電力電纜用半導電材料在不斷進展(編輯修改稿)
2025-08-30 05:34 本頁面
【文章內容簡介】 物中，丙烯酸酯要優(yōu)于乙酸酯（圖9）。一種常用的乙酸酯—乙烯和乙酸乙烯共聚物（EVA）在150℃開始熱分解，在330℃ 30min后完全裂解[9]，為確保有足夠的安全裕度，基于乙酸酯的半導電材料的溫度上限通常在275—300℃范圍內。EVA是通過脫去乙酸進行分解且在聚合物鏈中形成雙鍵（乙酸基轉移），形成的乙酸是一嚴重問題，因為它是腐蝕性的，特別在高溫下，引起擠出設備損壞。丙烯酸酯聚合物的裂解溫度很高，穩(wěn)定性極好。圖9表明丙烯酸酯和乙酸酯各自共聚物的重量損失與溫度的關系，（材料在各溫度點下曝露90min），因為重量損失也與共單體含量有關，%%mol丙烯酸丁酯的EBA測量值的上限曲線和下限曲線之間的范圍。%%mol之間。從該研究中[9]可以清楚看到因丙烯酸酯共聚物和乙酸酯共聚物的降解機理本質上不同，因此EVA的降解速率要高的多，圖9表明丙烯酸酯（EBA、EEA和EMA）的溫度上限要比發(fā)生類似降解的乙酸酯（EVA）高5075℃。表1表明在恒定溫度下發(fā)生降解的穩(wěn)定性[10]，熱穩(wěn)定性高，可以允許硫化管內的溫度較高，這樣電纜可以用較高線速度或用較長的時間進行生產。表1 330℃下（恒熱）熱天平分析（TGA），每隔20min測一次重量損失（%），聚合物代號后的數字指的是以mol為單位的共單體含量百分數 基礎樹脂重量損失（%）時間（min）204060乙酸酯1213完全降解丙烯酸酯123123112擠出半導電屏蔽，特別是靠近導體的半導電屏蔽層通常會發(fā)生交聯，由此使該材料能在90℃下運行，即高于母體聚合物的熔點。交聯最常用的方法是添加有機過氧化物，在硫化管內的高溫下形成化學交聯。當用擠出加工聚合物時，重要的是要保證混合物離開三重擠出機頭后才發(fā)生交聯。電纜內最致命的缺陷之一是導電的半導電材料結塊，它可能位于屏蔽層中的一層，已經知道因過早交聯而引起的半導電屏蔽層結塊是發(fā)生在過氧化物可交聯的化合物中（圖10），在擠出機內，過早交聯（有時稱為早熟或焦化）引起凝膠，聚合物的凝膠會粘結在設備的表面，這就會出現許多問題：●在設備內可能會發(fā)生堵塞，引起擠出后屏蔽層出現缺陷；●擠出長度受到過分限制，增加清理的負擔；●結成的導電塊會從設備脫落，埋入絕緣/半導電層界面中，由此引起局部電應力。因此，不易焦化的材料在性能上具有顯著優(yōu)點，為研制具有抗焦化性好的材料，已開發(fā)了一種新的試驗方法，旨在于鑒定實際電纜擠出過程中的焦化度，這種方法使焦化加速，幾小時內，可以達到正常生產需要幾天的焦化度。使用一臺實驗室用擠出機，其模具經特殊設計，以評定焦化度，該模具（圖11）的通道較長（直徑恒定）且滯留時間長以促進焦化。該試驗可以在選定溫度范圍內進行，使用恒定出率，材料至少連續(xù)運行5h 試驗結束后，取出模具中熱的樣品（圖12），對其進行檢查，得到該樣品的焦化量，檢查方法是用顯微鏡測量六個截面的焦化體積，報告六個截面的平均值。根據從模具中取出的樣品形狀，該試驗通常被稱為“胡蘿卜焦化試驗”。圖13表明用二種半導電材料得到的“胡蘿卜焦化試驗”結果。曲線表明提高熔融溫度，焦化度通常趨向于較高。這兩個例子表明對材料作細致設計，可以顯著改善抗焦化水平和對溫度的敏感性（焦化隨溫度增加的速率）。經分析表明，達到相同的焦化水平，材料M可以在高8℃的溫度下運行，或者在相同溫度下，它的焦化危險性較?。ㄈ廴跍囟葹?36℃下45%）。為了進一步降低焦化的危險性，可以在半導電材料的擠出性能上作改進（本例中材料M），出率試驗表明，在相同的出率下，可降低熔融溫度（2℃5℃）和熔融壓力（30100bar）( 圖14)。這樣，可通過三種方法提高工藝性：●可以使用熱穩(wěn)定性較高的聚合物；●將材料制成熔融溫度最低；●可以控制交聯反應，以得到在低的熔融溫度下焦化最小。這三個因素結合在一起，可以得到最佳工藝性。這三個因素怎樣結合的一個例子可以用提高生產率的需要加以論述。許多CV（電力電纜）生產線的出率受到限制，因為完成交聯反應需要一段時間。最近，已可購得減小這種限制的XLPE絕緣材料，其線速度可增加2030%[11]，為發(fā)揮這種優(yōu)點，必須保證要有與此相配的高速半導電生產技術，由此，要求半導電材料在較高出率下的熔融溫度低、抗焦化性好以及在CV管內較短時間就能交聯（高速）。采用前面而所述的出率和焦化方法對工藝特性作出了評價，用1：1的中壓電纜測試固化性能，在不同線速度下生產20kV/min/50mm2的電纜，從內半導電層取出測量交聯度、熱凝固溫度所用的樣品[12]。在廣泛的速度范圍內，從得到的合適而穩(wěn)定的熱凝固水平看，與材料A相比，材料L的固化性能有顯著改進，材料L的交聯速度既較快，又不容易發(fā)生提早交聯（見圖116）。光滑度 所用半導電材料 的光滑度和潔凈度對電纜的電氣性能具有很大影響，在絕緣和半導電層之間的界面光滑度十分關鍵，半導電層的突出物可能會進入絕緣，使局部電應力增大，通電時，電應力增大會引起破壞，或使電老化加速，以后多半會發(fā)生破壞。在這種情況中，缺陷的密度、形狀和大小對局部電應力的增大，均起一定作用，估計這種效應的大心得大小有許多方法[13]。但Ｍason推薦一種方便的方法［14］： 2d η= ————————— (5) γ+4d γln ( ———— ) γ式中應力增大因子η與γ
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