EVA/VLDPE/Mg(OH)2阻燃體系介電性能研究

秦書娟, 徐 曼, 曹曉瓏, 賀 蓉, 拓新路, 劉景光

(1. 西安交通大學(xué) 電力設(shè)備與電氣絕緣國家重點實驗室，陜西 西安 710049； 2. 江蘇中煤電纜股份有限公司，江蘇 宜興 214251)

EVA/VLDPE/Mg(OH)2阻燃體系介電性能研究

秦書娟1, 徐 曼1, 曹曉瓏1, 賀 蓉1, 拓新路1, 劉景光2

(1. 西安交通大學(xué) 電力設(shè)備與電氣絕緣國家重點實驗室，陜西 西安 710049； 2. 江蘇中煤電纜股份有限公司，江蘇 宜興 214251)

選擇了四種醋酸乙烯(VA)含量不同的乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA)為基料，配以四種不同填充量(或含量)的氫氧化鎂和增溶劑，采用正交設(shè)計實驗，研究了這三個因素對無鹵阻燃復(fù)合材料EVA/VLDPE/Mg(OH)2介電性能的影響。結(jié)果表明，VA含量的影響是最關(guān)鍵的，氫氧化鎂填充量影響其次，增溶劑的影響較小，并得到了介電性能隨這些因素變化的規(guī)律。

乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)；氫氧化鎂；正交實驗；介電性能

0 引 言

阻燃電線電纜在公共建筑中的應(yīng)用越來越廣泛，而提高材料的阻燃性能又往往降低其老化性能，所以阻燃電纜由于絕緣老化損壞，絕緣性能下降，造成電纜短路而引起的火災(zāi)時有發(fā)生。為了減小阻燃材料在燃燒過程中的二次危害，低煙無鹵阻燃電纜料得到了廣泛的應(yīng)用。無鹵阻燃電纜料可以通過在聚烯烴中加入無機阻燃劑得到。目前人們比較關(guān)注此體系在應(yīng)用中的阻燃、機械、老化等多方面的性能，但是作為阻燃電纜材料，此體系要應(yīng)用在電場環(huán)境下，其介電性能必須滿足一定的要求。該體系的無鹵低煙阻燃特性同機械物理和電氣性能又相互制約[1]。研究材料的介電性能，掌握其變化規(guī)律，從而找出其關(guān)鍵因素的影響，對提高阻燃電纜材料的整體性能具有重要意義。

1 實驗部分

1.1實驗原料

乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)，其醋酸乙烯(VA)含量為12%、19%、26%、40%四種，美國進口；超低密度聚乙烯(VLDPE)，美國進口；Mg(OH)2，容積密度350 g/L，平均比表面10 m2/g，德國進口；硅烷偶聯(lián)劑，德國進口；增溶劑(功能性聚乙烯)，法國進口；穩(wěn)定劑，瑞士進口。

1.2主要儀器和設(shè)備

高速混合機(GRH-10)，阜新瀚特爾橡塑機械制造公司；轉(zhuǎn)矩流變儀(RC-90)，德國哈克公司；開煉機(XK-160)，錫山市新華橡塑機械廠；平板硫化機(QLB-350)，泰州市祥輿橡塑機械有限公司；ZC36型高阻計，上海第六電表廠；50 kV試驗變壓器和自動升壓變壓器。

1.3試樣制備

制樣流程見圖1。

圖1 制樣流程

1.4介電性能測量

體積電阻率按標(biāo)準(zhǔn)GB 1410—78測試；

擊穿強度按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1408.1—1998測試。

1.5正交實驗設(shè)計

聚合物基體、填料的含量、填料的表面改性等會影響復(fù)合體系的界面結(jié)構(gòu)，從而影響其介電性能。由于研究的影響因素較多，進行全面的實驗工作量特別大，而正交實驗可用部分試驗來代替全面試驗，通過對部分試驗結(jié)果的分析，了解全面試驗的情況。所以采用正交設(shè)計實驗來分析關(guān)鍵因素的影響。

根據(jù)正交實驗原理，設(shè)計了正交實驗表。表1為正交實驗的因素水平表。

表1 因素水平表 (單位：質(zhì)量份)

注：聚合物基體中EVA和VLDPE的含量比是9∶1；基體樹脂的質(zhì)量份數(shù)為100，填料的表面處理劑是硅烷。

本實驗中有三個因素，即基料種類、填料含量與增容劑含量，分別記為A、B和C，每個因素有4個水平。根據(jù)正交試驗設(shè)計原理，采用L16(43)正交表的前三列，實驗配方設(shè)計見表2。

