一种光伏及建筑电缆用阻燃耐候型硅烷交联绝缘料的研究

我国建筑电缆行业中, 以硅烷交联聚乙烯电缆料作为绝缘材料已经得到普遍推广。相对辐照交联和过氧化物交联该材料来说, 此材料在生产交联建筑电缆时, 生产所需的设备简单, 成本低廉, 操作简便等优点, 是制造交联电缆采用的普遍材料。大家知道, 一步法与二步法是硅烷交联电缆料和其电缆生产的两种方法。且这两种不同的制作电缆的方法的区别是在硅烷接技过程中是在哪里进行, 二步法的接枝过程通常是在电缆料的生产商处进行, 而一步法的接枝过程通常是在在电缆的制造厂中进行。当前, 我国电缆行业, 在市场中以采用二步法的硅烷交联聚乙烯绝缘料为主, 其材料由A料与B料构成, 接枝过程中, 硅烷的聚乙烯为A料, B催化剂母料, 两者重量比通常为A∶B=95∶5, 电缆厂采购制成后的电缆料A料和B料, 按比例混合A料和B料的操作需在电缆厂在使用前, 电缆绝缘线芯的控制可以在普通挤出机进行, 绝缘层会在蒸汽或者温水中进行交联。

硅烷交联聚乙烯绝缘料的二步法还有一类, 有着不同的A料的生产方式, 合成聚乙烯的同事加入乙烯基硅烷, 当出现含有硅烷支链的聚乙烯时停止。树脂的生产技术就是其本质, 完成工作由大型石化企业进行。最早进入我国的LINKLON硅烷料的A料就是这一类型。BOREALIS与DOW硅烷料也属于此类型, 我国石化企业中还未采购该类型的产品。

一、实验部分

硅烷交联聚乙烯电缆料实验所需材料由基材树脂、硅烷、引发剂、催化剂、抗氧剂、阻聚剂等构成。

基材树脂:低密度聚乙烯 (LDPE) 树脂可以作为基材树脂, 熔体指数 (MI) 为一般为2, 随着合成树脂技术的迅速发展和成本带来的压力, 线性低密度聚乙烯 (LLDPE) 也可以用作基材树脂。

引发剂:过氧化二异丙苯 (DCP) 通常作为引发剂, 引发剂量的添加很讲究, 太少会使硅烷接枝不够充分;太多会使聚乙烯发生交联, 这样就降低了流动性, 难以挤出绝缘线芯, 且挤出表面粗糙。

硅烷:乙烯基不饱和硅烷作为硅烷, 包括乙烯基三甲氧基硅烷 (A2171) 和乙烯基三乙氧基硅烷 (A2151) , 由于A2171的水解速率快, 因此一般采用A2171。

抗氧剂:抗氧剂可以提高聚乙烯在加工操作中的稳定性以及电缆的抗老化性, 而且可以抑制接枝反应的作用, 所以, 在接枝过程中, 添加抗氧剂需谨慎, 其加入量的多少与DCP量需要进行匹配。

阻聚剂:阻聚剂可以有效避免接枝和交联过程副反应的发生, 可以有效地使C2C交联的发生次数下降, 进而提高加工的流动性, 另外, 在相同条件下, 比硅烷先水解的阻聚剂可以有效的降低接枝聚乙烯的水解, 提高接枝料的稳定性。

催化剂:有机锡衍生物是常见的催化剂 (自然交联除外) , 二月桂酸二丁基锡 (DBDTL) 通常以母料形式添入。二步法中, 接枝料与催化剂母料是分开包装的, 也就是A料和B料, 在进行挤出前A料和B料混在一起, 可以有效避免A料的预交联。

二、生产工艺

1. 生成方法

硅烷交联聚乙烯绝缘料A料在二步法中的生产工艺可由图1简单地表示。

二步法硅烷交联聚乙烯绝缘料生产工艺中的几个要点:

