高耐热老化的热塑性半导电屏蔽料的制备及性能研究

俞 杰, 谢 威, 陈 勇

(浙江万马高分子材料集团有限公司， 杭州 311305)

0 前言

电缆工作时，电流损耗产生的热量将会引起热塑性半导电屏蔽料的老化，缩短屏蔽层的使用寿命，对电缆后期带电运行产生安全隐患[1-5]。屏蔽层的老化性能是决定电力电缆使用寿命的主要因素之一,随着电力工业的迅猛发展,对屏蔽层老化性能的研究具有重要意义[6-8]。

随着社会的发展，对高压输电的需求越来越大，对半导电屏蔽料的需求也与日俱增。半导电屏蔽料的主要作用是均匀电缆绝缘层中的电场分布，

防止局部放电，提高电缆的电气强度，最终提高电缆使用寿命。半导电屏蔽料分为热塑性和热固性半导电屏蔽料。热固性半导电屏蔽料回收成本高、生产工艺能耗大，促进了热塑性半导电屏蔽料的开发；而目前对热塑性半导电屏蔽料的研究相对较少，其中由于热老化材料的断裂伸长率保持率较低，对长寿命的高压电缆安全运行造成安全隐患。因此，研究开发高耐热老化的热塑性半导电屏蔽料具有较大的市场价值。

笔者通过熔融共混法制备了一种高耐热老化的热塑性半导电屏蔽料，该屏蔽料的性能完全符合国家标准对热塑性半导电屏蔽料的要求，同时明显提高材料热老化性能保持率，对提升电缆使用寿命、增加电缆运行安全性起到一定的推动作用。

1 实验部分

1.1 实验原料

线性低密度聚乙烯，7042，中国石化集团有限公司；

助剂A，浙江万马高分子材料集团有限公司；

润滑剂B，浙江万马高分子材料集团有限公司；

硬脂酸锌，外购；

碳酸钙，外购；

助剂F，浙江万马高分子材料集团有限公司；

导电炭黑，外购；

热塑性半导电屏蔽料，PSD(导体用热塑性半导电屏蔽料)，浙江万马高分子材料集团有限公司。

1.2 主要仪器和设备

转矩流变仪,XSS-300型，上海科创橡塑机械设备有限公司；

平板硫化机,XQLB-350×350型，上海第一橡胶机械厂；

加热恒温鼓风干燥箱,DGG-9070型，上海森信试验仪器有限公司；

高特福熔融指数仪,MI-3型，德国Gottfert公司；

电子式拉力机,XLD-1000E型，广州市广材试验仪器有限公司；

电线电缆半导电橡塑电阻测试仪,DB-4型，上海培城电子技术发展有限公司；

电子天平,JA12002型，上海精科天平厂。

1.3 试样制备

样品制备的配方体系见表1,其中4#试样为在售PSD产品,作为对比样。

按照表1，将不同组分原料在温度为120～140 ℃的转矩流变仪中混炼20 min，供试验用。

将上述样品材料使用分析天平称重,然后放入0.1 mm的模板，严格控制压片工艺。压片温度为(180±5) ℃，压力为15 MPa，压制15 min后减压，取出模板，将模板置于冷压机上冷却10 min，最后打开模板取出制好的完整试片。

表1 配方体系 %

采用称重法制备试片，表面应平整、无气泡，厚度为(1.00±0.15) mm；再用哑铃形裁刀将试片冲压成哑铃形试样，试样规格符合GB/T 1040—2018《塑料 拉伸性能的测定》的规定。

1.4 性能测试与表征

熔融指数测定：按ASTM D1238—2013 《用挤压塑料计测量热塑性塑料熔体流动速率的试验方法》进行测试。

拉伸强度和断裂伸长率试验：按照GB/T 1040—2018进行测试，试样为Ⅱ型标准哑铃片，厚度为(1.0±0.1) mm，拉伸速度为(250±50) mm/min。

空气热老化试验：按照JB/T 10738—2007 《额定电压35 kV及以下挤包绝缘电缆用半导电屏蔽料》中第6.4节要求进行测试，在(100±2) ℃下240 h后，试样在(23±3) ℃、相对湿度为44%～45%的环境中待调节时间不少于17 h。