2 結(jié)果與討論

根據(jù)極差R的大小，判斷諸因素影響的主次順序。R越大，表示該因素的水平變化對試驗指標(biāo)的影響越大，因素越重要。選優(yōu)組合，即根據(jù)各因素各水平的平均值確定出優(yōu)水平，進而選出優(yōu)組合。

表2 配方設(shè)計表

根據(jù)GB 1410—78的要求，每種試樣取樣3片測試，以測試結(jié)果的平均值作為該種試樣的電阻率ρv。按GB/T 1408.1—1998進行擊穿場強EB測試，每種試樣分5批測試，每批共4個試樣，則一種試樣有20個測量值，取其平均值作為該試樣的擊穿場強。介電性能測量結(jié)果見表3。

表3 介電性能測量結(jié)果

2.1阻燃體系體積電阻率的影響因素分析

根據(jù)正交試驗的極差分析法，分析結(jié)果見表4。

由表4可得到，基料種類是影響電阻率的最關(guān)鍵因素。隨著VA含量的增大，電阻率明顯下降。這可能是由于VA含量對復(fù)合體系的形態(tài)有較大影響。EVA的性能主要取決于分子鏈上VA含量變化。可從四種VA含量的EVA的差示掃描量熱法(DSC)圖看到，隨著VA含量的增大，EVA的熔融峰向低溫移動，其熔融峰的面積也減小。這說明VA含量越大，EVA的結(jié)晶度越低，無定形區(qū)域增大。當(dāng)VA含量增至40%時，共聚物成為無定形結(jié)構(gòu)[2]。

表4 體積電阻率的極差分析

固體電介質(zhì)的電導(dǎo)可分為離子電導(dǎo)和電子電導(dǎo)兩種，在弱電場中主要是離子電導(dǎo)[3]。本文制備的復(fù)合體系的電導(dǎo)主要來源于雜質(zhì)，由填料引入的弱束縛離子決定。填料主要分布在EVA的無定形區(qū)域。結(jié)晶區(qū)由于結(jié)構(gòu)比較緊密，載流子在結(jié)晶區(qū)的遷移率會比無定形區(qū)域小很多。因此隨著VA含量的增大，無定形區(qū)域增大，載流子的遷移率也增大，從而體積電阻率下降。雜質(zhì)離子隨填料含量的增大而增多，電阻率隨之下降，這與實驗結(jié)果相符。因此，VA含量最小的基料和填料的最小含量是優(yōu)水平。

圖1 四種EVA的DSC分析

增溶劑在基料和填料的結(jié)構(gòu)間架起了一個連接層，降低了有機表面和無機表面之間的界面能，增強了相容性，使得界面結(jié)構(gòu)更加緊密，離子在分子之間躍遷的勢壘增加，從而體積電阻率增大。從表4中可以看出增溶劑含量最大的水平是優(yōu)水平。

絕緣電阻是表征絕緣體特征的基本參數(shù)之一。絕緣電阻太低，泄漏電流會很大，不但浪費電能還會引起發(fā)熱而損壞絕緣體。就安全性能來講，阻燃材料的基體樹脂種類選擇最關(guān)鍵。

2．2阻燃體系擊穿場強的影響因素分析

2．2.1 阻燃體系的擊穿場強平均值分析(見表5)

表5 擊穿場強的正交試驗分析

本文所制的復(fù)合材料屬于不均勻電介質(zhì)，它的擊穿往往是從耐電強度低的地方發(fā)生。由正交分析結(jié)果可知，基料的種類是影響擊穿強度的最重要因素，填料含量其次，增溶劑含量影響很小。VA含量增加會使EVA聚合物的鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)增多，從而導(dǎo)致分子量分布變寬[4]，聚合物的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，材料更加不均勻，擊穿強度會下降。填料含量越少與有機介質(zhì)混合也更均勻些，擊穿強度也會相應(yīng)的增大。

因增溶劑含量影響很小，故可忽略增溶劑的影響，考察相同填料含量時基料的影響，如圖2所示。

圖2 相同填料量不同基料下的擊穿強度比較

由圖2可知，無論填料含量多少，第二種基料的擊穿強度都是最大的。這與正交分析得到A2為最優(yōu)水平相吻合。同時也可看出填料為90份時，擊穿強度比其它含量普遍要高，也就是B1為最優(yōu)水平。