(1) 干燥。因为聚乙烯树脂含有水分, 在高温挤出时, 水会迅速与硅烷基反应产生交联, 使熔体流动性下降, 产生预交联, 所以聚乙烯树脂在喂入挤出机前必须干燥。

(2) 计量。因为重在该材料的配方计量方法, 失重式计量称进口的是最常用的, 抗氧剂与聚乙烯树脂等经计量, 喂入的位置是挤出机的喂料口, 引发剂与硅烷注入位置为液料泵挤出机的第2节或第3节。

(3) 挤出接枝。硅烷接枝过程一般在挤出机中完成, 螺杆的组合、温度、喂料速度以及螺杆的转速等工艺设置是在挤出机中进行的, 通常准则为:充分熔融并混合均匀在物料挤出机的前段, 过氧化物应当分解较晚为宜, 经过均匀混合的物料在挤出机到后段时, 需要分解完过氧化物, 完成接技过程, 挤出机各区段温度见表1。

A为硅烷加入处。

2. 生产设备

工艺控制的关键就是生产设备, 工艺控制精度直接反映生产出的硅烷交联电缆的质量, 所以选择良好的生产设备很重要。

硅烷交联聚乙烯绝缘料A料的生产二步法的装备, 目前, 我国采用的是进口失重式计量称与同向平行双螺杆方式挤出, 工艺控制精度通过这类装置完成, 双螺杆的长径越大, 挤出机维持物料的停留时间越久, 配料的精准性有进口失重式计量称来保证。当然设备上还有许多细节问题需要引起充分的重视。

三、实验相关数据

1. 硅烷交联聚乙烯绝缘料的交联时间

如图2为该材料在温度为23℃左右, 相对湿度为70~80%的空气中, 样品厚度为0.2~1.2 mm (双面暴露) , 其热延伸率随放置时间的趋势图。

2. 阻燃母料对硅烷交联聚乙烯绝缘料的影响

要制成有色标的电缆, 还需加入色母料, 且色母料的加入量对材料的交联室友影响的, 添加不当会导致热延伸不合格。为了考察阻燃母料厂家的阻燃母料及其用量对热延伸的影响, 进行了试验, 表2列出了厚度为1mm的试片在90℃的水中分别放置60 min后的热延伸值。

3. 耐气候老化与热老化试验

温水交联可以是硅烷交联聚乙烯绝缘料充分交联, 此操作在进行热老化或耐气候老化试验前进行, 以避免发生老化前后拉伸强度或产生过大断裂伸长率的情况图。材料老化与断裂伸长率变动或拉伸强度无关, 而是因为交联不够充分 (即使热延伸已经合格) , 交联在材料在老化过程中继续着, 这样就会增加拉伸强度, 降低断裂伸长率, 导致不正常情况发生。硅烷交联聚乙烯绝缘料由于高度的硅烷接枝率, 当其热延伸变化变慢时, 凝胶率仍然存在变化, 图3为硅烷交联乙烯绝缘料在88~92℃的水中, 试样厚度为1.1~1.2 mm, 热延伸和凝胶率随温水中放置时间的变化趋势。

结论

(1) 由实验数据可知, 硅烷交联聚乙烯绝缘料放置时间越长, 其热延伸率越低。

(2) 在相同条件下, 不同厂家的阻燃母料对硅烷交联聚乙烯绝缘料的热延伸的影响不同。

(3) 硅烷交联聚乙烯绝缘料的耐气候与热老化性能可以通过其在温水中放置时间的长久来判断, 且其在温水中放置时间越长, 其凝胶率越高。

摘要：本文简述了电线电缆用阻燃耐候型硅烷交联聚乙烯绝缘料的交联原理、配方、工艺、分类、设备, 并介绍了硅烷自然交联聚乙烯绝缘料在实际应用以及使用过程中呈现出的特征和该材料交联状况的影响因素。针对该材料对光伏与建筑电缆进行分析和探讨。

关键词：阻燃耐候,硅烷交联,聚乙烯,绝缘料,光伏,建筑电缆

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