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CN115304854B - 一种基于氧化石墨烯分散导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料及制备方法 - Google Patents

一种基于氧化石墨烯分散导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料及制备方法 Download PDF

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CN115304854B CN202210966502.4A CN202210966502A CN115304854B CN 115304854 B CN115304854 B CN 115304854B CN 202210966502 A CN202210966502 A CN 202210966502A CN 115304854 B CN115304854 B CN 115304854B
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Abstract

本发明公开了一种基于氧化石墨烯分散导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料及制备方法，按重量份数计包括：基体树脂60～65份、导电炭黑25～30份、分散剂1.5～3.5份、偶联剂1～2、功能助剂3～7份、交联剂0.9～2份；本发明由于加入了氧化石墨烯，有利于长程导电网络的构筑，改善高压电缆屏蔽料的导电性能及力学性能；此外，还会减小导电炭黑团聚造成的明显凸起物，提高高压电缆半导电屏蔽料的表面光洁度。

Description

一种基于氧化石墨烯分散导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料 及制备方法
技术领域
本发明涉及电力电缆材料技术领域，具体涉及一种基于氧化石墨烯分散导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料及制备方法。
背景技术
近年来，随着我国电力工业的快速发展，高压电力电缆的需求量飞速增长，特别是电网改造、特高压等大型工程相继投入升级、建设，为高压电力电缆行业发展提供了巨大的市场空间。高压电缆半导电屏蔽层作为高压电力电缆结构的重要组成部分，在电缆中起着均化绝缘层内部电场分布、消除导体线芯与绝缘层以及绝缘层与外导电层交界面气隙的作用，从而防止局部放电，提高电缆运行稳定性和电缆使用寿命。
电缆半导电屏蔽料主要是由高分子基体树脂、导电炭黑及加工助剂通过熔融共混挤出而得到。在挤出过程中导电炭黑在基体树脂中易发生团聚现象会在高压电缆屏蔽料制品表面形成明显凸起物，影响高压电缆半导电屏蔽料的表面光洁度，并且该团聚现象在基体树脂中会产生应力集中，不利于构筑导电网络。从而影响高压电缆半导电屏蔽层的机械性能和电气性能的稳定性。因此，改善导电炭黑在基体树脂中的分散性是制备超光滑高压屏蔽料需重点解决的问题。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题提供一种在保证高压电缆半导电屏蔽料优良的力学性能和电气性能的前提下，提高高压电缆半导电屏蔽层的表面光洁度的高压电缆半导电屏蔽料及制备方法。
本发明采用的技术方案是：一种基于氧化石墨烯分散导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料，按质量份数计包括：基体树脂60～65份、导电炭黑25～30份、分散剂1.5～3.5份、偶联剂1～2、功能助剂3～7份、交联剂0.9～2份。
进一步的，所述基体树脂为乙烯-丙烯酸乙酯和乙烯-丙烯酸丁酯中的一种或两种以任意比例混合构成。
进一步的，所述功能助剂为润滑剂和抗氧剂。
进一步的，所述润滑剂为硬脂酸锌和石蜡中的一种；抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168中的一种或两种以任意比例混合构成。
进一步的，所述交联剂为过氧化二异丙基苯和2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧化)乙烷中的一种或两种以任意比例混合构成。
进一步的，所述分散剂为氧化石墨烯。
进一步的，所述氧化石墨烯厚度为0.8～1.2nm，片径为0.5～5μm，含碳量小于46，含氧量大于52。
