硅烷交聯(lián)聚乙烯電纜料配方設(shè)計(jì)

何志勇

摘要：電力電纜行業(yè)中，我國電力電纜按耐壓等級可分為五類：1KV一下為低壓電纜，1-6KV為中壓電纜，6-35KV為高壓電纜，66-220KV為超高壓電纜，220-1100KV為特高壓電纜。目前用量最大的是1-35KV級電纜，1KV級的電力電纜90%以上是聚氯乙烯絕緣。電力行業(yè)九五期間的目標(biāo)是發(fā)展低壓交聯(lián)電力電纜，以硅烷交聯(lián)聚乙烯絕緣取代聚氯乙烯。現(xiàn)在我國很多企業(yè)我絕緣材料都是交聯(lián)PE，特別是低壓電纜主要用硅烷交聯(lián)PE料。

關(guān)鍵詞：硅烷交聯(lián)聚乙烯;電纜料;配方設(shè)計(jì)

一、配方的設(shè)計(jì)原理、原則、方法、步驟

1.1配方設(shè)計(jì)原理：①聚乙烯在大氣、陽光和氧的作用下，會發(fā)生老化、變色、龜裂、變脆或粉化，喪失其力學(xué)性能。在成型加工溫度下，也會因氧化作用，使其熔體粘度下降，發(fā)生變色、出現(xiàn)條紋，故而在成型加工和使用過程或選材時應(yīng)予以注意。對PE的改性方法是加人抗氧劑、紫外線吸收劑或炭黑等可明顯提高其耐老化性能。②聚乙烯氧指數(shù)只有18，不耐然，但聚乙烯卻是易燃材料需加入阻燃劑。③抗氧劑，為保證聚乙烯加工過程中的穩(wěn)定性及其制品的使用壽命，需要加人抗氧劑。

1.2配方的設(shè)計(jì)步驟：①擬訂性能指標(biāo)：調(diào)查研究產(chǎn)品使用條件、綜合考慮，確定性能指標(biāo)，必須保證電纜的質(zhì)量和壽命，并滿足國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能指標(biāo)。②根據(jù)工廠設(shè)備條件，對加工歷程和制造工藝要求進(jìn)行針對性分析。③選擇材料品種、規(guī)格、數(shù)量。選擇配合劑的大致順序。④擬定試驗(yàn)配方方案：選擇材料含量、加入的順序、加人的方法。

二、主料基本情況與選擇

2.1聚乙烯的結(jié)構(gòu)。聚乙烯的分子是長鏈線型結(jié)構(gòu)或支鏈結(jié)構(gòu)，為典型的結(jié)晶聚合物。在固體狀態(tài)下，結(jié)晶部分與無定形部分共存。結(jié)晶度視加工條件和原處理?xiàng)l件而異，一般情況下，密度越高結(jié)晶度就越大。LDPE結(jié)晶度通常為55%-65%，HDPE結(jié)晶度為80%-90%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PE分子均有一定的支化度。LDPE支化度較高，在每1000個碳原子中含有15-25個甲基側(cè)鏈以及少量的乙基和丁基側(cè)鏈，由于側(cè)鏈或支鏈降低了分子的規(guī)整度，所以，會造成含大量支鏈的PE結(jié)晶度、密度和剛性均低。HDPE的支化度較低，每1000個碳原子的主鏈上只有5-7個乙基側(cè)鏈，故而結(jié)晶度高，密度、剛性和硬度等性能均較好。由于PE的力學(xué)性能很大程度上依賴于聚合物的相對分子質(zhì)量、支化度和結(jié)晶度，如PE密度高和結(jié)晶度大，其斷裂伸長率就好，但延展性就差。所以，了解聚合物結(jié)構(gòu)會對其結(jié)構(gòu)改性和其他改性有很大幫助。一般來說HDPE拉伸強(qiáng)度為20-25MPa，而LDPE拉伸強(qiáng)度僅為10-20MPa。這一數(shù)值距離工程材料的拉伸強(qiáng)度（100-200MPa）還相差很大的距離。

