高壓用XLPE的過氧化物交聯(lián)制備工藝

摘 要：在電纜領(lǐng)域中，XLPE已經(jīng)普遍存在。盡管交聯(lián)方法各異，但在高壓領(lǐng)域從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)還是可行性上綜合考慮，過氧化物交聯(lián)方法無疑還是最可觀，最實(shí)際可行的。文章通過對過氧化物交聯(lián)機(jī)理的介紹，著重分析在交聯(lián)過程中影響生產(chǎn)效率的因素、產(chǎn)生產(chǎn)品質(zhì)量問題的原因，提出過氧化物交聯(lián)的基本工藝要求，希望對生產(chǎn)實(shí)際具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：高壓；交聯(lián)聚乙烯；過氧化物；制備工藝

引言

紙絕緣電纜曾經(jīng)在世界電力電纜傳輸中扮演了主要角色。但只能存在于中壓階段，現(xiàn)如今在高壓和超高壓范圍內(nèi)更趨向于聚乙烯，特別是在高壓區(qū)域，如充油電纜，充氣以及壓縮類型的電纜已經(jīng)逐漸被聚乙烯電纜所取代。因?yàn)橐蚁╅L期工作溫度不能滿足日趨提高的電壓等級(jí)的需求（見下表），所以采取各種交聯(lián)工藝方法對其進(jìn)行交聯(lián)改性。對于高壓及超高壓電纜常常采用過氧化物交聯(lián)方法。

1 絕緣材料

聚乙烯（PE）電絕緣性能，耐低溫，易成型加工，足夠的機(jī)械強(qiáng)度。

交聯(lián)聚乙烯（XLPE）提高耐溫等級(jí)，較大的載流量，耐環(huán)境應(yīng)力，抗蠕變，適于高落差與垂直敷設(shè)。

2 過氧化物交聯(lián)基本原理

過氧化物交聯(lián)法又名化學(xué)交聯(lián)法，通過過氧化物高溫分解而引發(fā)一系列自由基反應(yīng)，使聚乙烯交聯(lián)。交聯(lián)聚乙烯化學(xué)交聯(lián)的原理可分為以下過程和步驟：

（1）在聚乙烯樹脂中加入過氧化二異丙苯（DCP），在一定的溫度下DCP分解成氧異丙苯游離基；（2）該游離基奪取碳鍵氫原子，并使聚乙烯分子之間通過C-C結(jié)合形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)由產(chǎn)生的枯基醇繼續(xù)反應(yīng)生成甲烷、水等物質(zhì)。

過氧化物交聯(lián)方法特點(diǎn)：過氧化物體系的交聯(lián)聚乙烯的制備方法是最常見的。設(shè)備和配混技術(shù)與橡膠硫化相似。含有樹脂和化合物的過氧化物，可使用常規(guī)的擠出機(jī)擠出，但溫度低于過氧化物分解點(diǎn)。大多數(shù)常用的過氧化物需要處理的范圍是從240°至260°。連續(xù)硫化設(shè)備的化合物在高壓蒸汽（約250pa）下擠出到導(dǎo)體上將產(chǎn)生一個(gè)為約400°的溫度。可以使用干燥的氮?dú)猓诩s150pa的壓力下與硫化劑結(jié)合使用時(shí)溫度約為650°。這些高溫會(huì)導(dǎo)致過氧化氫分解成活性自由基，壓力是必不可少的，以防止空隙的形成。該過氧化物產(chǎn)生的自由基從聚合物中提取氫原子與聚乙烯反應(yīng)，在聚合物鏈上形成的基團(tuán)與另一聚合物鏈自由基形成交聯(lián)反應(yīng)。

用過氧化物交聯(lián)聚乙烯生產(chǎn)的交聯(lián)制品性能比較優(yōu)異，但在制品的加工過程中，擠出溫度必須保持很低，以便防止其發(fā)生預(yù)交聯(lián)或焦燒現(xiàn)象，從而影響制品的質(zhì)量甚至損壞設(shè)備。該溫度嚴(yán)格限制著可交聯(lián)聚乙烯的擠出速度，而且在制品擠出成型后，需要在高溫高壓及幾十米長（甚至上百米）的專用管道中進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)，設(shè)備占據(jù)空間大，消耗能量大，生產(chǎn)效率低，因此限制了該技術(shù)在中小型生產(chǎn)企業(yè)中的應(yīng)用。近年來，采用交聯(lián)劑與助交聯(lián)劑并用可以顯著地提高交聯(lián)效果。使用助交聯(lián)劑可以提高交聯(lián)度，降低降解幾率，并可適當(dāng)降低交聯(lián)劑的用量。

3 影響交聯(lián)電纜生產(chǎn)效率的因素

3.1 交聯(lián)度的控制——考核交聯(lián)電纜是否合格的兩個(gè)重要指標(biāo)是延伸率和永久變形，他們的技術(shù)要求分別為≤175%和≤150%。影響交聯(lián)度的主要因素有兩個(gè)，即溫度和壓力，因此提速后為保證交聯(lián)度，我們可以采取如下方法：

