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CN110041625A - 一种船舶岸电电缆绝缘层用复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种船舶岸电电缆绝缘层用复合材料及其制备方法 Download PDF

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CN110041625A
CN110041625A CN201910335115.9A CN201910335115A CN110041625A CN 110041625 A CN110041625 A CN 110041625A CN 201910335115 A CN201910335115 A CN 201910335115A CN 110041625 A CN110041625 A CN 110041625A
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CN
China
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parts
composite material
electric cable
cable insulation
shore electric
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Application number
CN201910335115.9A
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党智敏
王思蛟
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Tsinghua University
State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
Shandong Electrical Engineering and Equipment Group Co Ltd
Original Assignee
Tsinghua University
State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
Shandong Electrical Engineering and Equipment Group Co Ltd
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Publication date
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Abstract

本发明公开了一种船舶岸电电缆绝缘层用复合材料及其制备方法，其中各原料成分及其质量份数为：三元乙丙橡胶(EPDM)50‑90份，低密度聚乙烯(LDPE)10‑50份、纳米氧化锌1‑5份，橡胶硫化促进剂0.2‑1份，橡胶防老剂0.2‑1份，交联剂0.1‑0.5份，增强剂6‑30份，硫化剂0.5‑5份，白油20份。制备方法包括：首先将原料各组分在常温下混合均匀，其次将混合好的原料熔融共混，冷却后放入平板硫化机中升温加压处理，即制得船舶岸电电缆绝缘层用复合材料。本发明生产出来的电缆用绝缘层材料不仅显著提高了机械强度、抗拉强度、韧性，同时还具有良好的电绝缘性能。

Description

一种船舶岸电电缆绝缘层用复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及电缆用绝缘料，尤指一种船舶岸电电缆绝缘层用复合材料及其制备方法。
背景技术
随着低碳减排的呼声越来越高，使用重油或柴油发电的传统方式已逐渐被淘汰，通过港口对靠泊大型船舶提供岸电已经成为一种趋势。目前使用的岸电电缆电气性能、机械性能和耐盐雾性能等难以达到使用要求。三元乙丙橡胶(EPDM)因具有耐水、耐老化、耐化学品腐蚀和电气绝缘等优异性能被广泛应用于电线电缆等行业。然而，由于纯EPDM的机械性能较差(抗拉强度7M/mm2)、电气性能一般(击穿电压30-40MV/m)、硫化速度慢和价格昂贵等劣势，不能直接用于工程电缆绝缘料，因此研究出一种无卤阻燃绝缘的岸电电缆料成为至关重要的课题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种船舶岸电电缆绝缘层用复合材料及其制备方法，本发明制备方法简单，组成原料配方合理，物理机械性能和电气绝缘性大大提高，能克服电缆在使用过程中因机械性能下降而带了电缆寿命的缩短等缺陷。
