耐低溫CPE/EPDM護套配方研究

2012-09-28 11:02:48尚德義王啟豐

電線電纜 2012年2期

尚德義，王啟豐，王強，潘龍

(青島華光電纜有限公司，山東膠州266300)

0 引言

風力發電作為一種綠色、環保的新能源，越來越受到人們的重視。近年來，風電行業在世界范圍內的迅速發展對風力發電用電纜提出了要求。風力發電用電纜主要用于風機的連接線，多用在氣候條件較為惡劣的地區，冬季氣候寒冷且晝夜溫差大，因此風力發電用電纜必須滿足環境溫度為－45～50℃，運行溫度為－40～50℃的使用條件。低溫環境對電纜的使用壽命影響非常大，所以要求電纜護套材料具有優良的耐低溫性能。因此，耐低溫電纜護套配方的研究具有重要意義。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

CM135(氯化聚乙烯)粉狀，山東青島海晶化工集團公司;三元乙丙橡膠(EPDM)，上海怡創化工有限公司;過氧化二異丙苯(DCP)，中國石化集團經營管理有限公司上海高橋分公司;氧化鎂，邢臺市鎂神化工有限公司;鈣鋅穩定劑，青島新材料科技工業園發展有限公司;助交聯劑TAIC，華星(宿遷)化學有限公司;石蠟，撫順東科蠟業有限公司;三氧化二銻，云南木利銻業有限公司;白炭黑，淄博市特麗萊化工有限公司;滑石粉，山東省平度市化石礦業有限公司;輕質碳酸鈣，淄博鑫橋化工有限公司;高嶺土，焦作市同興化工有限公司。

CM135B的主要性能指標如下:氯質量分數0.34～0.36;殘余結晶質量分數≤0.22;門尼粘度ML1+4，125℃，63 ～73;純膠拉伸強度≥8 MPa;純膠斷裂伸長率≥800%;熱分解溫度＞165℃。

1.2 測試方法

試樣性能測試按 GB/T 2951—2008、TICW/01—2009標準進行。

2 結果與討論

2.1 主體材料的選擇

氯化聚乙烯(CPE)的耐寒性由氯化率和殘余結晶度決定。氯化率在30% ～40%時CPE的玻璃化轉變溫度低，分子鏈柔順性好，CPE為橡膠型。殘余結晶度主要是用來表征氯化均勻度和產品類型。殘留結晶多的產品，氯的加成及分布呈嵌段型不均勻，其制品一般為硬制品;殘留結晶少的產品，氯的加成及分布比較均勻，其制品為軟制品。實踐應用證明，氯化率在35%時CPE的殘余結晶度最低，表現出良好的耐寒性，在－30℃仍有柔軟性。但CPE有類似熱塑性樹脂的性質，且分子極性強，加工性能差，因此，為進一步提高硫化膠的低溫沖擊和耐扭曲性能，將CPE和一定量的含乙烯量較低的EPDM橡膠并用。EPDM橡膠具有優良的低溫性能，長期使用時的最低極限溫度為－50℃或更低，同時具有優異的耐候性、耐熱氧老化性、耐化學穩定性及良好的沖擊彈性。故選CPE、EPDM作為主體材料進行研究和試驗。

在CPE中并用一定的EPDM有助于提高硫化膠的斷裂伸長率、耐寒性等，但同時會使硫化膠的強度下降，故選擇合造的并用比至關重要。表1是不同配比的CPE/EPDM性能比較。

表1 不同配比的CPE/EPDM性能比較

從表1中可以看出，2號的綜合性能是所有配方中最好的，所以選擇2號試驗配比。

2.2 硫化體系的選擇

CPE和EPDM兩者具有共硫化特性，都可用過氧化物硫化。過氧化物硫化可使硫化膠有更好的耐寒性，因為過氧化物硫化膠的體積膨脹系數較大，鏈段活動的自由空間大，有利于玻璃化溫度降低。另外，過氧化物硫化時形成牢固的、短小的—C—C—交聯鍵，發生形變時，要克服的分子間作用力小，所以過氧化物硫化膠的耐寒性較好。通常使用的過氧化物為DCP。采用DCP作為硫化劑時，易發生裂解、歧化等副反應，為抑制斷裂反應，可添加具有官能團的共硫化劑。共硫化劑可以有效地抑制聚合物自由基的歧化和裂解，提高交聯密度，同時還可以改善硫化膠的耐熱性等。以TAC、TAIC共硫化效果較好，本實驗中選用TAIC作共硫化劑。

2.3 防護體系的選擇

CPE和EPDM均為飽和結構高聚物，具有良好的耐熱老化性和耐臭氧性，但在管道硫化過程中，管道內200℃以上的高溫使CPE極易分解產生HCl，故選擇活性氧化鎂和鈣鋅穩定劑一同加入，可獲得良好的防護效果。電纜產品在戶外長期受熱氧老化作用，易老化降解。對CPE、EPDM而言，防老劑RD(2，2，4-三甲基-1，2-二羥基喹啉聚合物) 對熱、氧、臭氧、屈撓疲勞老化和天候老化有顯著的防護效果，同時對交聯的影響較小，故選RD為防老劑。

2.4 補強填充體系的選擇

CPE是一種非自補強性橡膠，需有補強體系才能達到較好的強度。其補強填充體系與通用橡膠相似，補強劑以炭黑、白炭黑為主，炭黑具有良好的補強效果，可使膠料的強度有較大的提高，但會使膠料的門尼粘度上升，因此，需要酌量使用。白炭黑能提高CPE的抗撕裂性，用量不大時即有顯著效果。CPE和EPDM都具有高填充性，填充體系主要有碳酸鈣、滑石粉、陶土等。碳酸鈣有一定的補強作用，但碳酸鈣有一定的吸水性，不宜用量過大。滑石粉可以使膠料具有較好的挺性，減小壓縮變形。陶土能夠改善混煉膠的擠出工藝性能，但陶土呈微酸性，會與過氧化物產生離子型化學反應，降低硫化劑的硫化效率，因此用量不宜過多。

2.5 軟化劑的選擇

軟化劑的加入能夠增大橡膠分子之間的距離，減少分子之間的作用力，并產生潤滑作用，使分子鏈之間容易滑動，同時也增加了橡膠大分子的柔順性。軟化劑是影響硫化膠耐寒性能最重要的配合劑之一，它的配合能夠大大地提高硫化膠的耐寒性，同時也能改善膠料的流動性和加工性。耐寒性橡膠中常用的軟化體系有鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)、鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)、癸二酸二辛酯(DOS)、己二酸二辛酯(DOA)以及這幾種軟化劑的并用，不同軟化體系對膠料性能的影響比較結果見表2。

表2 不同軟化體系對膠料性能的影響

由表2可知，軟化劑的種類對膠料的低溫耐寒性有很大影響，DBP、DOA和DOS三種軟化劑均具有較低的脆性溫度。

2.6 其他配合體系的選擇

加入一定量的石蠟可在一定程度上改善膠料的加工性能，提高混煉膠的流動性，降低擠出壓力。加入適量的硅偶聯劑，可以增強填料與橡膠的界面作用力，增加兩相的相容性，改進硫化膠的物理性能。常用的偶聯劑有硅烷偶聯劑、鈦酸偶聯劑等，一般選用硅烷偶聯劑。另外為了提高硫化膠的阻燃性能，選擇添加與CPE有協同作用的三氧化二銻為阻燃劑。