CN113053578A - 用于防水电缆的阻水粉及其制备方法和防水电缆 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及电缆加工领域，具体公开了一种用于防水电缆的阻水粉及其制备方法和防水电缆。用于防水电缆的阻水粉由包括如下重量份的原料制成：丙烯酸80‑130份、木质素磺酸盐20‑40份、尿素10‑30份、高岭土10‑20份、引发剂1‑2份和交联剂0.3‑0.7份；其制备方法为：先对丙烯酸中和处理，再对丙烯酸、木质素磺酸盐和尿素通过引发剂进行引发处理，随后加入高岭土和交联剂超声反应，反应结束后进行脱水、干燥、破碎制成阻水粉。本申请的防水电缆的防水层使用此阻水粉，能够在盐溶液中达到较好的阻水效果。
Description
技术领域
本申请涉及电缆加工领域，更具体地说，它涉及用于防水电缆的阻水粉及其制备方法和防水电缆。
背景技术
防水电缆是能够在水中正常使用的一类电缆的统称，常敷设于水下或潮湿处。目前，我国最常用的电缆为交联聚乙烯绝缘电力电缆(以下简称XLPE电缆)，XLPE电缆的生产工艺简单、机械物理性能优良，但易发生水树老化，即水分入侵XLPE电缆，且在XLPE电缆的绝缘层产生水树枝，水树枝达到一定程度时转变为电树枝，电树枝在运行电压的影响下对绝缘层造成破坏，缩短XLPE电缆寿命，甚至造成停电等严重后果。因此，XLPE电缆敷设在有水环境中时需要具有良好的防水性能。
早期国内外采用改***联聚乙烯绝缘料或者在交联聚乙烯中加入水树抑制剂的方法抑制水树枝的产生，这些方法的效果不显著且成本高昂。后期经过实践证明，在XLPE电缆的纵向结构上设置防水层能够达到较好的防水效果。
XLPE电缆的防水层一般位于XLPE电缆的导线与导体屏蔽层之间。防水层一般选择阻水粉，阻水粉填充在XLPE电缆的导线与导体屏蔽层之间的缝隙中，利用阻水粉的吸水膨胀性进行阻水。当在水分入侵XLPE电缆时，阻水粉迅速吸水并且膨胀，阻断水分流入XLPE电缆的毛细通道，水分不与导线接触，起到防水作用。
相关技术中，阻水粉选择聚丙烯酸型树脂，聚丙烯酸型树脂具有较好的吸水性，但其耐盐性较差。当XLPE电缆应用于海上设备或盐类化工厂等盐溶液浓度较高的环境中时，如聚丙烯酸型树脂浸泡在海水(盐度为35‰)，聚丙烯酸型树脂的吸水量仅为100mL/g，膨胀高度仅达到1.6mm/3min，聚丙烯酸型树脂无法起到较好的润胀阻断作用，制得的防水电缆的渗水长度在高达20.9cm，防水电缆在盐溶液中的防水性能不佳。
发明内容
为了提高防水电缆在盐溶液中的防水性能，本申请提供一种用于防水电缆的阻水粉及其制备方法和防水电缆。
第一方面，本申请提供的一种用于防水电缆的阻水粉，采用如下的技术方案：
一种用于防水电缆的阻水粉，由包含以下重量份的原料制成：
丙烯酸80-130份
木质素磺酸盐20-40份
尿素10-30份
高岭土3-5份
引发剂1-2份
交联剂0.3-0.7份。
通过采用上述技术方案，引发剂对丙烯酸、木质素磺酸盐和尿素进行引发后，丙烯酸、木质素磺酸盐和尿素形成自由基，自由基进行链增长聚合，形成预聚物，最终在交联剂的作用下，预聚物在高岭土的表面进行交联改性，丙烯酸、木质素磺酸盐和尿素受到高岭土的阻聚作用，形成适度的网络结构；
同时在超声作用下高岭土上的活性位点活化，接枝丙烯酸、木质素磺酸盐和尿素，高岭土上电离的离子与交联网络上的带电基团(如磺酸基)共同作用下，使得网络结构内外的渗透压增大。采用上述方案得到的阻水粉在海水(盐度为35‰)吸水量高达380mL/g，膨胀高度达到8.6mm/3min，阻水粉具有较好的抗盐性，吸水润涨效果显著，此阻水粉应用于防水电缆中时，能够起到较好的润胀阻断作用，提高防水电缆在盐溶液中的防水性能。
