高壓XLPE電纜絕緣料綜合性能的對(duì)比分析

劉美兵， 楊凱軍， 屠德民

(浙江萬(wàn)馬高分子材料有限公司，浙江臨安311305)

0 引言

隨著電力工業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)對(duì)高壓、超高壓電力電纜的需求越來(lái)越大，高壓交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜絕緣料的用量也相應(yīng)增加。我國(guó)使用的高壓XLPE電纜絕緣料主要依賴(lài)進(jìn)口，多為美國(guó)聯(lián)碳、北歐化工等跨國(guó)公司生產(chǎn)。為了打破國(guó)外的壟斷，我公司和國(guó)內(nèi)石化企業(yè)合作，開(kāi)發(fā)了適用于高壓XLPE電纜絕緣料的基礎(chǔ)樹(shù)脂，并應(yīng)用了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的后吸法工藝，成功實(shí)現(xiàn)了萬(wàn)馬YJ—110高壓XLPE絕緣料的產(chǎn)業(yè)化。

為了進(jìn)一步論證萬(wàn)馬YJ—110 XLPE電纜料的質(zhì)量，我們?nèi)鏈y(cè)量了目前國(guó)內(nèi)普遍使用的國(guó)外主流110 kV XLPE絕緣料和萬(wàn)馬YJ—110 XLPE絕緣料的性能，并對(duì)兩種高壓絕緣料的加工工藝性能進(jìn)行對(duì)比。

1 試樣

(1)35 kV XLPE電纜料，浙江萬(wàn)馬高分子材料有限公司生產(chǎn)的型號(hào) YJ—35(簡(jiǎn)稱(chēng) YJ—35);(2)110 kV XLPE電纜料，浙江萬(wàn)馬高分子材料有限公司生產(chǎn)的型號(hào)YJ—110(簡(jiǎn)稱(chēng)YJ—110);(3)國(guó)外主流110 kV XLPE絕緣料A樣(簡(jiǎn)稱(chēng)A試樣)。無(wú)水乙醇，分析純AR，杭州高晶精細(xì)化工有限公司;二甲苯，分析純，杭州瓶窯和順化工試劑廠。

2 試樣制備及性能測(cè)試

常規(guī)性能測(cè)試:將試樣的粒料在180℃下，放入平板硫化機(jī)中模壓成厚度1 mm的薄片。模壓條件為先預(yù)熔1.5 min，再在16 MPa下模壓15 min，后在室溫15 MPa下加壓冷卻10 min，然后用切刀裁成啞鈴型試樣，測(cè)試熱延伸、交聯(lián)度、拉伸強(qiáng)度和電性能等。

按GB/T 2951.21—2008標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)以上不同試樣進(jìn)行了熱延伸測(cè)試。按ASTM D2765—2001標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了凝膠含量的測(cè)試;按GB/T 24131—2009標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了揮發(fā)分指標(biāo)的測(cè)試;塑料拉伸性能的測(cè)定按GB/T 1040.2標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。熔融指數(shù)的測(cè)試按ASTM D1238/D3364標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。常規(guī)老化性能測(cè)試按照GB/T 2951.2—1997標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

其他非常規(guī)性能試驗(yàn)暫無(wú)標(biāo)準(zhǔn)，主要按照以下測(cè)試方法。

無(wú)水乙醇的萃取:將試樣放在115℃的平板硫化機(jī)中模壓成厚度約為0.2 mm的薄片，薄片尺寸約為50 mm×50 mm的正方形，薄片試樣浸入盛有乙醇(70℃)的燒杯中，加入磁子不斷攪拌，浸泡4 h后取出試樣，用無(wú)水乙醇再清洗2次，最后在80℃下真空干燥。對(duì)干燥的試樣進(jìn)行DSC測(cè)試，驗(yàn)證過(guò)氧化物交聯(lián)劑和抗氧化劑等助劑是否去除。

在1 mm的試片上截取少量試樣，采用TA Q2000型差示掃描熱量?jī)x(DSC)研究其熱性能，DSC測(cè)試條件為在 160℃下恒溫 3 min，再以10℃/min的降溫速率從160℃冷卻到10℃，在10℃下恒溫1 min，最后以10℃/min的升溫速率從10℃加熱到160℃。

3 高壓XLPE電纜料的性能指標(biāo)對(duì)比分析

3.1 常規(guī)理化指標(biāo)