进一步的，所述偶联剂为硅烷偶联剂KH550。
进一步的，所述导电炭黑DBP吸收值为150～170ml/100g，平均粒径为30～70nm。
一种基于氧化石墨烯分散导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：按重量配比称取各组分，将导电炭黑、氧化石墨烯和功能助剂干燥；
步骤2：将硅烷偶联剂喷洒在导电炭黑上，充分搅拌，干燥处理；
步骤3：将分散剂加入步骤2得到的导电炭黑中在高速混合机中混合均匀，得到高分散性导电炭黑；
步骤4：将步骤3得到的高分散性导电炭黑、功能助剂和基体树脂在高速混合机中充分混合均匀得到混合物；
步骤5：将步骤5得到的混合物在双螺杆中熔融挤出，挤出温度为160～200℃，主机转速为80～140rpm，挤出物经切粒烘干即可得到颗粒料；
步骤6：将步骤5得到的颗粒料烘干，将交联剂研磨后与颗粒料充分混合，烘干后即可得到高压电缆半导电屏蔽料。
进一步的，所述步骤2中搅拌时间为10～30分钟，转速为80～150rpm，然后在120℃条件下干燥2小时；步骤6中颗粒料烘干温度为60℃，烘干时间为4h；交联剂和颗粒料混合时间为10min，温度为60℃；最后烘干时间为6h。
进一步的，所述步骤3中高速混合机转速为100～200rpm，搅拌时间为10～30分钟；步骤4中高速混合机转速为50～100rpm，搅拌时间为30～60分钟。
本发明的有益效果是：
(1)本发明高压电缆半导电屏蔽料具有优异的电气性能和机械性能，并且得到的高压电缆半导电屏蔽层的表面光洁度更高；
(2)本发明中氧化石墨烯在表面及边缘上含有大量含氧基团的引入，可在极性基体树脂中稳定存在，如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量，提高高压电缆半导电屏蔽层的力学性能，且氧化石墨烯提供表面修饰活性位置和较大的比表面积，有效分散附着导电炭黑颗粒，放置团聚，提高其在基体树脂中的分散性；
(3)本发明中由于加入了氧化石墨烯，有利于长程导电网络的构筑，改善高压电缆屏蔽料的导电性能及力学性能；此外，还会减小导电炭黑团聚造成的明显凸起物，提高高压电缆半导电屏蔽料的表面光洁度。
附图说明
图1为本发明制备流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
一种基于氧化石墨烯分散导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料，其特征在于，按质量份数计包括：基体树脂60～65份、导电炭黑25～30份、分散剂1.5～3.5份、偶联剂1～2、功能助剂3～7份、交联剂0.9～2份。基体树脂为乙烯-丙烯酸乙酯(EEA)和乙烯-丙烯酸丁酯(EBA)中的一种或两种以任意比例混合构成。功能助剂为润滑剂和抗氧剂。润滑剂为硬脂酸锌和石蜡中的一种；抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168中的一种或两种以任意比例混合构成。交联剂为过氧化二异丙基苯(BIPB)和2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧化)乙烷(DBPH)中的一种或两种以任意比例混合构成。氧化石墨烯厚度为0.8～1.2nm，片径为0.5～5μm，含碳量小于46，含氧量大于52。导电炭黑采用高纯净度型导电炭黑，DBP吸收值为150～170ml/100g，平均粒径为30～70nm。
一种基于氧化石墨烯分散导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：按重量配比称取各组分，将导电炭黑、氧化石墨烯和功能助剂放入烘箱中干燥去除水分；
步骤2：将导电炭黑放入固体搅拌机中，按重量配比将硅烷偶联剂KH550溶液直接喷洒在导电炭黑上并搅拌，一般搅拌在10～30分钟，转速为80～150rpm，填料处理后应在120℃烘干，一般烘干时间为2小时。
步骤3：将处理好的导电炭黑与氧化石墨烯按重量配比在高速混合机下继续混合均匀，其中，高速混合机是指转速控制在100～200rpm之间，搅拌时间为10～30分钟，得到高分散性导电炭黑。
步骤4：将处理好的高分散性导电炭黑、功能助剂和基体树脂按重量配比在高速混合机下继续混合均匀。其中高速混合机是指转速控制在50～100rpm之间，搅拌时间为30～60分钟，得到混合物。
步骤5：将步骤5得到的混合物在双螺杆中熔融挤出，六区挤出温度为160～200℃，主机转速为80～140rpm，挤出物经切粒烘干即可得到颗粒料；
