 98.56
在聚丙烯中接枝的4-丙氧烯基-2-羟基二苯甲酮，对减少复合材料内部的空间电荷起到了一定的抑制作用，并且解决了填料在聚丙烯中的团聚问题；当4-丙氧烯基-2-羟基二苯甲酮的接枝率为0.73%时，复合材料的电性能有明显的提高，复合材料的击穿场强为110.48kV/mm，并且对复合材料内部空间电荷抑制作用最佳,此时复合材料内阴极电荷约为2.1C/m3，阳极电荷密度约为1.9C/m3。
尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详尽描述和说明，但除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。
综上所述，本抑制空间电荷聚丙烯接枝改性的直流电缆材料及其制备方法，所制备的抑制空间电荷聚丙烯接枝4-丙氧烯基-2-羟基二苯甲酮，其内部空间电荷的密度明显小于纯聚丙烯，说明在聚丙烯中接枝4-丙氧烯基-2-羟基二苯甲酮能明显有效的改善聚丙烯内部空间电荷的分布；同时接枝4-丙氧烯基-2-羟基二苯甲酮也使得材料击穿强度得到了提高；而且解决了填料在基体中团聚的问题。

Claims (4)

1.一种抑制空间电荷聚丙烯接枝改性的直流电缆材料，其特征在于：包括聚丙烯（PP）100重量份，接枝共轭单体0.8～2.4重量份，引发剂0.05～0.15重量份以及抗氧剂0.01～0.1重量份。
2.根据权利要求1所述的抑制空间电荷聚丙烯接枝改性的直流电缆材料，其特征在于：所述的聚丙烯为均聚或共聚物中的一种或者二种。
3.根据权利要求1所述的抑制空间电荷聚丙烯接枝改性的直流电缆材料，其特征在于：所述的接枝共轭单体为4-丙氧烯基-2-羟基二苯甲酮(AHB)；所述的引发剂为过氧化二异丙苯或过氧化二叔丁基中的一种或两种；所述的抗氧剂为四{β-（3,5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸}季戊四醇酯【抗氧剂1010】。
4.一种根据权利要求1所述的抑制空间电荷聚丙烯接枝改性的直流电缆材料的制备方法，其特征在于：步骤如下：
（1）取100重量份的聚丙烯(PP)，0.8～2.4重量份的4-丙氧烯基-2-羟基二苯甲酮(AHB)，引发剂 0.05～0.15重量份和0.01～0.1重量份的抗氧剂放入混合机中均匀搅拌混合，将混合后的原料加入到转矩流变仪中进行熔融共混；
（2）熔融温度为190～210℃，转矩流变仪的转速为30～50 r/min，混炼时间为8～10min，获得抑制空间电荷聚丙烯接枝改性直流电缆材料。
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