三種試樣的常規(guī)理化性能列于表1中。

表1 常規(guī)理化指標(biāo)

由表1可見(jiàn)，在常規(guī)性能上，YJ—35與國(guó)內(nèi)外的超凈料性能相當(dāng)，交聯(lián)度和熱延伸兩項(xiàng)指標(biāo)可以相互驗(yàn)證，兩者成反比關(guān)系，常規(guī)老化均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，YJ—110斷裂伸長(zhǎng)率相對(duì)優(yōu)于A試樣。

3.2 揮發(fā)份指標(biāo)

三種試樣的揮發(fā)份指標(biāo)測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 揮發(fā)份指標(biāo) (單位:%)

由表2數(shù)據(jù)可知，根據(jù)YJ—35和YJ—110已知配方中的過(guò)氧化物添加量，換算出實(shí)測(cè)揮發(fā)份的平均值與配方已知值的差值;根據(jù)差值的平均數(shù)，推算出A試樣的揮發(fā)分約為1.6%。根據(jù)揮發(fā)份指標(biāo)可以得出A試樣的過(guò)氧化物添加量約為1.6%，而YJ—110的添加量為1.75%。

3.3 熔融指數(shù)指標(biāo)

三種XLPE在140℃時(shí)熔融指數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示，表中出口后直徑是塑料經(jīng) 2.095 mm孔擠出膨脹后的直徑。

由于以上三個(gè)試樣中均含有過(guò)氧化物交聯(lián)劑，不能在190℃測(cè)試，根據(jù)電纜廠放線時(shí)擠出的熔體溫度約為135℃，故選擇了140℃溫度時(shí)測(cè)試該熔融指數(shù)，由表3數(shù)據(jù)可得出以下兩個(gè)結(jié)論:

(1)熔融指數(shù)變化率指標(biāo)可間接反映加工過(guò)程的防焦燒性能，熔融指數(shù)變化率越小，說(shuō)明在該溫度下的預(yù)交聯(lián)越少。根據(jù)表3中數(shù)據(jù)表可知，YJ—110的防燒焦性?xún)?yōu)于A試樣，YJ—35最差。

表3 熔融指數(shù)對(duì)比數(shù)據(jù)

(2)出口后直徑可間接反映擠出時(shí)的出口膨脹率，可以認(rèn)為該指標(biāo)隨著時(shí)間的增加變化率越小越好，更容易控制絕緣厚度的穩(wěn)定性。根據(jù)表3中數(shù)據(jù)可知，A試樣的出口后直徑優(yōu)于YJ—110，YJ—35最差。

3.4 單螺桿工藝擠出性能

使用RM—200A轉(zhuǎn)矩流變儀，哈普電氣制造公司制造，在一定溫度和轉(zhuǎn)速下對(duì)比三個(gè)試樣的出膠量、扭矩及擠出表面情況，具體數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 擠出表面性能

由表4可見(jiàn):(1)擠出表面YJ—110與A試樣擠出相當(dāng)，優(yōu)于YJ—35;(2)三個(gè)試樣出膠量不一樣，導(dǎo)致擠出扭矩及表面情況也不一樣，主要原因是RM—200A轉(zhuǎn)矩流變儀的擠出機(jī)螺桿直徑太小，粒子大小形狀對(duì)出膠量的影響較大，此數(shù)據(jù)供參考。

3.5 萃取后的熔融指數(shù)指標(biāo)

無(wú)水乙醇萃取后熔融指數(shù)的測(cè)試數(shù)據(jù)如表5所示。

由表5數(shù)據(jù)可見(jiàn)，熔融指數(shù)隨時(shí)間的增加，大小基本不變，說(shuō)明經(jīng)過(guò)無(wú)水乙醇萃取后，可以將過(guò)氧化物交聯(lián)劑完全除去，萃取后的試樣基本還原成基礎(chǔ)樹(shù)脂，萃取后的試樣熔融指數(shù)明顯要比原始基礎(chǔ)樹(shù)脂(MI=2.0 g/10 min)要小，其中YJ—110萃取后的熔融指數(shù)相比A試樣要大得多，據(jù)此，我們進(jìn)一步對(duì)萃取后的YJ—110及進(jìn)口A試樣做分子量及分子量分布和DSC分析。