步骤6：将步骤5得到的颗粒料分开放入60℃烘箱中恒温4h，将交联剂研磨后与颗粒料充分混合，混合时间为10min，温度为60℃，最后放置在烘箱中6h即可得到高压电缆半导电屏蔽料。
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
一种基于氧化石墨烯分散导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料，按重量份数计包括乙烯-丙烯酸丁酯59.25份，导电炭黑35份、分散剂0.25份、偶联剂2份、功能助剂2.5份、交联剂(BIBP)1份。其中功能助剂包括润滑剂2份、抗氧剂0.5份，润滑剂为硬脂酸锌，抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168，其质量比为2:1。其中分散剂为氧化石墨烯。
一种基于氧化石墨烯分散导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：按照重量配比将导电炭黑、氧化石墨烯和功能助剂放入烘箱中去除水分；
步骤2：将导电炭黑放入固体搅拌机中，按重量配比将硅烷偶联剂KH550溶液直接喷洒在导电炭黑上并搅拌，一般搅拌在15分钟，转速为120rpm，填料处理后应在120摄氏度烘干(2小时)。
步骤3：将处理好的导电炭黑与氧化石墨烯按重量配比在高速混合机下继续混合均匀，其中，所述高速混合机是指转速控制在150rpm之间；搅拌时间为30分钟，得到高分散性导电炭黑。
步骤4：将处理好的高分散性导电炭黑、功能助剂和基体树脂按重量配比在高速混合机下继续混合均匀，其中，所述高速混合机是指转速控制在80rpm之间；搅拌时间为45分钟，得到混合物。
步骤5：将得到的混合物在双螺杆中熔融挤出，六区的挤出温度分别为130℃、140℃、150℃、160℃、150℃、140℃，主机转速为120rpm，将得到的挤出物经切粒和烘干制得颗粒料；
步骤6：将烘干后的颗粒料分开放入60℃烘箱中恒温4h，将交联剂然后将研磨后的交联剂与颗粒料进行混合，混合时间为10min，温度为60℃，最后放置在烘箱中6h，即得高压电缆半导电内屏蔽料。
实施例2
一种基于氧化石墨烯分散导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料，按重量份数计包括乙烯-丙烯酸丁酯59份，导电炭黑35份、分散剂0.5份、功能助剂4.5份、交联剂(BIBP)1份。润滑剂为硬脂酸锌，抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168，其质量比为2:1。分散剂为氧化石墨烯。
一种基于氧化石墨烯分散导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：按照重量配比将导电炭黑、氧化石墨烯和功能助剂放入烘箱中去除水分；
步骤2：将导电炭黑放入固体搅拌机中，按重量配比将硅烷偶联剂KH550溶液直接喷洒在导电炭黑上并搅拌，一般搅拌在15分钟，转速为120rpm，填料处理后应在120摄氏度烘干(2小时)。
步骤3：将处理好的导电炭黑与氧化石墨烯按重量配比在高速混合机下继续混合均匀，其中，所述高速混合机是指转速控制在150rpm之间；搅拌时间为30分钟，得到高分散性导电炭黑。
步骤4：将处理好的高分散性导电炭黑、功能助剂和基体树脂按重量配比在高速混合机下继续混合均匀，其中，所述高速混合机是指转速控制在80rpm之间；搅拌时间为45分钟，得到混合物。
步骤5：将得到的混合物在双螺杆中熔融挤出，六区的挤出温度分别为130℃、140℃、150℃、160℃、150℃、140℃，主机转速为120rpm，将得到的挤出物经切粒和烘干制得颗粒料；
步骤6：将烘干后的颗粒料分开放入60℃烘箱中恒温4h，将交联剂然后将研磨后的交联剂与颗粒料进行混合，混合时间为10min，温度为60℃，最后放置在烘箱中6h，即得高压电缆半导电内屏蔽料。
实施例3
一种基于氧化石墨烯分散导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料，按重量份数计包括乙烯-丙烯酸丁酯58.5份，导电炭黑35份、分散剂1份、功能助剂4.5份、交联剂(BIBP)1份。润滑剂为硬脂酸锌，抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168，其质量比为2:1。分散剂为氧化石墨烯。
一种基于氧化石墨烯分散导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料，包括以下步骤：
