EVA/VLDPE/Mg(OH)2阻燃体系介电性能研究

秦书娟, 徐 曼, 曹晓珑, 贺 蓉, 拓新路, 刘景光

(1. 西安交通大学 电力设备与电气绝缘国家重点实验室，陕西 西安 710049； 2. 江苏中煤电缆股份有限公司，江苏 宜兴 214251)

EVA/VLDPE/Mg(OH)2阻燃体系介电性能研究

秦书娟1, 徐 曼1, 曹晓珑1, 贺 蓉1, 拓新路1, 刘景光2

(1. 西安交通大学 电力设备与电气绝缘国家重点实验室，陕西 西安 710049； 2. 江苏中煤电缆股份有限公司，江苏 宜兴 214251)

选择了四种醋酸乙烯(VA)含量不同的乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA)为基料，配以四种不同填充量(或含量)的氢氧化镁和增溶剂，采用正交设计实验，研究了这三个因素对无卤阻燃复合材料EVA/VLDPE/Mg(OH)2介电性能的影响。结果表明，VA含量的影响是最关键的，氢氧化镁填充量影响其次，增溶剂的影响较小，并得到了介电性能随这些因素变化的规律。

乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)；氢氧化镁；正交实验；介电性能

0 引 言

阻燃电线电缆在公共建筑中的应用越来越广泛，而提高材料的阻燃性能又往往降低其老化性能，所以阻燃电缆由于绝缘老化损坏，绝缘性能下降，造成电缆短路而引起的火灾时有发生。为了减小阻燃材料在燃烧过程中的二次危害，低烟无卤阻燃电缆料得到了广泛的应用。无卤阻燃电缆料可以通过在聚烯烃中加入无机阻燃剂得到。目前人们比较关注此体系在应用中的阻燃、机械、老化等多方面的性能，但是作为阻燃电缆材料，此体系要应用在电场环境下，其介电性能必须满足一定的要求。该体系的无卤低烟阻燃特性同机械物理和电气性能又相互制约[1]。研究材料的介电性能，掌握其变化规律，从而找出其关键因素的影响，对提高阻燃电缆材料的整体性能具有重要意义。

1 实验部分

1.1实验原料

乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)，其醋酸乙烯(VA)含量为12%、19%、26%、40%四种，美国进口；超低密度聚乙烯(VLDPE)，美国进口；Mg(OH)2，容积密度350 g/L，平均比表面10 m2/g，德国进口；硅烷偶联剂，德国进口；增溶剂(功能性聚乙烯)，法国进口；稳定剂，瑞士进口。

1.2主要仪器和设备

高速混合机(GRH-10)，阜新瀚特尔橡塑机械制造公司；转矩流变仪(RC-90)，德国哈克公司；开炼机(XK-160)，锡山市新华橡塑机械厂；平板硫化机(QLB-350)，泰州市祥舆橡塑机械有限公司；ZC36型高阻计，上海第六电表厂；50 kV试验变压器和自动升压变压器。

1.3试样制备

制样流程见图1。

图1 制样流程

1.4介电性能测量

体积电阻率按标准GB 1410—78测试；

击穿强度按标准GB/T 1408.1—1998测试。

1.5正交实验设计

聚合物基体、填料的含量、填料的表面改性等会影响复合体系的界面结构，从而影响其介电性能。由于研究的影响因素较多，进行全面的实验工作量特别大，而正交实验可用部分试验来代替全面试验，通过对部分试验结果的分析，了解全面试验的情况。所以采用正交设计实验来分析关键因素的影响。

根据正交实验原理，设计了正交实验表。表1为正交实验的因素水平表。

表1 因素水平表 (单位：质量份)

注：聚合物基体中EVA和VLDPE的含量比是9∶1；基体树脂的质量份数为100，填料的表面处理剂是硅烷。

本实验中有三个因素，即基料种类、填料含量与增容剂含量，分别记为A、B和C，每个因素有4个水平。根据正交试验设计原理，采用L16(43)正交表的前三列，实验配方设计见表2。

2 结果与讨论

根据极差R的大小，判断诸因素影响的主次顺序。R越大，表示该因素的水平变化对试验指标的影响越大，因素越重要。选优组合，即根据各因素各水平的平均值确定出优水平，进而选出优组合。