表5 萃取后熔融指數(shù)對(duì)比數(shù)據(jù)

3.6 分子量及分子量分布

將電纜料中的交聯(lián)劑除去后，便可以方便地研究基礎(chǔ)樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)參數(shù)，我們研究了兩種試樣無(wú)水乙醇萃取后樹(shù)脂的分子量及分子量分布，如圖1及表6給出了YJ—110及A樣品經(jīng)萃取后的GPC圖譜、分子量及分子量分布數(shù)據(jù)。

圖1 YJ—110及A樣啟萃取后的GPC圖譜

表6 YJ—110及A樣萃取后的分子量及分子量分布

由圖1和表6數(shù)據(jù)可知，YJ—110與A樣品相比，YJ—110的分子量分布稍微寬，相對(duì)小分子聚合物多，分散性大，擠出時(shí)的出口膨脹率相對(duì)要大。YJ—110試樣的數(shù)均分子量較小，而分子量分布較廣。通過(guò)此結(jié)論，可以驗(yàn)證過(guò)氧化物的添加量及出口膨脹率。數(shù)均分子量越小，相對(duì)小分子聚合物多，在交聯(lián)過(guò)程消耗過(guò)氧化物的量要多，故YJ—110過(guò)氧化物添加量要比A試樣多0.15%。

3.7 熱分析實(shí)驗(yàn)

熱分析DSC實(shí)驗(yàn)記錄升溫和降溫過(guò)程的曲線如圖2所示。

圖2 去除交聯(lián)劑以及交聯(lián)后的YJ—110與A樣品電纜料的DSC圖譜

圖2給出了去除交聯(lián)劑以及交聯(lián)后的兩種樣品的DSC圖譜，相應(yīng)的結(jié)晶溫度、熔點(diǎn)、結(jié)晶焓、熔融焓和結(jié)晶度等參數(shù)總結(jié)在表7中。

表7 DSC數(shù)據(jù)表

由圖2可以看出，交聯(lián)前后，兩種樣品都發(fā)生了結(jié)晶和熔融行為。但顯然交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的引入必然會(huì)對(duì)樣品的熱行為產(chǎn)生影響，以A樣品為例，交聯(lián)后樣品的結(jié)晶溫度、熔點(diǎn)和結(jié)晶度都降低。這是由于交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的存在，使得鏈段的運(yùn)動(dòng)受到限制，降低了分子鏈規(guī)整排列進(jìn)入晶區(qū)的能力，因此需要更多的能量(即更大的過(guò)冷度)完成結(jié)晶過(guò)程，且形成的晶體完善程度相對(duì)低，片晶的厚度較低，從而使得交聯(lián)后樣品的結(jié)晶溫度、熔點(diǎn)和結(jié)晶度都降低。

此外，比較交聯(lián)前A樣品和YJ—110的結(jié)晶和熔融行為可以發(fā)現(xiàn)，A樣品的結(jié)晶溫度和熔點(diǎn)相對(duì)更高。在相同的熱處理?xiàng)l件下，結(jié)晶溫度的大小可以反映聚合物的結(jié)晶能力。結(jié)晶溫度越高，表明其結(jié)晶能力越強(qiáng)，是聚合物鏈結(jié)構(gòu)規(guī)整度好的表現(xiàn)。所以A樣品的結(jié)晶溫度高意味著A樣品鏈結(jié)構(gòu)規(guī)整度更好，因此A樣品表現(xiàn)出更強(qiáng)的結(jié)晶能力，且形成的晶體完善程度更高，在更高的溫度下完成熔融過(guò)程。該結(jié)論也驗(yàn)證了表5中的YJ—110萃取后熔融指數(shù)明顯比A試樣大的原因。

4 高壓絕緣料線纜制造過(guò)程工藝對(duì)比分析

4.1 制造設(shè)備、原材料和規(guī)格型號(hào)

制造設(shè)備為芬蘭麥拉菲爾公司生產(chǎn)的立塔高壓電纜生產(chǎn)線。線纜規(guī)格型號(hào)為YJLW03 64/110 1×630。使用的原材料分別是絕緣料:浙江萬(wàn)馬高分子材料有限公司生產(chǎn)的YJ—110絕緣料和進(jìn)口A試樣絕緣料;半導(dǎo)電內(nèi)屏蔽料:日本NUC公司的NUCV 9563;半導(dǎo)電外屏蔽料:美國(guó)DOW公司生產(chǎn)的HFDB 0586。