为了达到本发明目的，本发明提供了一种船舶岸电电缆绝缘层用复合材料，所述绝缘层用复合材料的原料按质量份计包含下列组分：低密度聚乙烯10-50份、三元乙丙橡胶50-90份、纳米氧化锌1-5份、橡胶硫化促进剂0.2-1份、橡胶防老剂0.2-1份、交联剂0.1-0.5份、增强剂6-30份、硫化剂0.5-5份，白油10-25份。
可选地，所述绝缘层用复合材料的原料仅由上述材料组成。
在本发明提供的船舶岸电电缆绝缘层用复合材料中，所述绝缘层用复合材料的原料组分及质量份如下：低密度聚乙烯10份、三元乙丙橡胶90份、纳米氧化锌3份、橡胶硫化促进剂0.6份、橡胶防老剂0.6份、交联剂0.3份、增强剂18份以及硫化剂2.7份，白油19份；
或，所述绝缘层用复合材料的原料组分及质量份如下：低密度聚乙烯30份、三元乙丙橡胶70份、纳米氧化锌3份、橡胶硫化促进剂0.6份、橡胶防老剂0.6份、交联剂0.3份、增强剂18份以及硫化剂2.7份，白油20份；
或，所述绝缘层用复合材料的原料组分及质量份如下：低密度聚乙烯50份、三元乙丙橡胶50份、纳米氧化锌3份、橡胶硫化促进剂0.6份、橡胶防老剂0.6份、交联剂0.3份、增强剂18份以及硫化剂2.7份，白油22份；
或，所述绝缘层用复合材料的原料组分及质量份如下：低密度聚乙烯35份、三元乙丙橡胶65份、纳米氧化锌3份、橡胶硫化促进剂1份、橡胶防老剂0.6份、交联剂0.3份、增强剂30份以及硫化剂2.7份，白油20份。
在本发明提供的船舶岸电电缆绝缘层用复合材料中，所述橡胶防老剂选自2-硫醇基苯并咪唑和四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯中的一种或两种。
在本发明提供的船舶岸电电缆绝缘层用复合材料中，所述交联剂选自异氰脲酸三烯丙酯和三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯中的一种或两种。
在本发明提供的船舶岸电电缆绝缘层用复合材料中，所述增强剂选自气相白炭黑；所述橡胶硫化促进剂为硬脂酸；所述硫化剂选自过氧化二异丙苯和硫粉中的一种或两种。
在本发明提供的船舶岸电电缆绝缘层用复合材料中，所述的纳米氧化锌的粒径为50±10nm。
另一方面，本发明提供了一种上述船舶岸电电缆绝缘层用复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按配方成分的重量份数称取原料各组分，将原料各组分在常温下混合均匀，再将混合好的原料在密封条件下熔融共混；待物料的扭矩达到平衡后，将所得共熔体取出，取出后自然冷却；
(2)然后，将步骤(1)制得的混合物放入模具中，随后连同模具一起放置于平板硫化机中，在3-5MPa下先预热3-5min，加压至5-10MPa，保压后泄压；
(3)继续在平板硫化机中保压，待保压温度稳定后，在10-15MPa保压2-10min后泄压取出模具，放置在冷压机中，在5-10MPa下冷压5-10min后取出，即制得船舶岸电电缆绝缘层用复合材料。
可选地，所述船舶岸电电缆绝缘层用复合材料的制备方法由上述步骤组成。
在本发明提供的船舶岸电电缆用EPDM绝缘层材料的制备方法中，步骤(1)中所述熔融共混的温度为80-110℃，以40-70r/min转速熔融共混5-25min。
在本发明提供的船舶岸电电缆用EPDM绝缘层材料的制备方法中，步骤(2)中所述平板硫化机温度为165-175℃；步骤(2)循环2次以上。
在本发明提供的船舶岸电电缆用EPDM绝缘层材料的制备方法中，步骤(3)中，所述保压温度为145-175℃。
本发明的有益效果：
本发明通过熔融共混将纳米氧化锌、硬脂酸、白炭黑等填充于热塑性EPDM/LDPE中，制得改性热塑性复合材料样品，不仅在性能上仍保留EPDM固有的特性，而且具有显著的热塑性塑料的注射、挤出、吹塑及压延成型的工艺性能，在填料的作用下性能可控地增强。本发明提供EPDM构成的绝缘层使船舶用岸电电缆具有无卤阻燃绝缘的效果，同时具有良好的机械强度、耐磨性、抗拉强度、韧性，且防水性能、耐热和抗老化性能优越，环保无污染，经久耐用，完全满足岸电电缆的要求。在生产上功能多样、适用范围广，具有电力传输、通讯等多功能、多领域用途。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为实施例和对比例中制得的橡胶复合材料拉伸强度对比图；