步骤1：按照重量配比将导电炭黑、氧化石墨烯和功能助剂放入烘箱中去除水分；
步骤2：将导电炭黑放入固体搅拌机中，按重量配比将硅烷偶联剂KH550溶液直接喷洒在导电炭黑上并搅拌，一般搅拌在15分钟，转速为120rpm，填料处理后应在120摄氏度烘干(2小时)。
步骤3：将处理好的导电炭黑与氧化石墨烯按重量配比在高速混合机下继续混合均匀，其中，所述高速混合机是指转速控制在150rpm之间；搅拌时间为30分钟，得到高分散性导电炭黑。
步骤4：将处理好的高分散性导电炭黑、功能助剂和基体树脂按重量配比在高速混合机下继续混合均匀，其中，所述高速混合机是指转速控制在80rpm之间；搅拌时间为45分钟，得到混合物。
步骤5：将得到的混合物在双螺杆中熔融挤出，六区的挤出温度分别为130℃、140℃、150℃、160℃、150℃、140℃，主机转速为120rpm，将得到的挤出物经切粒和烘干制得颗粒料；
步骤6：将烘干后的颗粒料分开放入60℃烘箱中恒温4h，将交联剂然后将研磨后的交联剂与颗粒料进行混合，混合时间为10min，温度为60℃，最后放置在烘箱中6h，即得高压电缆半导电内屏蔽料。
实施例4
一种基于氧化石墨烯分散导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料，按重量份数计包括乙烯-丙烯酸丁酯58份，导电炭黑35份、分散剂1.5份、功能助剂4.5份、交联剂(BIBP)1份。润滑剂为硬脂酸锌，抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168，其质量比为2:1。分散剂为氧化石墨烯。
一种基于氧化石墨烯分散导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：按照重量配比将导电炭黑、氧化石墨烯和功能助剂放入烘箱中去除水分；
步骤2：将导电炭黑放入固体搅拌机中，按重量配比将硅烷偶联剂KH550溶液直接喷洒在导电炭黑上并搅拌，一般搅拌在15分钟，转速为120rpm，填料处理后应在120摄氏度烘干(2小时)。
步骤3：将处理好的导电炭黑与氧化石墨烯按重量配比在高速混合机下继续混合均匀，其中，所述高速混合机是指转速控制在150rpm之间；搅拌时间为30分钟，得到高分散性导电炭黑。
步骤4：将处理好的高分散性导电炭黑、功能助剂和基体树脂按重量配比在高速混合机下继续混合均匀，其中，所述高速混合机是指转速控制在80rpm之间；搅拌时间为45分钟，得到混合物。
步骤5：将得到的混合物在双螺杆中熔融挤出，六区的挤出温度分别为130℃、140℃、150℃、160℃、150℃、140℃，主机转速为120rpm，将得到的挤出物经切粒和烘干制得颗粒料；
步骤6：将烘干后的颗粒料分开放入60℃烘箱中恒温4h，将交联剂然后将研磨后的交联剂与颗粒料进行混合，混合时间为10min，温度为60℃，最后放置在烘箱中6h，即得高压电缆半导电内屏蔽料。
对比例1
对比例与实施例1制备方法相同，区别在于，高压电缆半导电屏蔽料，按重量百分比包括基体树脂59.5份，导电炭黑35份、功能助剂4.5份、交联剂(BIBP)1份。
对比例2
对比例与实施例1制备方法相同，区别在于，高压电缆半导电屏蔽料，按重量百分比包括基体树脂58.5份，导电炭黑35份、分散剂(EBS)1份、功能助剂4.5份、交联剂(BIBP)1份。
将实施例1～实施例4和对比例1、对比例2得到的高压电缆半导电屏蔽料放入平板硫化机中热压16min和冷压5min制得高压电缆半导电屏蔽层，通过裁制制备样品，测量其电气性能和力学性能。通过单螺杆挤出机制得带状半导电屏蔽层，测试其表面光洁度。
氧化石墨烯含量增加，表面突起数量以及尺寸，呈现先增加后减小的趋势。优选实施例3的氧化石墨烯含量为最好的效果，其电气性能和力学性能满足性能的要求，且表面无＞50μm的凸起，符合北欧化工对于高压电缆半导电屏蔽料表面光洁度凸起尺寸的要求。由于氧化石墨烯中的含氧官能团在极性基体树脂中具有良好的相容性，提高了导电炭黑在基体树脂中的分散性，减小导电炭黑粒子发生团聚，有利于长程导电网络的构筑，改善高压电缆屏蔽料的导电性能及力学性能。
对得到的样品测试其物理机械性能及电性能，结果如表1所示。
表1.实施例和对比例物理机械性能及电性能
Figure BDA0003795021570000071
从表1可以看出，氧化石墨烯含量的增加，半导电屏蔽料其力学性能逐渐增加，电气性能也得到优化。
