废旧绝缘子硅橡胶用于沥青改性的探讨

姜迪文，李新梅，梁振光，赵富强，姜雨泽

（1.国网济南市济阳区供电公司，山东 济南 251400；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；3.山东大学电气工程学院，山东 济南 250061）

0 引言

复合绝缘子具有加工成型工艺简单、成本低、质量轻、机械强度高、憎水性强、耐污闪性能好、无零值、免清扫等优势，有效解决了污秽地区输电线路外绝缘污闪问题，因此，得以广泛应用于各电压等级交直流输电线路，是最主要的外绝缘悬挂支具［1-5］。输电线路的电压等级越高，外绝缘要求越高，复合绝缘子的占比就越高。在特高压直流线路中复合绝缘子的占比超过85%［6］。复合绝缘子于1995 年左右开始大规模推广应用，当时挂网运行复合绝缘子约10 万支［4］，其后呈爆发性增长，2013 年底，挂网运行的复合绝缘子超过600 万支［1］。目前中等规模以上复合绝缘子厂家180 多家，几个大规模厂家年产量30 多万支［7］，预计整个行业年产量数百万乃至上千万支。

复合绝缘子伞裙护套是特殊合成的有机硅橡胶，运行中遭受到温度、污秽、潮湿、局部放电或高场强的联合作用，会出现不同程度的龟裂、粉化、憎水性降低、开裂等老化现象，严重威胁输变电设备的绝缘性能。试验研究和运行经验表明，在正常设计、制造、使用和维护下，复合绝缘子硅橡胶材料的使用寿命一般为15～20 年［1，8-9］。自2015 年开始有大批量复合绝缘子达到使用年限而退役，绝缘子退役数量逐年增多。同时，还有因配方设计缺陷、原材料材质不良、制造瑕疵、选用不合理、雷击、鸟害、污闪、重灰密环境条件等原因造成复合绝缘子非正常老化，提前失效而退出运行［1，4］。由于应用数量巨大，退役复合绝缘子的数量也非常庞大。

硅橡胶以硅氧键为主链，由于其结构的特殊性，决定了其具有耐高低温、耐高压电、耐臭氧老化、耐辐射性、耐候等优异的化学惰性，因此其应用领域广泛。也正是由于其应用的突出优点，决定了退役报废后的处理极为困难，绝缘子的不断累积堆置，占用大量的土地和空间资源，危及生态环境安全，退役复合绝缘子处置已成为亟待解决的问题。资源化利用对于环境保护和复合绝缘子行业健康持续发展有着重要的意义。然而，退役复合绝缘子的综合利用刚刚起步探索，尚未有明确、成熟的实用化处理办法。

1 复合绝缘子硅橡胶材料及组成

复合绝缘子所用硅橡胶材料为高温硫化硅橡胶，原料主要包括聚甲基乙烯基硅氧烷（简称甲基乙烯基硅橡胶、硅橡胶生胶）、补强填料、结构控制剂、着色剂、交联剂、硫化剂、改性添加剂等组分。补强填料为气相法二氧化硅（白炭黑）。结构化控制剂常用的有环硅氮烷、六甲基二硅氮烷、二苯基硅二醇、低摩尔质量的羟基硅油等。交联剂常用的有乙烯基聚硅氧烷、甲基含氢聚硅氧烷。着色剂为氧化铁红或色素碳黑。硫化剂常见的是：过氧化苯甲酰、2，4-二氯过氧化苯甲酰、过氧化苯甲酸叔丁基、过氧化二叔丁基、过氧化二异丙苯、2，5-二甲基-2，5-二叔丁基过氧化己烷等。改性添加剂为氢氧化铝，作用是增加绝缘子耐电痕化水平和垂直燃烧等级［10-13］。

伞裙硅橡胶各组分配比大体范围：甲基乙烯基硅橡胶100 份，补强填料白炭黑30～40 份，氢氧化铝90～120 份，硫化剂1.5～2.5 份，交联剂3～4 份，结构控制剂4～6 份［12-13］。由硅橡胶配比可见，硅橡胶中生胶、交联剂、结构控制剂等有机物成分约占40%，氢氧化铝、白炭黑、着色剂等无机物成分占60%左右。

复合绝缘子在运行过程中，无机组分不发生变化，绝缘子的老化实际上是伞裙中硅橡胶类有机组分的老化、裂解、流失。因此，退役复合绝缘子中有机物组分的含量减少到40%以下，无机物组分比例上升到60%以上。

2 绝缘子硅橡胶回收利用适宜处理方法

复合绝缘子所用硅橡胶材料是为满足输电线悬挂外绝缘保护特殊功能需求设计开发的，主材料甲基乙烯基硅橡胶与其他硅橡胶制品相同，区别在于为了实现外绝缘功能需求，添加剂的选用及其占比有所变化调整。