图2为实施例和对比例中制得的橡胶复合材料击穿强度威布尔分布图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在本发明实施例中，提供了一种船舶岸电电缆绝缘层用复合材料，其中，所述绝缘层用复合材料的原料组分及质量份如下：低密度聚乙烯10-50份、三元乙丙橡胶50-90份、纳米氧化锌1-5份、橡胶硫化促进剂0.2-1份、橡胶防老剂0.2-1份、交联剂0.1-0.5份、增强剂6-30份、硫化剂0.5-5份，白油10-25份。
在本发明实施例中，所述绝缘层用复合材料的原料组分及质量份如下：低密度聚乙烯35份、三元乙丙橡胶65份、纳米氧化锌3份、橡胶硫化促进剂0.6份、橡胶防老剂0.6份、交联剂0.3份、增强剂18份以及硫化剂2.7份，白油20份。
在本发明实施例中，所述橡胶防老剂选自2-硫醇基苯并咪唑和四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯中的一种或两种。
在本发明实施例中，所述交联剂选自异氰脲酸三烯丙酯和三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯中的一种或两种。
在本发明实施例中，所述增强剂选自气相白炭黑；所述橡胶硫化促进剂为硬脂酸；所述硫化剂选自过氧化二异丙苯和硫粉中的一种或两种。
在本发明实施例中，所述的纳米氧化锌的粒径为50±10nm。
在本发明实施例中，使用的原料参数如下：低密度聚乙烯1C7A，购自燕山石化；三元乙丙橡胶4570H，购自美国陶氏；纳米氧化锌，粒径50±10nm，购自阿拉丁试剂；分析纯硬脂酸；2-巯基苯并咪唑，分析纯，购自阿拉丁试剂；四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(抗氧剂1010)，分析纯，购自阿拉丁试剂；异氰脲酸三烯丙酯(TAIC)，98％，含500ppm BHT稳定剂，购自阿拉丁试剂；白炭黑，HN-200，江苏昊能化工有限公司；硫粉，CP＞99.5％，阿拉丁试剂；过氧化二异丙苯(DCP)，CP＞98％，江苏道明化学有限公司；白油，购自泊润能源。
具体实施方式中复合材料测试方法如下：
应力和应变：按照GB/T 8815标准测试
击穿强度：按照GB/T 1408.1-2006标准测试，样品厚度为1mm±0.1mm。根据weibull分布数据处理方法，所得数据处理后作图，如图2所示。
介电常数：将样品制成直径为1cm2的小片，将其正反两面涂上银电极，在常温下频率为102Hz-106Hz下的范围内利用阻抗分析仪(ESPEC CORP SU-261)对材料进行测试。
体积电阻率的测量:根据GB/T 1408.1-2006标准测试，样品厚度为2mm±0.1mm，测试电压为100V。
实施例1
船舶岸电电缆用EPDM绝缘层材料，原料中各成分及其质量份数为：
低密度聚乙烯10份、三元乙丙橡胶90份、纳米氧化锌3份、硬脂酸0.6份、2-巯基苯并咪唑0.6份、异氰脲酸三烯丙酯TAIC 0.3份、白炭黑18份、硫粉0.6份、过氧化二异丙苯DCP2.1份，白油19份。所述的纳米氧化锌的粒径为50±10nm；
具体制备操作如下：
(1)按配方成分的重量份数称取原料，将全部原料混合均匀，再将流变仪温度升至100℃、转速为60r/min，然后加入混合好的原料，随即将混料槽密封，使物料在共混槽中熔融共混10min；
(2)待流变仪中物料的扭矩达到平衡值后得到EPDM/LDPE复合材料，将EPDM/LDPE复合材料从流变仪中取出后自然冷却；
(3)然后，将得到的EPDM/LDPE复合材料放置于模具中，随后转到各层温度均达到170℃的平板硫化机中，在5MPa下先预热5min，缓慢加压至10Mpa，短暂保压后泄压，此过程循环3次。循环后待温度稳定在170℃时，在15MPa，保压2min后泄压，取出模具，室温时在8Mpa下冷压5min后取出，即得船舶岸电电缆用EPDM绝缘层材料，装袋密封标记备测。
实施例1生产出来的绝缘料的主要性能指标如表1所示：
表1：实施例1中EPDM/LDPE绝缘料的主要性能指标统计表
序号 性能项目 单位 性能参数
1 应力 N/mm<sup>2</sup> 15
2 应变 ％ 1030
3 击穿强度 MV/m 21
4 体积电阻率 Ω·cm<sup>-1</sup> 10<sup>10</sup>
5 介电常数(1000HZ) — 3.8
实施例2：
船舶岸电电缆用EPDM绝缘层材料，其中各成分及其质量份数为：
低密度聚乙烯30份、三元乙丙橡胶70份、纳米氧化锌3份、硬脂酸0.6份、2-硫醇基苯并咪唑0.6份、异氰脲酸三烯丙酯TAIC 0.3份、白炭黑18份、硫粉0.6份、DCP 2.1份，白油20份。所述的纳米氧化锌的粒径为50±10nm；
具体制备操作如下：
(1)按配方成分的重量份数称取原料，将全部原料混合均匀，再将流变仪温度升至100℃、转速为60r/min，然后加入混合好的原料，随即将混料槽密封，使物料在共混槽中熔融共混10min；