优选的，所述丙烯酸、木质素磺酸盐、尿素和高岭土的重量比为110:30:20:4。
通过采用上述技术方案，丙烯酸、木质素磺酸盐、尿素和高岭土在此质量比下，形成的阻水粉的交联度较好，能够进一步地提高阻水粉的抗盐性，使得阻水粉在海水(盐度为35‰)吸水量达到538mL/g，膨胀高度达到12.2mm/3min。
优选的，所述木质素磺酸盐为木质素磺酸钙、木质素磺酸钠和木质素磺酸镁中任意一种。
优选的，所述木质素磺酸盐的数均分子量为4000-5000。
通过采用上述技术方案，在此数均分子量范围内形成的交联网络规整，且交联密度适中，超过此数均分子量范围，形成的交联网络松散，吸水量降低，低于此数均分子量范围，形成的交联网络致密，吸水量同样降低。
优选的，所述高岭土的平均粒径为300-500nm。
通过采用上述技术方案，高岭土的平均粒径在此范围内，所起得阻聚效果较好，高岭土表面的网络结构规整，交联密度适中，同时，高岭土的粒径小，有利于其表面的活性位点活化，对阻水粉在海水中的吸水润涨起到促进作用，而当高岭土粒径过小时，其易发生团聚作用，导致吸水量降低。
第二方面，本申请提供一种用于防水电缆的阻水粉制备方法，采用如下的技术方案：
一种用于防水电缆的阻水粉制备方法，以下步骤：
P1、将丙烯酸加入至碱液中进行中和，中和度为40-70mol％，得到预处理丙烯酸溶液；
P2、将木质素磺酸盐、尿素和引发剂加入至预处理丙烯酸溶液中，在氮气保护下加热至55-65℃，保温1-2.5h，得到预制液；
P3、将高岭土和交联剂加入至预制液中进行超声分散，超声频率为30-50Hz，超声时间为0.5-1h，超声结束后取出混合液；
P4、混合液进行脱水、干燥、粉碎后得到阻水粉。
通过采用上述技术方案，由于丙烯酸的聚合速率过快，丙烯酸经过氢氧化钠中和后，丙烯酸的聚合速率延缓，引发剂对丙烯酸、木质素磺酸盐和尿素先进行引发，使得丙烯酸、木质素磺酸盐和尿素形成大量的自由基，有利于后续交联接枝在高岭土上，高岭土表面的交联网络的密度适中，阻水粉在盐溶液中的吸水润涨效果较好。
优选的，所述P1步骤中，丙烯酸与氢氧化钠的中和度为60mol％。
通过采用上述技术方案，在此中和度下，木质素磺酸盐和尿素在高岭土表面的接枝率较高，阻水粉形成的交联网络密度适中，在盐溶液中的吸水润涨效果较佳。
优选的，所述P2步骤中保温时间为2h。
通过采用上述技术方案，保温时间较短，引发剂对木质素磺酸盐的引发效果不佳，木质素磺酸盐的接枝效率降低，减弱阻水粉的抗盐效果，而引发时间过长，丙烯酸自由基含量过高，形成的交联网络密度较大，吸水率不佳，因此在此保温时间内，预制液中的各个组分的自由基含量适中，制得的阻水粉的吸水润涨效果较好。
优选的，所述反应处理的步骤P3中干燥方法为先在100℃中干燥1h，再在60℃下干燥2h。
通过采用上述技术方案，干燥温度较低时，阻水粉需要较长的干燥时间，阻水粉在低温干燥的条件下易发生降解，而干燥温度较高时，阻水粉在高温下易发生自交联反应，使得高岭土表面的交联密度增大，阻水粉吸水率降低，使用此干燥方法，阻水粉能够充分去除其内部的水分，同时降低发生自交联或者降解的可能性，不影响阻水粉的吸水量。
第三方面，本申请提供一种防水电缆，采用如下的技术方案：
一种防水电缆，包括防水层，防水层由前述用于防水电缆的阻水粉制成。