2．2．2 擊穿場強的威爾布(weibull)分析

Weibull分布在1939年由瑞典物理學(xué)家威布爾提出，并將其應(yīng)用于疲勞試驗中。它反映了材料在一定的電場強度E下被擊穿的概率或在一定的時間t失效的概率，絕緣材料在交流電壓下的擊穿場強滿足Weibull分布的統(tǒng)計規(guī)律[5]。參數(shù)的表達式如下：

(1)

式中，EL為的Weibull分布的位置參數(shù)；E為試樣擊穿強度測量值，本文取其最小值；m為Weibull分布的形狀參數(shù)；n為Weibull分布尺度參數(shù)。

經(jīng)變換得到以下公式：

(2)

各試樣的Weibull分布和參數(shù)值如圖4和表6所示：

圖3 1#～4#試樣的Weibull分布

圖4 5#～8#試樣的Weibull分布

擊穿數(shù)據(jù)分散性越小，形狀參數(shù)m越大。形狀參數(shù)的大小與材料的質(zhì)量分布以及制備工藝有關(guān)。可以看出5#的形狀參數(shù)是最大的。這可能是由于VA含量、填料含量和增溶劑含量在5#的配比下達到了一種優(yōu)化，使得材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到改善，結(jié)構(gòu)更加均一。

η反映了63．2%的試樣發(fā)生擊穿時電場強度的大小。η越大，材料擊穿越困難，絕緣性能越好。

圖5 9#～12#試樣的Weibull分布

圖6 13#～16#試樣的Weibull分布

試樣Weibull參數(shù)mη/(kV/mm)試樣Weibull參數(shù)mη/(kV/mm)1#3．1631．089#3．7028．882#2．0830．7910#2．6427．763#2．3029．1211#1．9826．684#1．3530．2612#1．3425．795#5．2431．6413#2．1028．586#2．9431．4714#2．3827．647#1．2931．5415#2．9526．168#3．2631．0516#1．7326．03

注：m為形狀參數(shù)；η為尺度參數(shù)。

VA含量越大，尺度參數(shù)越小，絕緣性能越差。但是VA含量為19%的試樣比VA含量為12%的試樣尺度參數(shù)要大，這可能是因為VA含量太低時，EVA結(jié)晶度很高，與氫氧化鎂的混合不是太好，影響了復(fù)合體系的均勻性。填料含量為最小的90份(1#、5#、9#和13#)時，其尺度參數(shù)是最大的，這也解釋了填料含量越少其絕緣性能越好。

3 結(jié)論與展望

(1) 用正交試驗設(shè)計找出影響復(fù)合阻燃材料介電性能的主要因素。結(jié)果表明，基料種類是影響材 料介電性能的最關(guān)鍵因素，填料含量的影響其次， 增溶劑含量的影響較小，但由于其對界面的改善作用而不可缺少。

(2) 得出了介電性能隨因素變化的規(guī)律，即有機材料中的VA含量較小時，材料的介電性能較好；材料的絕緣性能隨填料含量的增大而變壞；增溶劑對介電性能的影響較小，但隨著增溶劑含量的增大，介電性能也得到改善。

(3) 為了滿足阻燃電纜料其阻燃性能的要求，填料的量也不能太少，因此在此基礎(chǔ)上可選擇介電性能表現(xiàn)好的前兩種基料，增加填料含量犧牲部分介電性能來滿足其阻燃性能和力學(xué)性能的要求，從而有可能得到整體性能較好的結(jié)果。

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StudyontheDielectricPerformanceofEVA/VLDPE/Mg(OH)2Composite

QIN Shu-juan, et al

(Xi’an Jiaotong University, State Key Laboratory of Electrical Insulation for Electric Power Equipment, Xi’an 710049, China)

Four kinds of ethylene-vinyl acetate copolymers(EVA) with different contents of vinyl acetate(VA) were seleted as the base polymer, to which magnesium hydroxides and solubilizing agents with 4 different filling contents(or contents) were added. The effect of the three factors on the dielectric performance of the halogen-free flame-retardant composite EVA/VLDPE/Mg(OH)2was studied by the orthogonal design experiments. The results showed that VA content is the most critical influencing factor on the dielectric performance, that the effect of the filling content of magnesium hydroxide took second and that the content of solubilizing agent had the least influence. The change of the dielectric performance with the variation of these three factors was also discussed.

ethylene-vinyl acetate copolymer; magnesium hydroxide; orthogonal design experiment; dielectric performance

TM215.1

A

1672-6901(2010)03-0031-05

2009-11-10

秦書娟(1985-)，女，在讀研究生.

作者地址：陜西西安市咸寧西路28號[710049].