乙丙橡膠電力電纜絕緣一步法硅烷交聯(lián)工藝

1、乙丙橡膠電力電纜絕緣一步法硅烷交聯(lián)工藝王福志,曾學(xué)忠,李繼濤,李金輝(河北寶豐線纜有限公司,河北河間062451摘要:介紹了乙丙橡膠硅烷交聯(lián)機(jī)理和一步法硅烷交聯(lián)新工藝,針對(duì)一步法硅烷交聯(lián)新工藝,簡(jiǎn)要闡述了原材料的選擇、復(fù)合硅烷的配方、加工工藝等;同時(shí)介紹了一步法硅烷交聯(lián)乙丙橡膠絕緣電力電纜的性能指標(biāo)。關(guān)鍵詞:乙丙橡膠電力電纜;硅烷交聯(lián);一步法;工藝中圖分類號(hào):T M215.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):167226901(2005022*C absil Process of EPR Pow er C ables CompoundW ANG Fu 2zhi ,et al(Baofeng Wire a

2、nd Cable C o.,Ltd.,Hebei ,Hejian 062451,China Abstract :This paper presents the mechanism of silane crosslinking of EPR and the new Cabsil process.In terms of the Cabsil process ,paper discusses the selection of raw materials ,formulation of com pounded silane and process as well as the per formance

3、 requirements of EPR power cables manu factured by the Cabsil process.K ey w ords :EPR power cables ;silane crosslinking ;Cabsil process ;process收稿日期:2004206207 作者簡(jiǎn)介:王福志(1973-,男,遼寧沈陽(yáng)人,工程師.作者地址:河北河間市景和工業(yè)區(qū)062451.1引言乙丙橡膠是以乙烯、丙烯或乙烯、丙烯及少量的非共軛雙烯為單體,采用溶液法或懸浮法進(jìn)行二元或三元共聚而制得的無(wú)規(guī)聚合物,前者稱為二元乙丙橡膠(EPM ,后者稱為三元乙丙橡膠(EP

4、DM 。乙丙橡膠是一種無(wú)定型的非結(jié)晶聚合物,其分子主鏈上乙烯和丙烯單體單元呈無(wú)規(guī)排列,失去了聚乙烯或聚丙烯結(jié)構(gòu)的規(guī)整性,成為具有彈性的橡膠1。乙丙橡膠作為電纜的絕緣,其耐溫等級(jí)、老化性能、柔軟性等都優(yōu)于交聯(lián)聚乙烯。傳統(tǒng)的乙丙橡膠絕緣電纜生產(chǎn)采用蒸汽連續(xù)硫化工藝,以硫磺或過(guò)氧化物作為交聯(lián)劑,同時(shí)需要加入大量的添加劑,其優(yōu)點(diǎn)是效率高,質(zhì)量穩(wěn)定。但是其工藝繁瑣,頻繁更換規(guī)格時(shí)會(huì)造成很大的浪費(fèi)。而硅烷交聯(lián)乙丙橡膠就可以改變這種狀況,其生產(chǎn)方式與硅烷交聯(lián)聚乙烯一樣。根據(jù)工藝的不同,硅烷交聯(lián)乙丙橡膠可分為一步法硅烷交聯(lián)和兩步法硅烷交聯(lián)。目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出硅烷交聯(lián)乙丙橡膠材料,國(guó)外已經(jīng)開(kāi)發(fā)出兩步法硅烷交聯(lián)

5、乙丙橡膠,如意大利潘德那公司、美國(guó)道化學(xué)公司、英國(guó)AEI 公司等均有樣本介紹2。但是進(jìn)口的硅烷交聯(lián)乙丙橡膠材料價(jià)格昂貴,無(wú)法與國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的硫化工藝相抗衡。一步法硅烷交聯(lián)乙丙橡膠是采用硅烷作為交聯(lián)劑,將其直接注入一步法擠出機(jī)中與生膠混合,共混、接枝、成型等一步完成,工藝簡(jiǎn)單、易操作,只要擁有一步法擠出機(jī)就能夠?qū)崿F(xiàn)批量生產(chǎn)。我公司就是利用公司原有一步法設(shè)備成功開(kāi)發(fā)出一步法硅烷交聯(lián)乙丙橡膠絕緣電纜。2交聯(lián)機(jī)理硅烷交聯(lián)乙丙橡膠的交聯(lián)機(jī)理和硅烷交聯(lián)聚乙烯相同,是在有機(jī)過(guò)氧化物引發(fā)作用下,將含有不飽和乙烯基和易于水解的硅氧基多官能團(tuán)的硅烷接枝到乙丙橡膠的主鏈上,然后將此接枝物在水及硅醇縮合催化劑作用下發(fā)生水