通过采用上述技术方案，防水电缆的防水层采用此方案制成的阻水粉能够有效降低了防水电缆的渗水长度，起到良好的防水效果。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、由于本申请采用丙烯酸、木质素磺酸盐、尿素和高岭土进行交联改性，高岭土上的活性位点活化，高岭土上电离的离子与交联网络上的带电基团(如磺酸基)共同作用下，网络结构内外的渗透压增大，阻水粉具有较好的抗盐性，能够起到较好的润胀阻断作用，提高防水电缆在盐溶液中的防水性能。
2、本申请的防水电缆的防水层采用此方案制成的阻水粉能够有效降低了防水电缆的渗水长度，起到良好的防水效果。
附图说明
图1是本申请电缆的防水结构示意图。
说明书附图：1、导线；2、防水层；3、导体屏蔽层；4、XLPE绝缘层；5、纵包铝塑复合带；6、外护套。
具体实施方式
若无特殊说明，以下制备例、实施例和对比例的来源如下表1所示：
表1.原料的来源
纯化木质素磺酸钠的制备例
制备例1
一种纯化木质素磺酸钠，按照如下制备方法制得：
(1)将木质素磺酸钠加入至去离子水中搅拌混匀，配制成浓度为6wt％木质素磺酸钠混合液；
(2)将木质素磺酸钠混合液转移至UF201超滤机(无锡赛普膜科技发展有限公司生产)中，采用截留数均分子量为10000的超滤膜进行过滤，工作压力为0.142MPa，循环超滤至透过超滤膜微孔的超滤液为无色透明溶液，此溶液为木质素磺酸钠溶液，溶液中的木质素磺酸钠的数均分子量为10000，烘干后得到纯化木质素磺酸钠。
制备例2
一种纯化木质素磺酸钠，与制备例1的区别点在于，步骤(2)中超滤膜的截留数均分子量为3000。
制备例3
一种纯化木质素磺酸钠，与制备例1的区别点在于，步骤(2)中超滤膜的截留数均分子量为4000。
制备例4
一种纯化木质素磺酸钠，与制备例1的区别点在于，步骤(2)中超滤膜的截留数均分子量为5000。
实施例
实施例1
一种用于防水电缆的阻水粉，按照如下制备方法制得：
P1、称取80g丙烯酸，在冰水浴中边搅拌边将丙烯酸滴加入1L浓度为17.8g/L的氢氧化钠溶液中，滴加速率为每秒3滴，丙烯酸滴加完毕后(中和度为40mol％)制得预处理丙烯酸溶液；
P2、称取10g尿素、1g过硫酸钾和20g木质素磺酸钠，将尿素、过硫酸钾和木质素磺酸钠加入至预处理丙烯酸溶液中，搅拌混匀，在氮气保护下加热至55℃，保温1h，得到预制液；
P3、称取3g高岭土(高岭土的平均粒径为1μm)和0.3gN,N′-亚甲基双丙烯酰胺，将高岭土和N,N′-亚甲基双丙烯酰胺加入至预制液中进行超声分散，超声频率为30Hz，超声时间为1h，超声结束后取出混合液；
P4、混合液放置在烘箱内，80℃下烘干至恒重后，在120℃下干燥3h，干燥后的固体进行粉碎，得到阻水粉。
实施例2-6
一种用于防水电缆的阻水粉，在实施例1的基础上制得，与实施例1的区别点在于，原料的组成不同，具体原料的组成配比如下表3所示。
表2.原料的组成
实施例12-14
一种用于防水电缆的阻水粉，在实施例11的基础上制得，与实施例11的区别点在于木质素磺酸钠的数均分子量不同，实施例12的木质素磺酸钠来源于制备例2，实施例13的木质素磺酸钠来源于制备例3，实施例14的木质素磺酸钠来源于制备例4。
实施例15-17
一种用于防水电缆的阻水粉，在实施例14的基础上制得，与实施例14的区别点在于高岭土的平均粒径不同，实施例15中高岭土的平均粒径为200nm，实施例16中高岭土的平均粒径为300nm，实施例17中高岭土的平均粒径为500nm。
实施例18-19
一种用于防水电缆的阻水粉，在实施例17的基础上制得，与实施例17的区别点在于，丙烯酸预处理步骤中，丙烯酸与氢氧化钠的中和度不同，具体中和度工艺参数如下表3所示。
表3.中和工艺参数
实施例20-23
一种用于防水电缆的阻水粉，在实施例18的基础上制得，与实施例18的区别点在于，P2-P4步骤对应的工艺参数不同，具体参数如下表4所示。