本发明的高压电缆半导电屏蔽料及制备方法，通过对配方和加工工艺设计，保证了高压电缆半导电屏蔽料具有优秀电气性能和机械性能的基础上，进一步提高了高压电缆半导电屏蔽层的表面光洁度。由于氧化石墨烯在表面及边缘上大量含氧基团的引入，可在极性基体树脂中稳定存在，如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量，提高高压电缆半导电屏层的力学性能，且氧化石墨烯提供表面修饰活性位置和较大的比表面积，有效分散附着导电炭黑颗粒，防止团聚，提高其在基体树脂中的分散性，有利于长程导电网络的构筑，改善高压电缆屏蔽料的导电性能及力学性能；此外，还会减小导电炭黑团聚造成的明显凸起物，提高高压电缆半导电屏蔽料表面光洁度。

Claims (9)

1.一种基于氧化石墨烯分散导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料，其特征在于，按质量份数计包括：基体树脂60～65份、导电炭黑25～30份、分散剂1.5～3.5份、偶联剂1～2、功能助剂3～7份、交联剂0.9～2份；功能助剂为润滑剂和抗氧剂；所述的分散剂为氧化石墨烯，所述氧化石墨烯厚度为0.8～1.2nm，片径为0.5～5μm；含碳量小于46％，含氧量大于52％。
2.根据权利要求1所述的一种基于氧化石墨烯分散导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料，其特征在于，所述基体树脂为乙烯-丙烯酸乙酯共聚物和乙烯-丙烯酸丁酯共聚物中的一种或两种以任意比例混合构成。
3.根据权利要求1所述的一种基于氧化石墨烯分散导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料，其特征在于，所述偶联剂为硅烷偶联剂KH550。
4.根据权利要求3所述的一种基于氧化石墨烯分散导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料，其特征在于，所述润滑剂为硬脂酸锌和石蜡中的一种；抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168中的一种或两种以任意比例混合构成。
5.根据权利要求1所述的一种基于氧化石墨烯分散导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料，其特征在于，所述交联剂为过氧化二异丙基苯和2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧化)乙烷中的一种或两种以任意比例混合构成。
6.根据权利要求1所述的一种基于氧化石墨烯分散导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料，其特征在于，所述导电炭黑DBP吸收值为150～170ml/100g，平均粒径为30～70nm。
7.如权利要求1～6所述任一种基于氧化石墨烯分散导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：按重量配比称取各组分，将导电炭黑、氧化石墨烯和功能助剂干燥；
步骤2：将硅烷偶联剂喷洒在导电炭黑上，充分搅拌，干燥处理；
步骤3：将分散剂加入步骤2得到的导电炭黑中在高速混合机中混合均匀，得到高分散性导电炭黑；
步骤4：将步骤3得到的高分散性导电炭黑、功能助剂和基体树脂在高速混合机中充分混合均匀得到混合物；
步骤5：将步骤4得到的混合物在双螺杆中熔融挤出，挤出温度为160～200℃，主机转速为80～140rpm，挤出物经切粒烘干即可得到颗粒料；
步骤6：将步骤5得到的颗粒料烘干，将交联剂研磨后与颗粒料充分混合，烘干后即可得到高压电缆半导电屏蔽料。
8.根据权利要求7所述的一种基于氧化石墨烯分散导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中搅拌时间为10～30分钟，转速为80～150rpm，然后在120℃条件下干燥2小时；步骤6中颗粒料烘干温度为60℃，烘干时间为4h；交联剂和颗粒料混合时间为10min，温度为60℃；最后烘干时间为6h。
9.根据权利要求7所述的一种基于氧化石墨烯分散导电炭黑的高压电缆半导电屏蔽料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中高速混合机转速为100～200rpm，搅拌时间为10～30分钟；步骤4中高速混合机转速为50～100rpm，搅拌时间为30～60分钟。
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