4.2 工藝參數(shù)的設(shè)定

(1)三層共擠擠塑機(jī)溫度的設(shè)定，三螺桿不同區(qū)域的溫度見(jiàn)表8。

表8中Z1～Z8是三螺桿上的各溫區(qū)，H1和H2分別是三層共擠的機(jī)頭上下電加熱圈處設(shè)定的溫度，TU4是螺桿S2芯中通恒溫循環(huán)水的溫度，三層共擠機(jī)頭的溫度都是123℃。

表8 三螺桿上各溫區(qū)的設(shè)定溫度

(2)硫化管溫度(6節(jié)硫化管道，每節(jié)6 m)，每節(jié)硫化管的溫度示于表9中。

表9 氮?dú)鈮毫?0bar下硫化管道溫度

(3)導(dǎo)體前置預(yù)熱溫度90℃;導(dǎo)體后置加熱溫度150℃。

(4)導(dǎo)體運(yùn)行線速度1.52 m/min。

4.3 三層共擠過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)比分析及結(jié)論

我們主要對(duì)YJ—110和A試樣兩者之間的加工工藝性能作對(duì)比分析。主要關(guān)注絕緣 200擠出機(jī)的參數(shù)波動(dòng)變化，在所有工藝溫度參數(shù)不變的情況下，通過(guò)轉(zhuǎn)速保證絕緣厚度一定的情況下，對(duì)比兩種絕緣料在長(zhǎng)時(shí)間擠出過(guò)程中的扭矩和壓力的變化趨勢(shì)，如圖3、圖4所示。

圖3 YJ—110與A試樣擠出扭矩隨時(shí)間變化對(duì)比

圖4 YJ—110與A試樣擠出壓力隨時(shí)間變化對(duì)比

由圖3、圖4可知兩種絕緣料連續(xù)生產(chǎn)144h數(shù)據(jù)記錄變化趨勢(shì)。根據(jù)圖3扭矩-時(shí)間圖對(duì)比數(shù)據(jù)分析，YJ—110的擠出扭矩相對(duì)A試樣的要小，連續(xù)生產(chǎn)144 h后，YJ—110的扭矩變化值也比A試樣小，說(shuō)明YJ—110相對(duì)A試樣更容易塑化，流動(dòng)性佳，但在CCV生產(chǎn)線上，YJ—110在偏心度控制上略有不足，但總體能夠滿(mǎn)足高壓電纜加工要求。另外從圖4壓力-時(shí)間圖對(duì)比數(shù)據(jù)分析，YJ—110連續(xù)生產(chǎn)時(shí)的壓力變化值比A樣品要小，其主要原因是兩者的熔體粘度有差異，YJ—110的熔體粘度要小于A樣品，另外從“焦燒”角度來(lái)分析，YJ—110相對(duì)于A樣品的“焦燒”量要少，適合長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)機(jī)運(yùn)行，此處得出的結(jié)論和表3中數(shù)據(jù)結(jié)論相符。

5 線纜測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

兩種絕緣料生產(chǎn)的成品電纜進(jìn)行了絕緣全面性能的測(cè)試。測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)按照 GB/T 11017.1～3—2002。具體數(shù)據(jù)如表10所示。

表10 絕緣機(jī)械性能及電性能測(cè)試數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)萬(wàn)馬YJ—110與A試樣兩種高壓XLPE電纜絕緣料的各項(xiàng)性能、電纜制造加工過(guò)程工藝參數(shù)變化和成品電纜檢測(cè)的對(duì)比分析，萬(wàn)馬YJ—110產(chǎn)品性能及加工工藝性能已達(dá)到國(guó)外同類(lèi)高壓XLPE電纜絕緣料的水平。

［1］蔡建超，劉美兵，何 軍，等.萬(wàn)馬110 kV XLPE電纜料的研發(fā)和性能［J］.電線電纜，2012(6):27-31.

［2］蔡建超，陳文卿.萬(wàn)馬高壓XLPE絕緣料在110 kV電纜上的應(yīng)用［J］.電線電纜，2013(2):21-23.

［3］胡榮祖，高勝利，趙風(fēng)起.熱分析動(dòng)力學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，2008.

［4］GB/T 11017.1!11017.3—2002 額定電壓110kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件［S］.