表4.反应处理过程中的工艺参数
实施例24-25
一种用于防水电缆的阻水粉，在实施例1的基础上制得，与实施例1的区别点在于，实施例24中木质素磺酸钠替换为等质量的木质素磺酸钙，实施例24中木质素磺酸钠替换为等质量的木质素磺酸镁。
对比例
对比例1
一种聚丙烯酸树脂型阻水粉，型号为WL-80Z，购买于浙江威龙高分子材料有限公司。
对比例2
一种聚丙烯酸接枝聚丙烯酰胺阻水粉，型号为R-PL1378-X，购买于西安瑞禧生物科技有限公司。
对比例3-6
一种阻水粉，与实施例1的区别点在于，原料的组成不同，具体组成如下表5所示。
表5.原料的组成
应用例
以下结合附图1和应用例对本申请作进一步详细说明。
一种防水电缆，包括沿电缆由内向外依次设置的导线1、防水层2和导体屏蔽层3、XLPE绝缘层4、纵包铝塑复合带5和外护套6。
导线1材质为铜、铝等纯度≥99％的金属，用于传输电信号。
防水层2的材料为实施例，实施例在填充至模具中，在5kPa的压力下压制成套筒状，防水层2套设在导线1上。
导体屏蔽层3由二氧化硅制成，用于避免导线1与XLPE绝缘层4之间发生放电。导体屏蔽层3包裹三根导线1和防水层2，导体屏蔽层3收缩时能够挤压防水层2，防水层2破碎，套筒状的阻水粉重新变为粉末状，填充在导线1和导体屏蔽层3之间。
XLPE绝缘层4由聚乙烯材料熔融挤出，用于均匀防水电缆的电场。
纵包铝塑复合带5紧密缠绕在XLPE绝缘层4外壁上，起到良好的径向防水效果。
外护套6一般采用聚乙烯或聚氯乙烯制成，位于电缆最外层，起到保护和绝缘作用，延长电缆的使用寿命。
应用例1-23
一种防水电缆，各个应用例结构如上所示，区别在于防水层的阻水粉来源不同，其具体来源如下表6所示。
表6.防水层的阻水粉来源
对比应用例
对比应用例1-6
一种防水电缆，对比应用例1-6结构如上所示，区别在于防水层的阻水粉来源不同，其具体来源如下表7所示。
表7.防水层的阻水粉来源
| 应用例 | 阻水粉来源 | 应用例 | 阻水粉来源 |
| 对比应用例1 | 对比例1 | 对比应用例4 | 对比例4 |
| 对比应用例2 | 对比例2 | 对比应用例5 | 对比例5 |
| 对比应用例3 | 对比例3 | 对比应用例6 | 对比例6 |
性能检测试验
1、用于防水电缆的阻水粉检测项目：
(一)、根据YD/T1115.3-201X行业标准中的测试方法对阻水粉的吸水量、膨胀高度进行检测：
A、阻水粉吸取的液体是水，对应记录吸水量a1、膨胀高度a2；
B、阻水粉吸取的液体是海水(盐度为35‰)，对应记录吸水量b1、膨胀高度b2；
C、阻水粉吸取的液体是海水(盐度为60‰)，对应记录吸水量c1、膨胀高度c2；
2、防水电缆的检测项目：
渗水长度：根据GB/T7424.2-2008中23.2.2方法F5B进行检测，将防水电缆样品浸泡在不同的液体中，设置不同的浸泡时间，渗水长度进行检测，检测条件具体如下表8所示：
表8.检测条件
检测结果
表9.实施例1-25以及对比例1-6在不同液体中的吸水量
表10.实施例1-23以及对比例1-6在不同液体中的膨胀高度
表11.应用例1-25以及对比应用例1-7的渗水长度
结合实施例1和对比例1-2并结合表9-10可以看出，对比例1为常见的丙烯酸型吸水树脂，其在水中的吸水量较好，但在盐度为35‰海水中的吸水量较差，仅为在水中吸水量的1/8，膨胀高度约为水中的1/5，对比例2为非离子型聚丙烯型吸水树脂，对比例2在盐度为35‰海水中的吸水量和膨胀高度均有所增加，但其在水中的吸水量和膨胀高度显著降低；
