電力電纜用半導(dǎo)電材料在不斷進(jìn)展(編輯修改稿)
2025-08-30 05:34 本頁面
【文章內(nèi)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(dǎo)電材料的溫度上限通常在275—300℃范圍內(nèi)。EVA是通過脫去乙酸進(jìn)行分解且在聚合物鏈中形成雙鍵（乙酸基轉(zhuǎn)移），形成的乙酸是一嚴(yán)重問題，因?yàn)樗歉g性的，特別在高溫下，引起擠出設(shè)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(guān)系，（材料在各溫度點(diǎn)下曝露90min），因?yàn)橹亓繐p失也與共單體含量有關(guān)，%%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(jī)理本質(zhì)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(nèi)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(jìn)行生產(chǎn)。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(shù)字指的是以mol為單位的共單體含量百分?jǐn)?shù) 基礎(chǔ)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(dǎo)電屏蔽，特別是靠近導(dǎo)體的半導(dǎo)電屏蔽層通常會發(fā)生交聯(lián)，由此使該材料能在90℃下運(yùn)行，即高于母體聚合物的熔點(diǎn)。交聯(lián)最常用的方法是添加有機(jī)過氧化物，在硫化管內(nèi)的高溫下形成化學(xué)交聯(lián)。當(dāng)用擠出加工聚合物時，重要的是要保證混合物離開三重?cái)D出機(jī)頭后才發(fā)生交聯(lián)。電纜內(nèi)最致命的缺陷之一是導(dǎo)電的半導(dǎo)電材料結(jié)塊，它可能位于屏蔽層中的一層，已經(jīng)知道因過早交聯(lián)而引起的半導(dǎo)電屏蔽層結(jié)塊是發(fā)生在過氧化物可交聯(lián)的化合物中（圖10），在擠出機(jī)內(nèi)，過早交聯(lián)（有時稱為早熟或焦化）引起凝膠，聚合物的凝膠會粘結(jié)在設(shè)備的表面，這就會出現(xiàn)許多問題：●在設(shè)備內(nèi)可能會發(fā)生堵塞，引起擠出后屏蔽層出現(xiàn)缺陷；●擠出長度受到過分限制，增加清理的負(fù)擔(dān)；●結(jié)成的導(dǎo)電塊會從設(shè)備脫落，埋入絕緣/半導(dǎo)電層界面中，由此引起局部電應(yīng)力。因此，不易焦化的材料在性能上具有顯著優(yōu)點(diǎn)，為研制具有抗焦化性好的材料，已開發(fā)了一種新的試驗(yàn)方法，旨在于鑒定實(shí)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(nèi)，可以達(dá)到正常生產(chǎn)需要幾天的焦化度。使用一臺實(shí)驗(yàn)室用擠出機(jī)，其模具經(jīng)特殊設(shè)計(jì)，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(jìn)焦化。該試驗(yàn)可以在選定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，使用恒定出率，材料至少連續(xù)運(yùn)行5h 試驗(yàn)結(jié)束后，取出模具中熱的樣品（圖12），對其進(jìn)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(bào)告六個截面的平均值。根據(jù)從模具中取出的樣品形狀，該試驗(yàn)通常被稱為“胡蘿卜焦化試驗(yàn)”。圖13表明用二種半導(dǎo)電材料得到的“胡蘿卜焦化試驗(yàn)”結(jié)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(xì)致設(shè)計(jì)，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(jīng)分析表明，達(dá)到相同的焦化水平，材料M可以在高8℃的溫度下運(yùn)行，或者在相同溫度下，它的焦化危險(xiǎn)性較小（熔融溫度為136℃下45%）。為了進(jìn)一步降低焦化的危險(xiǎn)性，可以在半導(dǎo)電材料的擠出性能上作改進(jìn)（本例中材料M），出率試驗(yàn)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(lián)反應(yīng)，以得到在低的熔融溫度下焦化最小。這三個因素結(jié)合在一起，可以得到最佳工藝性。這三個因素怎樣結(jié)合的一個例子可以用提高生產(chǎn)率的需要加以論述。許多CV（電力電纜）生產(chǎn)線的出率受到限制，因?yàn)橥瓿山宦?lián)反應(yīng)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(diǎn)，必須保證要有與此相配的高速半導(dǎo)電生產(chǎn)技術(shù)，由此，要求半導(dǎo)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(nèi)較短時間就能交聯(lián)（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(jià)，用1：1的中壓電纜測試固化性能，在不同線速度下生產(chǎn)20kV/min/50mm2的電纜，從內(nèi)半導(dǎo)電層取出測量交聯(lián)度、熱凝固溫度所用的樣品[12]。在廣泛的速度范圍內(nèi)，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(jìn)，材料L的交聯(lián)速度既較快，又不容易發(fā)生提早交聯(lián)（見圖116）。光滑度 所用半導(dǎo)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(dǎo)電層之間的界面光滑度十分關(guān)鍵，半導(dǎo)電層的突出物可能會進(jìn)入絕緣，使局部電應(yīng)力增大，通電時，電應(yīng)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(yīng)力的增大，均起一定作用，估計(jì)這種效應(yīng)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(yīng)力增大因子η與γ
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