表2 配方设计表

根据GB 1410—78的要求，每种试样取样3片测试，以测试结果的平均值作为该种试样的电阻率ρv。按GB/T 1408.1—1998进行击穿场强EB测试，每种试样分5批测试，每批共4个试样，则一种试样有20个测量值，取其平均值作为该试样的击穿场强。介电性能测量结果见表3。

表3 介电性能测量结果

2.1阻燃体系体积电阻率的影响因素分析

根据正交试验的极差分析法，分析结果见表4。

由表4可得到，基料种类是影响电阻率的最关键因素。随着VA含量的增大，电阻率明显下降。这可能是由于VA含量对复合体系的形态有较大影响。EVA的性能主要取决于分子链上VA含量变化。可从四种VA含量的EVA的差示扫描量热法(DSC)图看到，随着VA含量的增大，EVA的熔融峰向低温移动，其熔融峰的面积也减小。这说明VA含量越大，EVA的结晶度越低，无定形区域增大。当VA含量增至40%时，共聚物成为无定形结构[2]。

表4 体积电阻率的极差分析

固体电介质的电导可分为离子电导和电子电导两种，在弱电场中主要是离子电导[3]。本文制备的复合体系的电导主要来源于杂质，由填料引入的弱束缚离子决定。填料主要分布在EVA的无定形区域。结晶区由于结构比较紧密，载流子在结晶区的迁移率会比无定形区域小很多。因此随着VA含量的增大，无定形区域增大，载流子的迁移率也增大，从而体积电阻率下降。杂质离子随填料含量的增大而增多，电阻率随之下降，这与实验结果相符。因此，VA含量最小的基料和填料的最小含量是优水平。

图1 四种EVA的DSC分析

增溶剂在基料和填料的结构间架起了一个连接层，降低了有机表面和无机表面之间的界面能，增强了相容性，使得界面结构更加紧密，离子在分子之间跃迁的势垒增加，从而体积电阻率增大。从表4中可以看出增溶剂含量最大的水平是优水平。

绝缘电阻是表征绝缘体特征的基本参数之一。绝缘电阻太低，泄漏电流会很大，不但浪费电能还会引起发热而损坏绝缘体。就安全性能来讲，阻燃材料的基体树脂种类选择最关键。

2．2阻燃体系击穿场强的影响因素分析

2．2.1 阻燃体系的击穿场强平均值分析(见表5)

表5 击穿场强的正交试验分析

本文所制的复合材料属于不均匀电介质，它的击穿往往是从耐电强度低的地方发生。由正交分析结果可知，基料的种类是影响击穿强度的最重要因素，填料含量其次，增溶剂含量影响很小。VA含量增加会使EVA聚合物的链转移反应增多，从而导致分子量分布变宽[4]，聚合物的结构更加复杂，材料更加不均匀，击穿强度会下降。填料含量越少与有机介质混合也更均匀些，击穿强度也会相应的增大。

因增溶剂含量影响很小，故可忽略增溶剂的影响，考察相同填料含量时基料的影响，如图2所示。

图2 相同填料量不同基料下的击穿强度比较

由图2可知，无论填料含量多少，第二种基料的击穿强度都是最大的。这与正交分析得到A2为最优水平相吻合。同时也可看出填料为90份时，击穿强度比其它含量普遍要高，也就是B1为最优水平。

2．2．2 击穿场强的威尔布(weibull)分析

Weibull分布在1939年由瑞典物理学家威布尔提出，并将其应用于疲劳试验中。它反映了材料在一定的电场强度E下被击穿的概率或在一定的时间t失效的概率，绝缘材料在交流电压下的击穿场强满足Weibull分布的统计规律[5]。参数的表达式如下：

(1)

式中，EL为的Weibull分布的位置参数；E为试样击穿强度测量值，本文取其最小值；m为Weibull分布的形状参数；n为Weibull分布尺度参数。

经变换得到以下公式：

(2)