6、解并縮合形成Si O Si 交聯(lián)鍵,將乙丙橡膠主鏈連接成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),即得到硅烷交聯(lián)乙丙橡膠。反應(yīng)式如下:(1在乙丙共聚物上接枝反應(yīng)乙烯鏈上接枝反應(yīng):RO OR2RO CH 2CH 2CH 2+RO CH 2C H CH 2+ROHCH 2C H CH 2+H 2C =CH Si (OR 3CH 2CH H 2C C H Si (OR 3CH 2接枝鏈段上的活性基將會(huì)引發(fā)其它主鏈進(jìn)行接枝傳遞或偶聯(lián)。丙烯鏈上接枝反應(yīng):RO OR 2RO CH 2CH CH 3CH 2CHCH 3+RO CH 2CH CH 3CH 2CCH 3+ROHCH 2CH CH 3CH 2C CH 3+H 2C =CH

7、Si (OR 3CH 2CH CH 3CH 2CCH 3H 2C C Si (OR 3接枝鏈段上的活性基將會(huì)引發(fā)其它主鏈進(jìn)行接枝傳遞或偶聯(lián)。(2烷氧基水解并縮合交聯(lián)H 2C CH 2Si (OR 3+H 2O催化劑H 2C CH 2SiOH +R OHOROR 2(H 2C CH 2SiOH OROR 催化劑(H 2C CH 2Si O Si CH 2CH 2+H 2O OROROROR硅烷中三個(gè)烷氧基全部水解并縮合,便將乙丙共聚物連接成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。3原材料3.1乙丙橡膠材料我們選用三元乙丙橡膠(EPDM 作為橡膠絕緣材料。一步法硅烷交聯(lián)的特點(diǎn)是要求硅烷能夠迅速接枝到乙丙橡膠的主鏈上,這就要

8、求三元乙丙橡膠應(yīng)具有很高的活性。三元乙丙橡膠所用的第三單體為非共軛二烯烴類,其種類和用量對(duì)交聯(lián)速度、橡膠的機(jī)械物理性能均有直接的影響。第三單體為乙叉降冰片烯的三元乙丙橡膠(E NB 2EPDM 是比較合適的硅烷交聯(lián)橡膠材料,其中E NB 的含量在5%為宜。國(guó)內(nèi)外均有廠家生產(chǎn)此類材料,如美國(guó)杜邦公司、中國(guó)吉林化學(xué)工業(yè)公司等是提供E NB 2EPDM 的理想廠家。3.2復(fù)合型硅烷復(fù)合型硅烷是以硅烷為主體,并加入一定量的引發(fā)劑、抗氧劑、交聯(lián)催化劑以及適量的分散劑所形成的多種助劑并存的混合物?？紤]到實(shí)際交聯(lián)速率的要求,硅烷通常選用乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷或乙烯基三(二甲氧基乙氧基硅烷等三

9、種硅烷料,其中乙烯基三甲氧基硅烷的水解速率最快。引發(fā)劑通常選用半衰期為1min 及分解溫度為160200°C 的有機(jī)過(guò)氧化物,如過(guò)氧化二異丙苯(DCP 分解溫度為171°C ;1,32二特丁基過(guò)氧化二異丙苯分解溫度為182°C 。加入抗氧劑可以保證加工過(guò)程中物料的穩(wěn)定性及制品的使用穩(wěn)定性,抑制氧化降解,提高使用壽命。四2(3,52二叔丁基242羥基苯基丙酸季戊四醇酯(代號(hào)為1010是一種揮發(fā)性低、無(wú)毒、無(wú)污染的抗氧劑,是抗氧劑的首選品種。我們選用抗氧劑1010和抗氧劑4010配合使用效果很好。加入合適的交聯(lián)催化劑可以大大縮短交聯(lián)時(shí)間,提高生產(chǎn)效率。一般采用二丁基錫

10、二月桂酸酯作為交聯(lián)催化劑。復(fù)合型硅烷的具體配方見(jiàn)表1。表1復(fù)合型硅烷配方組分名稱重量份數(shù)組分名稱 重量份數(shù)硅烷100交聯(lián)催化劑25引發(fā)劑10分散劑20抗氧劑504生產(chǎn)工藝4.1工藝流程(見(jiàn)圖1圖1生產(chǎn)工藝流程4.2工藝參數(shù)(1復(fù)合型硅烷注入比例。復(fù)合型硅烷以1%3%的比例注入一步法擠出機(jī)。(2工藝溫度。建議按如下控制:機(jī)身為150°C 、170°C 、180°C 、190°C 、190°C 機(jī)頭為200°C 、210°C 、210°C ?？跒?10°C 。32(3水浴溫度為8090°C,水浴時(shí)間