而实施例1的阻水粉形成的交联结构能够显著增大其在盐溶液中的吸水量和膨胀高度，证明其在盐溶液中具有较好的吸水润涨作用；当海水盐度增大时，其仍然具有较好的吸水润涨作用；同时，实施例1的阻水粉在水和盐溶液中均具有较好的吸水润涨效果。
结合实施例1-9和对比例3-6并结合表9-10可以看出，丙烯酸、木质素磺酸盐、尿素和高岭土在实施例8的配比下，能够具有较好的吸水润涨作用，其超过此比例范围时，吸水润涨效果不佳。
结合实施例12-17并结合表9-10可以看出，木质素磺酸钠选取适中的数均分子量，以及高岭土选择适中的粒径，能够显著的提高阻水粉在不同盐度的海水中的吸水量和润涨高度。
结合实施例20-23并结合表9-10可以看出，阻水粉在适宜的加工条件下在水和不同盐度的海水中均具有较好的吸水润涨效果。
结合应用例1-25和对比应用例1-6并结合表11可以看出，防水电缆浸泡在盐溶液中10周，其渗水长度仅略微增大，证明此防水电缆的防水持久性较好。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (10)
1.一种用于防水电缆的阻水粉，其特征在于，由包括以下重量份的原料制成：
丙烯酸 80-130份
木质素磺酸盐 20-40份
尿素 10-30份
高岭土 3-5份
引发剂 1-2份
交联剂 0.3-0.7份。
2.根据权利要求1所述的一种用于防水电缆的阻水粉，其特征在于：所述丙烯酸、木质素磺酸盐、尿素和高岭土的重量比为110:30:20:4。
3.根据权利要求1所述的一种用于防水电缆的阻水粉，其特征在于：所述木质素磺酸盐为木质素磺酸钙、木质素磺酸钠和木质素磺酸镁中任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种用于防水电缆的阻水粉，其特征在于：所述木质素磺酸盐的数均分子量为4000-5000。
5.根据权利要求1所述的一种用于防水电缆的阻水粉，其特征在于：所述高岭土的平均粒径为300-500nm。
6.权利要求1-5任意一项所述的一种用于防水电缆的阻水粉的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
P1、将丙烯酸加入至碱液中进行中和，中和度为40-70mol%，得到预处理丙烯酸溶液；
P2、将木质素磺酸盐、尿素和引发剂加入至预处理丙烯酸溶液中，在氮气保护下加热至55-65℃，保温1-2.5h，得到预制液；
P3、将高岭土和交联剂加入至预制液中进行超声分散，超声频率为30-50Hz，超声时间为0.5-1h，超声结束后取出混合液；
P4、混合液进行脱水、干燥、粉碎后得到阻水粉。
7.根据权利要求6所述的一种用于防水电缆的阻水粉，其特征在于：所述P1步骤中，丙烯酸与氢氧化钠的中和度为60mol%。
8.根据权利要求6所述的一种用于防水电缆的阻水粉的制备方法，其特征在于：所述P2步骤中保温时间为2h。
9.根据权利要求6所述的一种用于防水电缆的阻水粉的制备方法，其特征在于：所述P4步骤中干燥方法为先在100℃中干燥1h，再在60℃下干燥2h。
10.一种防水电缆，包括防水层（2），其特征在于，防水层（2）由权利要求1-5任意一项所述的用于防水电缆的阻水粉制成。
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- 2021-03-24 CN CN202110316980.6A patent/CN113053578A/zh active Pending
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