(2)待流变仪中物料的扭矩达到平衡值后得到EPDM/LDPE复合材料，将EPDM/LDPE复合材料从流变仪中取出后自然冷却；
(3)然后，将得到的EPDM/LDPE复合材料放置于模具中间，随后转到各层温度均达到170℃的平板硫化机中，在5MPa下先预热5min，缓慢加压至10MPa，短暂保压后泄压，此过程循环3次。循环后待温度稳定在170℃时，在15MPa，保压2min后，取出模具，室温时，在8Mpa下冷压5min后取出，即得船舶岸电电缆用EPDM绝缘层材料，装袋密封标记备测。
本发明生产出来的绝缘料的主要性能指标如表2所示。
表2：实施例2中EPDM/LDPE绝缘料的主要性能指标统计表
序号 性能项目 单位 实际性能
1 应力 N/mm<sup>2</sup> 25
2 应变 ％ 1150
3 击穿电压 MV/m 22
4 体积电阻率 Ω·cm<sup>-1</sup> 10<sup>12</sup>
5 介电常数 — 2.9
实施例3
船舶岸电电缆用EPDM绝缘层材料，其中各成分及其质量份数为：
低密度聚乙烯50份、三元乙丙橡胶50份、纳米氧化锌3份、硬脂酸0.6份、2-硫醇基苯并咪唑0.6份、异氰脲酸三烯丙酯TAIC 0.3份、白炭黑18份、硫粉0.6份、DCP 2.1份、白油22份、所述的纳米氧化锌的粒径为50±10nm；
具体制备操作如下：
(1)按配方成分的重量份数称取原料，将全部原料混合均匀，再将流变仪温度升至100℃、转速为60r/min，然后加入混合好的原料，随即将混料槽密封，使物料在共混槽中熔融共混10min；
(2)待流变仪中物料的扭矩达到平衡值后得到EPDM/LDPE复合材料，将EPDM/LDPE复合材料从流变仪中取出后自然冷却；
(3)然后，将得到的EPDM/LDPE复合材料放置于模具中间，随后转到各层温度均达到170℃的平板硫化机中，在5MPa下先预热5min，缓慢加压至10Mpa，短暂保压后泄压，此过程循环3次。循环后待温度稳定在170℃时在15MPa，保压2min后，取出模具，室温时，在8Mpa下冷压5min后取出，即得船舶岸电电缆用EPDM绝缘层材料，装袋密封标记备测。
本发明生产出来的绝缘料的主要性能指标如表3所示。
表3：实施例3中EPDM/LDPE绝缘料的主要性能指标统计表
序号 性能项目 单位 性能参数
1 应力 N/mm<sup>2</sup> 21
2 应变 ％ 1200
3 击穿电压 MV/m 26
4 体积电阻率 Ω·cm<sup>-1</sup> 10<sup>13</sup>
5 介电常数 — 2.7
实施例4
低密度聚乙烯35份、三元乙丙橡胶65份、纳米氧化锌3份、硬脂酸1份、2-硫醇基苯并咪唑0.6份、异氰脲酸三烯丙酯TAIC 0.3份、白炭黑30份、硫粉0.6份、DCP 2.1份，白油20份，所述的纳米氧化锌的粒径为50±10nm；
(1)按配方成分的重量份数称取原料，将全部原料混合均匀，再将流变仪温度升至100℃、转速为60r/min，然后加入混合好的原料，随即将混料槽密封，使物料在共混槽中熔融共混10min；
(2)待流变仪中物料的扭矩达到平衡值后得到EPDM/LDPE复合材料，将EPDM/LDPE复合材料从流变仪中取出后自然冷却；
(3)然后，将得到的EPDM/LDPE复合材料放置于模具中间，随后转到各层温度均达到170℃的平板硫化机中，5MPa下先预热5min，缓慢加压至10Mpa，短暂保压后泄压，此过程循环3次。循环后待温度稳定在170℃时在15MPa，保压2min后，取出模具，室温时在8Mpa下冷压5min后取出，即得船舶岸电电缆用EPDM绝缘层材料，装袋密封标记备测。
本发明生产出来的绝缘料的主要性能指标如表4所示。
表4：实施例4中EPDM/LDPE绝缘料的主要性能指标统计表
对比例1
对比例的EPDM绝缘层材料，其中各成分及其质量份数为：
三元乙丙橡胶100份、纳米氧化锌3份、硬脂酸0.6份、2-硫醇基苯并咪唑0.6份、异氰脲酸三烯丙酯TAIC 0.3份、白炭黑18份、硫粉0.6份、DCP 2.1份、白油15份、所述的纳米氧化锌的粒径为50±10nm；
(1)按配方成分的重量份数称取原料，将全部原料混合均匀，再将流变仪温度升至100℃、转速为60r/min，然后加入混合好的原料，随即将混料槽密封，使物料在共混槽中熔融共混10min；
(2)待流变仪中物料的扭矩达到平衡值后得到EPDM复合材料，将EPDM复合材料从流变仪中取出后自然冷却；
(3)然后，称将得到的EPDM复合材料放置于模具中间，随后转到各层温度均达到170℃的平板硫化机中，在5MPa下先预热5min，缓慢加压至10Mpa，短暂保压后泄压，此排气过程循环3次。待温度稳定在170℃时，在15MPa，保压2min后泄压取出模具，室温时在8Mpa下冷压5min后取出，装袋密封标记备测。