提高交聯(lián)管道的溫度（≤175℃）；計(jì)算出交聯(lián)線芯的最高線速度（熱延伸70%～100%）。

3.2 擠出機(jī)機(jī)身溫度的影響——交聯(lián)速度提高造成機(jī)身溫度過高后，如果冷卻不下來會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量，故良好的機(jī)身冷卻系統(tǒng)是能否提速的關(guān)鍵，同時(shí)冷卻系統(tǒng)應(yīng)溫度溫和，不可對機(jī)身產(chǎn)生忽冷忽熱現(xiàn)象，否則將產(chǎn)生嚴(yán)重影響擠出機(jī)的出膠量的穩(wěn)定。

3.3 良好的擠出緊急冷卻系統(tǒng)——出膠量的多少是影響生產(chǎn)速度的關(guān)鍵因素，而螺桿轉(zhuǎn)速又是影響出膠量的關(guān)鍵因素，因此速度的提高取決于螺桿的加快，但是螺桿轉(zhuǎn)速越快對螺筒內(nèi)的交聯(lián)聚乙烯料多的剪切作用也越強(qiáng)烈，這樣會(huì)使機(jī)身局部溫度升高，可能導(dǎo)致老膠的出現(xiàn)，且溫度升高嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使交聯(lián)聚乙烯料在機(jī)筒內(nèi)先期交聯(lián)，從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量。

3.4 設(shè)備的穩(wěn)定性——生產(chǎn)速度的提高對設(shè)備穩(wěn)定性的影響表現(xiàn)在使設(shè)備的震動(dòng)加劇，特別是牽引，如果震動(dòng)太過強(qiáng)烈則會(huì)使進(jìn)入機(jī)頭的導(dǎo)電線芯產(chǎn)生轟動(dòng)，導(dǎo)致擠制絕緣后竹節(jié)或偏心的出現(xiàn)，從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量。

3.5 交聯(lián)管的懸垂控制系統(tǒng)的改——交聯(lián)生產(chǎn)提速后，必須有靈敏的懸垂控制系統(tǒng)，否則容易使交聯(lián)擦傷絕緣線芯，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

4 交聯(lián)的主要質(zhì)量缺陷

交聯(lián)度（熱延伸）不合格——交聯(lián)度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，則電纜的熱-機(jī)械性能不合格，不能滿足工作溫度90℃的要求。產(chǎn)生的原因：（1）交聯(lián)配方不合理；（2）硫化工藝不當(dāng)（氣壓過低、線速度過大、冷卻水溫度過高）。

結(jié)構(gòu)及外觀不合格：（1）厚度最薄點(diǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小值或者平均厚度低于標(biāo)稱值；（2）偏芯。

竹節(jié)狀：（1）電氣，機(jī)械系統(tǒng)原因；（2）模芯太小或者套體外徑不均勻。

表面劃傷：（1）電纜在硫化管中碰壁或有異物；（2）模套外邊緣有焦燒物。

雜質(zhì)：（1）混料時(shí)和擠出機(jī)加料過程中帶入；（2）焦燒疙瘩。

氣泡：（1）擠出磨具；（2）料中有水分；（3）冷卻不充分（距線芯等距的圓周上出現(xiàn)一圈氣泡）。

電纜性能不合格：（1）游離放電和介質(zhì)損耗不合格；（2）電纜絕緣擊穿墊層擊穿——鋼帶有毛刺、卷邊，刺破墊層。

5 過氧化物交聯(lián)工藝的基本要求

5.1 絕緣無微孔，水含量低：采用全干式交聯(lián)和冷卻系統(tǒng)。高壓超高壓電纜采用氣冷，中壓電纜可采用閉路循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行水冷。

5.2 層間界面光滑：避免絕緣加速老化和水樹的產(chǎn)生。

5.3 較好的同心度：導(dǎo)體與保護(hù)層橫截面應(yīng)同軸對稱。

5.4 雜質(zhì)控制。

5.5 減少絕緣內(nèi)的機(jī)械應(yīng)力。

5.5.1 采用在線松弛裝置，把冷卻后的電纜再加熱，消除熱應(yīng)力。

5.5.2 適當(dāng)降低交聯(lián)溫度，加長預(yù)冷管長度，減慢冷卻速度，使絕緣向?qū)w中心收縮，消除絕緣與導(dǎo)體間的應(yīng)力。

5.6 除去絕緣中的氣體

35kv及以下的絕緣電纜，線芯交聯(lián)完成后，只需在常溫下放置一段時(shí)間即可。110kv、220kv級(jí)以上電纜，應(yīng)把線芯送到烘房進(jìn)行除氣。

參考文獻(xiàn)

[1]韓寶忠.電纜材料新技術(shù)[A].2011中國塑協(xié)塑料技術(shù)協(xié)作委員會(huì)年會(huì)·技術(shù)交流會(huì)，2011.

[2]楊永柱.高壓電纜絕緣用可交聯(lián)聚乙烯結(jié)構(gòu)、性能及交聯(lián)過程的研究[D].浙江大學(xué)，2010.

[3]姜日洪.交聯(lián)聚乙烯電力電纜線路[M].北京：中國電力出版社，2009（5）.

[4]甘興忠.電線電纜絕緣交聯(lián)聚乙烯交聯(lián)工藝的分析和對比[J].電線電纜，2008（2）.

[5]顧炯，韓高寶.交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜交聯(lián)工藝介紹及應(yīng)用[J].建筑電氣，2010（5）.