体积电阻率测定：测定20 ℃体积电阻率，试验按GB/T 3048.3—2007 《电缆线缆电性能试验方法》的规定,试样在(23±3) ℃、相对湿度为44%～45%的环境中调节时间不少于24 h；测定70 ℃工作电阻,按JB/T 10738—2007中的要求进行测试。

密度试验：按照GB/T 1033—2008 《塑料密度和相对密度试样方法》的规定进行测试。

2 结果与讨论

2.1 熔融指数对比

对4组试样进行熔融指数测定，结果见表2。由表2可以看出:4#试样的流动性能没有1#、2#及3#试样好。分析认为：采用新型助剂A，在增大熔融指数的同时，提高了复合材料的熔融指数，即加入适量的助剂A对试样的加工流动性能有所改善，使材料的加工性能得到改善，降低加工能耗，最终起到降低生产成本的目的。

表2 熔融指数对比

2.2 空气热老化数据对比

在熔融指数测定的基础上，对试样进行标准空气热老化测试分析，图1为试验制备的试样在100 ℃老化箱中热老化240 h后的拉伸强度保持率对比结果。

图1 空气热老化后拉伸强度保持率对比

由图1可以看出：拉伸强度保持率由小到大依次排序为2#、3#、4#、1#。2#试样及3#试样的拉伸强度保持率较1#试样和4#试样稳定，从配方优化结果来看加入助剂A对材料的空气热老化拉伸强度保持率稳定性有明显的提升效果。分析认为：由于助剂A是一种具有相对较少短支链，同时与低密度聚乙烯具有较好相容性的材料，因此它对复合材料的流动性具有一定的改善作用，最终提高了材料的整体加工性，由于其具有相对较高的规整度，在材料中可以起到异相成核的作用。因此助剂A在整体上提升了材料的拉伸强度，致使老化后物理交联点被打开，拉伸强度略微减小，整体上保障试样在热老化后拉伸强度保持率相对较高。

图2为空气热老化后断裂伸长率保持率对比。由图2可以看出：不加助剂A时，试样老化后的断裂伸长率保持率特别小，说明材料抗热老化性能非常差；随着助剂A的用量增加,试样的老化后断裂伸长率保持率呈明显上升趋势，说明2#试样及3#试样的抗热老化性能变好。

图2 空气热老化后断裂伸长率保持率对比

在强度不降低的前提下，保障拉伸断裂伸长率的增加，助剂A的加入有效地降低了热老化对材料的影响，使材料在长期高温老化条件下，使用寿命延长。

为了更加直观地对比材料的耐老化性能，通过引入老化性能保持率作为参考依据。3#试样老化后断裂伸长率保持率为102.32%，4#试样的热老化断裂伸长率保持率为84.4%，可以发现3#试样对比4#试样老化后断裂伸长率保持率提升在21.6%。

2.3 不同配方中的助剂A用量对屏蔽料综合性能的影响

在对比上述老化后断裂伸长保持率的基础上，为了产品能够商业化应用，进一步对产品的其他综合性能进行评估测试，所用数据典型值为JB/T 10738—2007标准要求值，测试数据结果见表3。

表3 4种试样的常规性能评测

由表3可以看出:新制备的2#、3#试样符合JB/T 10738—2007的相关要求，且在满足标准要求基础上，优于4#试样各项性能指标，并且2#试样测试数据与3#试样相当，与4#试样相比具有很大商业运用价值。

由表3还可以看出：1#试样不符合标准要求，3#试样综合性能最优，因此助剂A对材料的老化性能有明显的提升，最终制备出符合标准要求的高耐热老化的热塑性半导电屏蔽料。分析认为：加入助剂A后，可能是由于助剂A具有较好的规整度，在20 ℃时材料导电通道稳固，在同样的导电炭黑添加量下，体积电阻率会有一定的增大；当温度升高时，助剂A在同样的动能作用下，降低了材料的体积电阻正温度系数，从而致使材料的70 ℃体积电阻率上升得比较缓慢。

3 结语

(1) 通过配方改进，成功研制出高耐热老化的热塑性半导电屏蔽料，其性能完全符合JB/T 10738—2007的要求。

(2) 高耐热老化的热塑性半导电屏蔽料的老化后拉伸强度及断裂伸长率保持率稳定性均好于在售PSD产品，其中拉伸断裂伸长率保持率可提升21.6%。