三元乙丙橡膠/氯化聚乙烯并用膠在輸電線路阻尼間隔棒中的應用

徐 鵬，何 紅，杜繼紅

（1．北京化工大學 機電工程學院，北京 100029；2.四平線路器材廠，吉林 四平 136001）

我國地域廣闊，東西部經濟發展不均衡。將西部欠發達地區的煤炭、水力資源輸送到東部經濟發達地區，是我國生產力發展布局的客觀要求。高壓輸電具有線損低、占地少、距離遠、容量大的優勢，在國民經濟發展中發揮著重要作用。阻尼間隔棒應用于多分裂導線高壓輸電線路，能夠抑制導線微風振動和次檔距（分裂導線兩間隔棒之間）振蕩，保障高壓輸電線路的安全運行，是不可缺少的關鍵防護金具[1]。目前，我國正處在高壓輸電線路建設的高峰期，阻尼間隔棒年需求量達幾十萬套，與之配套的橡膠件用量巨大。

20世紀六七十年代，發達國家對阻尼間隔棒配套橡膠件進行了集中研究開發，但橡膠件的組成成分和制造方法都是保密的。由于電力行業與橡膠行業跨距大，技術銜接性差，導致我國對阻尼間隔棒配套橡膠件配方和性能研究不多。

目前，常用的阻尼橡膠件原材料主要為三元乙丙橡膠（EPDM）和丁基橡膠并用膠，其硫化膠具有良好的阻尼性能、物理性能和耐臭氧老化性能，但也存在不足之處，如膠料的硫化速率小、生產成本高等。因此，研制新型膠種，縮短硫化時間，提高生產效率，對提高橡膠產品使用性能、降低生產成本具有重要意義。

本工作研究EPDM/氯化聚乙烯并用膠在高壓輸電線路阻尼間隔棒中的應用。

1 EPDM/氯化聚乙烯并用膠的研制

文獻[2-3]介紹了EPDM及其并用膠的種類和性能，其中電線電纜行業使用的EPDM/氯化聚乙烯并用膠與輸電線路間隔棒用橡膠的使用條件和使用性能相近[4-5]。

EPDM主鏈是飽和碳鏈，具有極高的化學穩定性、良好的耐候性能和耐臭氧性能、優良的耐熱性能。由于分子鏈上無極性取代基，分子間內聚能較低，因而EPDM存在自粘性和互粘性較差、硫化速率小等缺點。

氯化聚乙烯是含氯的飽和碳鏈高分子，具有優良的耐臭氧性能、耐候性能、耐老化性能和耐化學藥品性能，優異的高填充性和化學特性，價格低廉，與EPDM相容性較好[6]。

1.1 氯化聚乙烯品種的選擇

氯化聚乙烯品種較多，常用的3個品種分別為氯化聚乙烯CPE-135A、橡膠型氯化聚乙烯（粉狀）CM-352L和橡膠型氯化聚乙烯（膠狀）CM-352LF。將3種氯化聚乙烯分別與EPDM進行混煉、硫化后測試其基本性能，除配方所用氯化聚乙烯品種不同，其他條件均相同。試驗設備采用廣州廣材試驗儀器有限公司生產的XLD-2500E型電力拉力機和上海六菱儀器廠生產的LX-A型邵式橡膠硬度計，測試結果見表1。

表1 EPDM與不同品種氯化聚乙烯并用膠的物理性能

由表1可知，在混煉條件相同的情況下，EPDM/氯化聚乙烯并用膠均具有更好的物理性能。后續試驗氯化聚乙烯的品種選用CM-352LF。

1.2 試驗配方的確定

1.2.1 EPDM/氯化聚乙烯并用比

在配方其他組分和用量相同情況下，制備不同并用比EPDM/氯化聚乙烯并用膠，以相同條件混煉、硫化后，利用美特斯工業系統（中國）有限公司生產的CMT4204型微機控制電子萬能試驗機測試硫化膠的力學性能，結果見表2。

表2 不同并用比EPDM/氯化聚乙烯并用膠的力學性能

由表2可知，隨著氯化聚乙烯用量增大，硫化膠的300%定伸應力和拉伸強度減小。考慮配方經濟性，氯化聚乙烯用量越大越好，但由于本配方產品性能應符合DL/T 1098《間隔棒技術條件和試驗方法》中的合成橡膠元件性能指標要求，300%定伸應力和拉伸強度不能過小，綜合各種因素，確定EPDM/氯化聚乙烯并用比為70/30。

1.2.2 硫化體系

EPDM/丁基橡膠并用膠的硫化體系為硫黃/促進劑TMTD的低硫高促硫化體系，與之不同的是，EPDM和氯化聚乙烯具有共硫化特性，均可采用過氧化物進行硫化。EPDM/氯化聚乙烯并用膠硫化時，交聯和斷裂反應同時發生，為抑制斷裂反應同時加大硫化速率，配方中需添加具有官能團的共硫化劑[3]。本試驗選用過氧化物DCP。

1.2.3 補強體系和其他助劑

EPDM屬于非結晶型橡膠，本身強度并不高，需加入補強填料才能使膠料具有較好的物理性能。高耐磨炭黑N330粒徑較小，結構度高，活性點多，比表面積大，具有良好的補強效果，可提高膠料的模量、拉伸強度、拉斷伸長率、撕裂強度和耐磨性能，降低壓縮永久變形和口型膨脹率，但會使膠料的門尼粘度增大，因此用量不宜過大[7]。本試驗確定炭黑N330用量為50份。