本发明生产出来的绝缘料的主要性能指标如表5所示。
表5：对比例1中产品的主要性能指标统计表
序号 性能项目 单位 性能参数
1 应力 N/mm<sup>2</sup> 16
2 应变 ％ 1050
3 击穿电压 MV/m 17
4 体积电阻率 Ω·cm<sup>-1</sup> 10<sup>12</sup>
5 介电常数 — 3.4
经实践证明，本发明所得船舶岸电电缆用EPDM绝缘层复合材料拉伸性能和电气绝缘性大大提高，为新型岸电电缆的制造和使用提供可能性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种船舶岸电电缆绝缘层用复合材料，其中，所述绝缘层用复合材料的原料按质量份计包含下列组分：低密度聚乙烯10-50份、三元乙丙橡胶50-90份、纳米氧化锌1-5份、橡胶硫化促进剂0.2-1份、橡胶防老剂0.2-1份、交联剂0.1-0.5份、增强剂6-30份、硫化剂0.5-5份，白油10-25份。
2.根据权利要求1所述的船舶岸电电缆绝缘层用复合材料，其中，所述绝缘层用复合材料的原料组分及质量份如下：低密度聚乙烯10份、三元乙丙橡胶90份、纳米氧化锌3份、橡胶硫化促进剂0.6份、橡胶防老剂0.6份、交联剂0.3份、增强剂18份以及硫化剂2.7份，白油19份；
或，所述绝缘层用复合材料的原料组分及质量份如下：低密度聚乙烯30份、三元乙丙橡胶70份、纳米氧化锌3份、橡胶硫化促进剂0.6份、橡胶防老剂0.6份、交联剂0.3份、增强剂18份以及硫化剂2.7份，白油20份；
或，所述绝缘层用复合材料的原料组分及质量份如下：低密度聚乙烯50份、三元乙丙橡胶50份、纳米氧化锌3份、橡胶硫化促进剂0.6份、橡胶防老剂0.6份、交联剂0.3份、增强剂18份以及硫化剂2.7份，白油22份；
或，所述绝缘层用复合材料的原料组分及质量份如下：低密度聚乙烯35份、三元乙丙橡胶65份、纳米氧化锌3份、橡胶硫化促进剂1份、橡胶防老剂0.6份、交联剂0.3份、增强剂30份以及硫化剂2.7份，白油20份。
3.根据权利要求1所述的船舶岸电电缆绝缘层用复合材料，其中，所述橡胶防老剂选自2-硫醇基苯并咪唑和四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯中的一种或两种。
4.根据权利要求1所述的船舶岸电电缆绝缘层用复合材料，其中，所述交联剂选自异氰脲酸三烯丙酯和三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯中的一种或两种。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的船舶岸电电缆绝缘层用复合材料，其中，所述增强剂选自气相白炭黑；所述橡胶硫化促进剂为硬脂酸；所述硫化剂选自过氧化二异丙苯和硫粉中的一种或两种。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的船舶岸电电缆绝缘层用复合材料，其中，所述的纳米氧化锌的粒径为50±10nm。
7.一种权利要求1至6中任一项所述的一种船舶岸电电缆绝缘层用复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按配方成分的重量份数称取原料各组分，将原料各组分在常温下混合均匀，再将混合好的原料在密封条件下熔融共混；待物料的扭矩达到平衡后，将所得共熔体取出，取出后自然冷却；
(2)然后，将步骤(1)制得的混合物放入模具中，随后连同模具一起放置于平板硫化机中，在3-5 MPa下先预热3-5min，加压至5-10MPa，保压后泄压；
(3)继续在平板硫化机中保压，待保压温度稳定后，在10-15 MPa保压2-10min后泄压取出模具，放置在冷压机中，在5-10MPa下冷压5-10min后取出，即制得船舶岸电电缆绝缘层用复合材料。
8.根据权利要求7所述的一种船舶岸电电缆绝缘层用复合材料的制备方法，其中，步骤(1)中所述熔融共混的温度为80-110℃，以40-70r/min转速熔融共混5-25min。
9.根据权利要求7所述的一种船舶岸电电缆绝缘层用复合材料的制备方法，其中，步骤(2)中所述平板硫化机温度为165-175℃；步骤(2)循环2次以上。
10.根据权利要求7所述的一种船舶岸电电缆绝缘层用复合材料的制备方法，其中，步骤(3)中，所述保压温度为145-175℃。
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