2.2交聯(lián)工藝，影響聚乙烯硅烷接枝的主要工藝因素是擠出溫度和擠出速度。接枝反應(yīng)的速度主要取決于接枝引發(fā)劑的分解速度，而接枝引發(fā)劑的分解速度又強(qiáng)烈地依賴于擠出溫度。隨著溫度升高，引發(fā)劑的半衰期降低，提高擠出溫度有利于提高接枝反應(yīng)速度。但擠出溫度過高，硅烷單體揮發(fā)，降低了接枝率。研究中發(fā)現(xiàn)，擠出溫度控制不當(dāng)，擠出物會出現(xiàn)明顯脹大、鯊魚皮和熔體敬裂現(xiàn)象。聚乙烯硅烷接枝反應(yīng)溫度一般控制在190～210C之間。溫度升高有利于混合分散，但是溫度過高，過氧化物過早開始分解，而使物料在機(jī)筒內(nèi)發(fā)生預(yù)交聯(lián)，物料的熔體流動速率開始下降，黏度增加，致使加工困難，接枝料的質(zhì)量下降。在均化段和計(jì)量段，溫度可以適當(dāng)提高，因?yàn)樵谶@兩段，過氧化物必須快速而完全分解，同時必須保證預(yù)交聯(lián)度在加工可接受的范圍。綜上所訴，為了加工性優(yōu)良，選擇低壓聚乙烯。

三、配合劑的選擇與說明

3.1基礎(chǔ)樹脂，烯烴的均聚物和共聚物都可被不飽和硅烷接枝交聯(lián)。不同聚乙烯因結(jié)構(gòu)不同，接枝前后熔體流動速率下降的程度是不同的。具體生產(chǎn)中，單獨(dú)的一種樹脂很難滿足綜合性能要求，通常采用幾種樹脂共混的辦法來調(diào)節(jié)樹脂的基本特性，以希望達(dá)到預(yù)期的聚乙烯交聯(lián)制品。另外，硅烷接枝對聚合物的含水量有嚴(yán)格要求。硅烷遇到聚合物中的水分會發(fā)生水解并產(chǎn)生預(yù)交聯(lián)，將嚴(yán)重影響產(chǎn)品的品質(zhì)，所以聚合物在使用前要進(jìn)行干燥處理。

3.2引發(fā)劑，當(dāng)其它條件一定的情況下，隨著DCP用量的增加，聚乙烯接枝相率有所變化，具體情況可以間接地從凝膠含量的變化上反映出來。當(dāng)DCP的含量超過一極限值時，凝膠含量反而下降，這是C-C偶合的交聯(lián)反應(yīng)占主要地位，只是聚乙烯的流動性降低，對接枝料的加工性能產(chǎn)生很大的影響，對成品不利影響，DCP的用量一般為0.05-0.5份。

3.3交聯(lián)劑，一般采用乙烯基不飽和硅烷作為交聯(lián)劑，包括乙烯基三甲氧基硅烷和乙烯基三乙氧基硅烷。這兩種硅烷又有不同，乙?；已趸柰榈乃馑俾市∮谝蚁┗籽趸柰樗馑俾?，所以為防止接枝聚乙烯過早水解而交聯(lián)，選擇乙烯基三乙氧基硅烷為佳，但乙烯基三甲氧基硅烷可以相應(yīng)縮短制品交聯(lián)固化時間。理想的用法是兩者按一定的比例合用。當(dāng)其它條件不變時，隨著交聯(lián)劑用量的增加，接枝密度逐漸增加。當(dāng)用量達(dá)到一定程度后，接枝反應(yīng)到達(dá)飽和極限，超過此臨界值用量，接枝率變化很小，交聯(lián)劑用量一般在0.5-4份之間。

3.4抗氧劑，抗氧劑若在接枝之前加人，會對硅烷接枝反應(yīng)產(chǎn)生明顯影響，尤其是自由基捕獲型的抗氧劑，因?yàn)樗鼈儠东@聚乙烯自由基，抑制接枝反應(yīng)。所以接枝過程中抗氧劑的添加要慎重，應(yīng)選擇合適的抗氧劑?？寡鮿?010添加量較少時就能達(dá)到老化要求。在接枝料生產(chǎn)過程中可不加抗氧劑或只加人非自由基捕獲型的抗氧劑，在催化料中加足抗氧劑，來滿足物料的穩(wěn)定性。一般來說，隨著抗氧劑含量增加，接枝和交聯(lián)程度降低，當(dāng)達(dá)到一定程度后，這種影響變得很小。一般抗氧劑含量不大于1份。

總結(jié)

目前，國內(nèi)的硅烷交聯(lián)低煙無鹵阻燃聚烯烴絕緣料的研發(fā)和生產(chǎn)仍處于初級階段，很多性能還達(dá)不到進(jìn)口料的標(biāo)準(zhǔn)。相信隨著研發(fā)工作的進(jìn)一步深入，國產(chǎn)硅烷交聯(lián)低煙無鹵阻燃聚烯烴絕緣料也會和國外一樣，擴(kuò)展到光伏電纜、機(jī)車線、汽車線、電及艦船等領(lǐng)域，有效替代輻照交聯(lián)料。

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