其他助劑（軟化劑、防老劑等）根據實際情況酌情少量添加。當主體材料用量為100份時，補強劑和其他助劑的總用量不超過70份。

綜上所述，本試驗配方確定為：EPDM/氯化聚乙烯 70/30，炭黑N330 50，氧化鋅 4，過氧化物DCP 4，硫黃 1，其他（軟化劑、防老劑等）

11。

1.3 硫化工藝條件的確定

硫化工藝條件主要包括壓力、溫度和時間。硫化壓力越大，硫化膠質量越好，但過大的硫化壓力會造成能源浪費。依據阻尼橡膠件生產實際情況，硫化壓力以10 MPa為宜。根據時溫等效原理，硫化溫度越高，硫化時間越短。為縮短硫化時間，宜采用高硫化溫度，但溫度過高會引起氯化聚乙烯分解，因此，硫化溫度不宜超過175 ℃。根據試驗配方制備的EPDM/氯化聚乙烯混煉膠停放后，采用北京瑞達宇辰有限公司生產的MR-C3型無轉子硫化儀測定其165，170和175 ℃下的硫化曲線[8]，如圖1所示。

圖1 不同溫度下EPDM/氯化聚乙烯混煉膠的硫化曲線

從圖1可以看出，硫化曲線符合時溫等效原理，隨著硫化溫度升高，硫化時間縮短。根據硫化曲線，并綜合各種因素，確定硫化工藝條件為：硫化壓力 10 MPa，硫化溫度 175 ℃，硫化時間8 min。

2 阻尼間隔棒配套橡膠的性能

阻尼間隔棒是利用關節橡膠作阻尼材料來消耗導線振動能量，對導線振動產生阻尼作用，從而降低導線振動水平。阻尼橡膠的基本性能要求主要針對于關節橡膠（不包括間隔棒線夾內襯墊）[9]，體現在阻尼性能、物理性能和耐臭氧老化性能等方面。按照電力標準DL/T 1098中常用合成橡膠元件主要性能要求的檢驗項目，對EPDM/氯化聚乙烯并用膠進行基本性能測試。

2.1 阻尼性能

阻尼間隔棒利用關節橡膠件的彈性獲得所需剛度，以便在具有充分活動性的使用條件下保持分裂導線的幾何尺寸。利用關節橡膠件的粘性在交變應力下消耗足夠能量，以達到抑制次檔距振蕩和微風振動的目的[1]。

橡膠動態粘彈行為表現為滯后現象，應變響應落后于應力一個相位角（δ），δ越大，橡膠材料的滯后損失越大，阻尼性能越好，消耗導線的振動能量越多，抑制導線次檔距振蕩和微風振動的能力越強。這種力學損耗也稱滯后損失或內耗，通常以特征參數tanδ值的大小表征[10]。

阻尼橡膠件在交變力場作用下，應變響應滯后于應力變化的現象即為滯后現象，此時的模量為復數模量（E*），即：

式中，σ0為最大應力，ε0為最大應變是實數部分，稱為儲能模量，反映彈性，是能量的儲存部分，簡稱實模量；是虛數部分，稱為損耗模量，反映粘性，是能量的耗損部分，簡稱虛模量。

用于描述每一周期內能量損耗與最大彈性變形能關系的表征量稱為損耗因子（tanδ），即tanδ＝E″/E′。

由于應變滯后于應力，則每一個振動周期（形變周期），應力-應變的拉伸和回縮曲線（見圖2）將包圍成“滯后環”。這個遲滯回線（滯后環）所包含的面積（ABCA）表示在一個振動周期中單位體積的能量損耗（ΔW）。ΔW與tanδ正相關，公式如下：

圖2 橡膠拉伸和回縮的應力-應變曲線

利用法國01dB-Metravib公司生產的VA3000型動態機械分析儀（DMA）測定EPDM/氯化聚乙烯并用膠在－40～＋40 ℃、25 Hz條件下的tanδ，結果見圖3。

圖3 EPDM/氯化聚乙烯并用膠的tan δ

從圖3可以看出，tanδ值隨著溫度升高而減小，在－18～0 ℃出現區域阻尼損耗峰，數值范圍為0.4～0.18，高于電力行業標準規定范圍（0.4～0.1）。

2.2 物理性能

物理性能反映橡膠材質的好壞，EPDM/氯化聚乙烯并用膠的物理性能見表3。

由表3可知，EPDM/氯化聚乙烯并用膠的物理性能達到電力行業標準要求。

表3 EPDM/氯化聚乙烯并用膠的物理性能

2.3 耐臭氧老化性能

高壓輸電線路易于發生電暈放電現象，產生臭氧、氮的氧化物等有害物質。臭氧是橡膠龜裂的主要因素，因此要求阻尼橡膠有很好的耐臭氧老化性能。通過人工模擬強化臭氧條件進行臭氧老化試驗，可以檢驗橡膠的耐臭氧老化性能。利用高鐵檢測儀器公司生產OZ-0500AH型臭氧試驗機，按GB/T 7762—2014《硫化橡膠或熱塑性橡膠耐臭氧龜裂 靜態拉伸試驗》相關要求，在溫度25 ℃、臭氧體積分數 50 10-8、拉伸率 20%的試驗條件下測試EPDM/氯化聚乙烯并用膠的耐臭氧老化性能，老化時間為72 h，測試結果見圖4。

由圖4可見，老化前后3個啞鈴狀EPDM/氯化聚乙烯并用膠試樣均未出現裂紋，表明其具有良好的耐臭氧老化性能。

圖4 EPDM/氯化聚乙烯并用膠的耐臭氧老化性能

3 結論

采用本試驗確定的配方和硫化工藝，膠料的硫化速率增大，硫化時間縮短；硫化膠的阻尼性能、物理性能和耐臭氧老化性能均達到電力行業標準要求；產品的生產成本降低，生產效率提高。