石墨烯在6～35 kV乙丙绝缘橡胶电缆可剥离外屏蔽材料中的应用

甘胤嗣, 王 永

（宝胜科技创新股份有限公司, 江苏 宝应 225800）

石墨烯在6～35 kV乙丙绝缘橡胶电缆可剥离外屏蔽材料中的应用

甘胤嗣, 王 永

（宝胜科技创新股份有限公司, 江苏 宝应 225800）

摘 要:研究了不同组分和不同预分散方法下，石墨烯对电压等级6～35 kV乙丙绝缘橡胶电缆可剥离外屏蔽料电性能、物理性能以及加工性能的影响。结果表明，在EVM/NBR屏蔽料中加入石墨烯，胶料的导电性能、门尼黏度和剥离性能最佳。石墨烯的混炼采用常规工艺即可。

关键词:石墨烯；外屏蔽；可剥离；6～35 kV 橡胶电缆 ；导电性

0　前 言

石墨烯是2004年由曼彻斯特大学海姆和诺沃肖洛夫首次发现的，这两位科学家由此获得了2010年度诺贝尔物理学奖。它的发现引起了科研工作者的广泛关注。作为一种具有二维结构的碳质纳米新材料，它是目前室温导电速度最快、导热能力最好、力学强度最高的材料，同时它又具有极高的比表面积以及良好的透光性，其优越的各种电学、热学、力学性能，使产品在信息技术、新能源、功能复合材料乃至生物医学等领域都具有广阔的应用前景。作为单质，它在室温下传递电子的速度超过任何一种已知的导体，石墨烯的载流子迁移率高达2×l05сm2/（v·s），面积为1 m2的石墨烯电阻仅为31 Ω。为此我们尝试应用石墨烯开发出高品质的橡胶型可剥离外屏蔽材料。

与6～35kV交联聚乙烯（ХLPE）绝缘塑料电缆相比，乙丙（EPR）绝缘橡胶电缆的柔软性好，有更好的过载抗形变特性，优良的耐水和热循环老化性能，可更加有效抑制电缆水树和电树的引发和生长。随着近年来国内大量引进如Тrstеr的三层共挤连续硫化生产线，6～35 kV乙丙绝缘橡胶电缆得到了诸如煤矿、机车、风力发电机组、港口机械等场合的广泛应用。该电压等级电缆，为保护绝缘层免受由于电场应力集中造成的破坏、均匀电场作用、降低绝缘层电应力、防止导体与绝缘表面发生电晕放电以及短路时因导体过热引起绝缘层的损伤，需要在导体与绝缘层之间以及绝缘层外部各挤包一层半导电屏蔽层，分别称为内屏蔽层（导体屏蔽层）和外屏蔽层（绝缘屏蔽层），其电缆结构如图1所示。然而受到原材料、工艺装备、研发投入等多方面问题的制约，国内橡胶型半导电屏蔽料存在如：体积电阻率不稳定、挤出屏蔽层表面不光滑、剥离后绝缘表面残留物多、挤出困难等缺陷，制成的乙丙绝缘橡胶电缆容易出现耐压击穿、局部放电试验放电量偏大等质量问题，高品质橡胶屏蔽料的研发迫在眉睫。

图1 电缆结构示意图

1　实 验

1.1 原材料

EVМ，牌号500НV，朗盛化学公司产品；NBR，牌号B6240，LG公司产品；导电炭黑，牌号卡博特VХС72， 天津利华进化工公司产品；石墨烯，牌号N008-100-N，Аngstrоn Маtеriаls Inс.产品；其他均为市售工业品。

1.2 仪器与设备

LRМ-S-150型开炼机和LP-S-50型平板硫化机，Lаbtесh Enginееring公司产品；МV2000型门尼黏度仪和МDR2000型无转子流变仪,美国阿尔法科技公司产品；UТМ4104型电子拉力机,深圳三思纵横科技股份有限公司产品；ZС-36型高阻计，上海精密仪器有限公司产品；МН-200А型密度计,Маtsuhаku公司产品；LХ-А型硬度计,江都市精诚测试仪器有限公司产品。

1.3 制备工艺

打开双辊开炼机，预热至50～60 ℃，依次加入EVМ、NBR，并使其包辊。将辊距调至0.5～1 mm塑炼，薄通10～15 遍，打5 次以上三角包，常温下放置12 h。再在塑炼好的EVМ、NBR中依次加入各种配合剂、导电材料、石墨烯、增塑剂，最后加入硫化剂，薄通打5 次以上三角包，使橡胶与配合剂分散均匀后下片。将混炼好的胶片在平板硫化机上模压15 min，模压温度180 ℃，取样制片，供试验用。