各试样的Weibull分布和参数值如图4和表6所示：

图3 1#～4#试样的Weibull分布

图4 5#～8#试样的Weibull分布

击穿数据分散性越小，形状参数m越大。形状参数的大小与材料的质量分布以及制备工艺有关。可以看出5#的形状参数是最大的。这可能是由于VA含量、填料含量和增溶剂含量在5#的配比下达到了一种优化，使得材料内部结构得到改善，结构更加均一。

η反映了63．2%的试样发生击穿时电场强度的大小。η越大，材料击穿越困难，绝缘性能越好。

图5 9#～12#试样的Weibull分布

图6 13#～16#试样的Weibull分布

试样Weibull参数mη/(kV/mm)试样Weibull参数mη/(kV/mm)1#3．1631．089#3．7028．882#2．0830．7910#2．6427．763#2．3029．1211#1．9826．684#1．3530．2612#1．3425．795#5．2431．6413#2．1028．586#2．9431．4714#2．3827．647#1．2931．5415#2．9526．168#3．2631．0516#1．7326．03

注：m为形状参数；η为尺度参数。

VA含量越大，尺度参数越小，绝缘性能越差。但是VA含量为19%的试样比VA含量为12%的试样尺度参数要大，这可能是因为VA含量太低时，EVA结晶度很高，与氢氧化镁的混合不是太好，影响了复合体系的均匀性。填料含量为最小的90份(1#、5#、9#和13#)时，其尺度参数是最大的，这也解释了填料含量越少其绝缘性能越好。

3 结论与展望

(1) 用正交试验设计找出影响复合阻燃材料介电性能的主要因素。结果表明，基料种类是影响材 料介电性能的最关键因素，填料含量的影响其次， 增溶剂含量的影响较小，但由于其对界面的改善作用而不可缺少。

(2) 得出了介电性能随因素变化的规律，即有机材料中的VA含量较小时，材料的介电性能较好；材料的绝缘性能随填料含量的增大而变坏；增溶剂对介电性能的影响较小，但随着增溶剂含量的增大，介电性能也得到改善。

(3) 为了满足阻燃电缆料其阻燃性能的要求，填料的量也不能太少，因此在此基础上可选择介电性能表现好的前两种基料，增加填料含量牺牲部分介电性能来满足其阻燃性能和力学性能的要求，从而有可能得到整体性能较好的结果。

[1] 尹 镝，刘 华. 低烟无卤阻燃电缆及其性能研究[J].东北电力技术，2008(9): 8-11.

[2] 袁桂素，张正根. EVA树脂性能及用途[J]. 粘结，1993，14(5)：17-23.

[3] 金维芳. 电介质物理学[M]. 西安：西安交通大学出版社，2006：107-111，148-162.

[4] 杨 钢，李启成，李雅明，等. 乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)的性能及应用[J]. 胶体与聚合物，2009，27(3):45-46.

[5] Pelissou S, Bencaand P, Gross L H. Electrical Properties of Metallocene Polyethylene[C]. 2004 Internet Conference on Solid Dielectric: Volume 1. Paris, 2004：466-469.

StudyontheDielectricPerformanceofEVA/VLDPE/Mg(OH)2Composite

QIN Shu-juan, et al

(Xi’an Jiaotong University, State Key Laboratory of Electrical Insulation for Electric Power Equipment, Xi’an 710049, China)

Four kinds of ethylene-vinyl acetate copolymers(EVA) with different contents of vinyl acetate(VA) were seleted as the base polymer, to which magnesium hydroxides and solubilizing agents with 4 different filling contents(or contents) were added. The effect of the three factors on the dielectric performance of the halogen-free flame-retardant composite EVA/VLDPE/Mg(OH)2was studied by the orthogonal design experiments. The results showed that VA content is the most critical influencing factor on the dielectric performance, that the effect of the filling content of magnesium hydroxide took second and that the content of solubilizing agent had the least influence. The change of the dielectric performance with the variation of these three factors was also discussed.

ethylene-vinyl acetate copolymer; magnesium hydroxide; orthogonal design experiment; dielectric performance

TM215.1

A

1672-6901(2010)03-0031-05

2009-11-10

秦书娟(1985-)，女，在读研究生.

作者地址：陕西西安市咸宁西路28号[710049].