11、為56h。4.3注意事項(xiàng)為了促使乙丙橡膠和復(fù)合型硅烷均勻混合以及能夠充分接枝,建議采用分離型螺桿或屏障型螺桿,螺桿長(zhǎng)徑比為30倍為宜。但值得注意的是物料不應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間停留在擠出機(jī)內(nèi),以防止出現(xiàn)焦燒或過(guò)早交聯(lián)。擠出過(guò)程中不得有水分進(jìn)入,色母料須在60 70°C的除濕烘干器中至少干燥4h。若電纜導(dǎo)體材料為銅線,則需要在復(fù)合型硅烷中加入金屬純化劑,以防止銅線對(duì)乙丙橡膠絕緣的催化老化。表2乙丙橡膠絕緣電力電纜的性能檢驗(yàn)項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)要求實(shí)測(cè)結(jié)果檢驗(yàn)項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)要求實(shí)測(cè)結(jié)果20°C絕緣電阻常數(shù)(Mkm3677890空氣箱老化后:90°C絕緣電阻常數(shù)(Mkm 3.67583抗張強(qiáng)度變化率%

12、±30+5工頻耐壓試驗(yàn)(7.2kV,4h不擊穿通過(guò)斷裂伸長(zhǎng)率變化%±30+1195°C下沖擊電壓試驗(yàn)(40kV正負(fù)極性各10次不擊穿通過(guò)熱延伸試驗(yàn)(250°C,15m in,0.2MPa負(fù)載下伸長(zhǎng)率%17540絕緣機(jī)械性能試驗(yàn)冷卻后永久變形%150老化前:耐臭氧試驗(yàn)不開(kāi)裂通過(guò)抗張強(qiáng)度MPa4.214.9吸水試驗(yàn)斷裂伸長(zhǎng)率%200470重量變化(mgcm21.00.04注:耐臭氧試驗(yàn)中臭氧含量為0.025%0.030%,試驗(yàn)時(shí)間為30h。5性能指標(biāo)我公司為廣州地鐵三號(hào)線提供的直流1500V 硅烷乙丙橡膠絕緣電力電纜順利通過(guò)了國(guó)家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的檢

13、測(cè),各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到合同和標(biāo)準(zhǔn)要求,性能指標(biāo)見(jiàn)表2。6結(jié)束語(yǔ)(1乙丙橡膠一步法硅烷交聯(lián)工藝工序少、易操作、成本低,有能力和傳統(tǒng)的蒸汽硫化工藝競(jìng)爭(zhēng)。(2乙丙橡膠絕緣電纜是船用電纜、礦用電纜和機(jī)車車輛用電纜優(yōu)先采用的品種,一步法硅烷交聯(lián)乙丙橡膠絕緣直流電纜在廣州地鐵三號(hào)線得到成功應(yīng)用,有著廣闊的市場(chǎng)前景。(3乙丙橡膠一步法硅烷交聯(lián)工藝的出現(xiàn),為乙丙橡膠開(kāi)辟了另一條發(fā)展產(chǎn)品的途徑。參考文獻(xiàn):1徐應(yīng)麟,主編.電線電纜手冊(cè)(第2冊(cè)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001,428-459.2張兆煥.硅烷交聯(lián)乙丙橡膠的應(yīng)用J.中國(guó)電線電纜網(wǎng)刊,2004,(5:324.(上接第21頁(yè)對(duì)冷縮與熱縮式及預(yù)制式電纜附件的特

14、點(diǎn)進(jìn)行了分析,在此基礎(chǔ)上完成了電纜附件的選型,在由超導(dǎo)電纜本體、中間連接及終端模型組成的電纜集成體模型上完成終端及電纜中間連接的絕緣加工,并進(jìn)行了4h×35kV及1min×42kV耐壓試驗(yàn)。試驗(yàn)表明絕緣的設(shè)計(jì)與加工是成功的。超導(dǎo)電纜本體及中間連接與終端絕緣的順利完成為即將進(jìn)行的掛網(wǎng)運(yùn)行試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。(鳴謝:感謝王銀順博士及張建濤,韓軍杰、趙祥工程師等給予的支持與幫助。非常感謝中科院電工研究所應(yīng)用超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及甘肅長(zhǎng)通電纜科技公司技術(shù)中心、深圳沃爾核材料公司的大力支持參考文獻(xiàn):1Lin Y B.Development and testing of10.5kV1.5kA H

15、TS power cableA.the20th International Cry ogenic Engineering C on ferenceC.Hefei China,2004.2Pietro C orsaro.M anu facturing and comm issioning of24kVsuperconducting cable in DetroitJ.Physica C3782381,2002:11682 1173.3W esche R.Design of superconducting power cableJ.Cry ogenics,1999,(39:767-775.4滕玉平,肖立業(yè).10.5kV1.5kA高溫超導(dǎo)電力電纜電場(chǎng)分析及絕緣J電工電能新技術(shù)(已錄用,待刊出.5G ouge M J.Development and testing of HT