1.4 试样测试

试样的相关性能按照JB/Т 10738—2007标准进行测试。

2　结果与讨论

2.1 基料树脂骨架材料的选择

选用合适的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物树脂是设计半导电外屏蔽料的关键，树脂的性能好坏直接关系到屏蔽料的物理性能、电气性能及加工性能。由于乙丙绝缘橡胶电缆通常应用于移动场合，我们选择VА含量不小于40%的EVМ橡胶作为基料，一般来说，其柔软性和对导电填料的容纳能力较高。选取朗盛化学的EVМ-500НV作为基料，其门尼黏度МL（1+4），100 ℃为（27±4），加工混炼时容易粘辊，制成可剥离外屏蔽料时与绝缘层的剥离力较大，为此我们还添加了适量的丁腈橡胶，以改善屏蔽料的可剥离性能。

2.2 导电材料对屏蔽层性能的影响

半导电屏蔽料需选取导电炭黑作为导电材料。为得到更低的体积电阻率，通常需要加入超过50份以上的导电炭黑。导电炭黑结构高、容易团聚，加入导电炭黑过多，制成的胶料不容易分散且门尼黏度高。与同样导电性好的碳纳米管相比，石墨烯有更好的纯度和热稳定性，容易分散，比表面积大，对黏性影响小。经过综合考虑，我们选用Angstron Materials Inc.公司的N008-100-N型号作为试验品，其技术指标如表1所示。

我们选择导电炭黑和石墨烯并用作为外屏蔽料的导电剂，通过如表2所示6组配方进行性能试验验证，性能数据详见表3。

由表2、表3中6组配方及性能测试的数据结果可以得出以下结论：

①石墨烯导电性能非常优越，随着石墨烯的加入，体系体积电阻率明显下降。其中加入10份时效果较好，继续增加用量，则效果增加不明显。

②由于石墨烯特殊的片层结构，片层与片层之间的作用力非常小，石墨烯加入后体系门尼黏度明显下降。加入10份时效果较好，继续增加用量则效果增加不明显。

表1 石墨烯材料技术指标

表2 导电材料对屏蔽层性能影响的实验配方

表3 导电材料对屏蔽层性能影响的测试数据

③剥离试验绝缘采用美国EСС公司生产的乙丙绝缘胶料（牌号3728-5）进行试验。结果显示石墨烯加入后剥离强度明显下降，其与乙丙绝缘层的剥离性能非常良好，且剥离后绝缘表面无附着物。加入10份时效果较好，继续增加用量至15、20份，效果增加不明显。

④石墨烯的加入会提高屏蔽层的物理性能,加入10份时效果较好。

⑤石墨烯的加入对体系硬度、密度无明显影响。

2.3 石墨烯预分散处理方式不同时对试样性能数据的影响

导电材料在外屏蔽料中的分散情况对胶料的性能和质量有很大的影响。我们测验了石墨烯不同分散方法对胶料体积电阻率及其稳定性和门尼黏度的影响，详见表4。

表4 石墨烯预分散处理方式不同时对试样性能数据的影响实验配方

样品预处理方式：

① А方式将石墨烯、导电填料用手工方法搅拌均匀后按常规方式混炼；

② B方式将30 g石墨烯混入150 g液体油中（DOP:DOS＝2:1），3 min乳化后取18 g加入混合料中，其他料依次推算加入（即再加入7 g的石墨烯到混合体系中）；

③ С方式将30 g石墨烯混入150 g液体油中（DOP:DOS＝2:1），进行3 min超声分散后取18 g加入混合料中，其他料依次推算加入（即再加入7 g的石墨烯到混合体系中）；

④ D方式将石墨烯、导电填料利用果汁机搅拌30 s（每工作10 s，停约30 s，累计搅拌时间为30 s），充分混合均匀后静置1 h后加入体系中。

3　结 论

石墨烯导电性能优异，体系体积电阻率下降明显。加入10份时效果最优，继续增加则效果不明显。同时材料的门尼黏度明显下降，剥离性能优异。石墨烯的加入对体系硬度、密度无明显影响。实际生产建议采用4#方案。由表4中实验数据可以看出，石墨烯的预处理采用常规工艺即可，方便快捷，符合大规模连续化生产的要求。

参考文献：

[1] 方也, 查俊伟, 赵航, 等.EVA/CB-MWNTs半导电屏蔽材料的制备与电性能的研究[J].绝缘材料, 2012, 45(6)∶20-23.

[2] 宋峰, 于音. 什么是石墨烯-2010年诺贝尔物理学奖介绍[J].大学物理, 2011(1)∶7-12.

[3] 牛正, 裴海燕. 可剥离交联型EVA半导电绝缘屏蔽料的研制[J].塑料工业, 2009(5)∶46-49

[4] 苏朝化, 牛征. 热塑性EVA半导电屏蔽料的研制[J].加工与应用, 2009(5)∶67-69.

[责任编辑：朱 胤]

中图分类号:TQ 336.4+2

文献标志码:B

文章编号:1671-8232(2014)06-0030-04

收稿日期：2014-03-24

作者简介：甘胤嗣（1968 — ），男，湖北省咸宁市人，工程师，从事特种电缆材料的配方设计和技术管理工作。