废绝缘子硅橡胶的回收利用可以借鉴其他行业废橡胶的回收处理方法，主要有两大类方法：一类是粉碎法，用作有机树脂、热塑性弹性体，建筑材料、化妆品、油墨、涂料、阻燃材料等的添加剂等；另一类是裂解法，将旧硅橡胶转化为可供再次配合加工硫化的胶料，或者将其解聚成环状硅氧烷中间体，乃至硅氧烷单体。裂解法虽然回收的产品价值高，但是，工艺复杂、成本高、能耗高。对于复合绝缘子废硅橡胶，消耗大量能源所能回收处理部分只总占处理量的40%以下，显然会大幅度增加回收成本，经济上不划算。因此，退役绝缘子的综合利用应优先考虑粉碎法加工制备硅橡胶粉体。

3 废旧绝缘子硅橡胶用于生产橡胶沥青的可行性分析

3.1 技术可行性

20 世纪60 年代美国工程师Chairles 率先生产废轮胎粉沥青混合料，80 年代开始试铺路面，到21 世纪初橡胶沥青已经在国外道路工程中广泛应用［14-15］。

橡胶沥青是橡胶粉在高温状态下与沥青发生充分溶胀反应而形成的复合胶结材料。大量应用表明，使用橡胶粉改性的沥青混凝土感温性较低，具有很好的抗车辙变形与抗低温龟裂能力，能增加路面寿命。并且路面平整、无接缝、行车舒适、振动小、噪音低、抗水损坏、耐磨、防湿滑，提高行车安全系数。而且施工期短、养护维修简便。不仅如此，废旧橡胶粉相对便宜，可大大降低道路建设成本［14，16］。据统计分析，橡胶沥青路面的寿命平均比普通沥青路面的寿命延长2～5 年或延长30%～80%［16］。橡胶沥青所具有的优良工程性质已经使其在世界各国道路工程上广泛应用［15］。

胶粉对沥青改性的机理在于：1）橡胶粉加入沥青中后受到沥青组分中芳香烃、饱和烃的作用发生熔胀和溶解，然后发生扩散或溶胀团粒分散，橡胶粉以微粒或丝状随机分布在沥青基体中。胶粉之间互相粘连，形成一定的网络结构，沥青由近似匀质体变成了两相连续结构共混体系；2）由于沥青中含有极性和非极性化合物，存在羟基、脂基等有机官能团，沥青与胶粉发生化学共混，发生化学反应［17-21］。反应初期，胶粉的溶胀作用占主导地位，胶粉形成疏松絮状结构，同时由于轻质油分被胶粉吸收，沥青黏度增大，两者逐步互溶。溶胀达到一定阶段后沥青中的轻质组分进入橡胶链空隙，使其脱硫与降解加速发展，橡胶粉部分溶解，分布更加均匀，也导致黏度较前期有所下降，最终胶粉通过凝胶膜连接，形成黏度很大的半固态连续相体系，显著提高了橡胶沥青的黏度。黏度增大导致集料裹覆的沥青膜厚度增加，因而沥青混合料抗氧化、抗温度变化和抗疲劳开裂的能力提高。

高温稳定性提高的原因在于橡胶沥青具有较高的高温黏度，且胶粉在高温下溶胀，增加了混合料的内摩擦角，所以高温抗裂性能得到提高；低温抗裂性能提升是由于橡胶沥青材料降低了混合料在低温时的劲度模量，提高了橡胶沥青混合料的极限抗拉强度；抗水损坏得到改善的原因在于橡胶沥青在集料表面形成了合适的油膜保护层，不易析漏和泛油，同时油膜的保护提高了道路抗水损坏的能力；与改善低温性能相似，由于橡胶沥青混合料的弹性模量下降，材料弯拉应力也随之下降，这样在动荷载的作用下，混合料动态响应能力提升，从而延长路面疲劳寿命［21］。

综上所述，橡胶粉对沥青改性的根本机制在于，胶粉在沥青中发生溶胀和溶解，发生扩散、分散，胶粉互相黏连形成网络结构，形成两相连续结构共混体系，提高了沥青的黏度，增加了混合料的内摩擦角。绝缘子伞裙胶粉加入沥青基质中后，也可发生上述反应，改善沥青性能。

申忠硕等人［22］开展了硅橡胶粉改性沥青制备及性能研究，向70 号、90 号基质沥青中掺入硅橡胶粉制备改性沥青。实验结果为：在180 目硅橡胶粉、20%掺量、180 ℃搅拌温度下，高低温性能最佳，具有适宜改性效果；70 号改性沥青软化点增长14.66%，90 号改性沥青软化点增长约12.84%，提高了改性沥青的高温性能；70 号改性沥青针入度减小14.99%，90 号改性沥青针入度减小33.68%，改性沥青更耐压。70 号改性沥青5 ℃延度增加33 mm，90 号改性沥青5 ℃延度增加51 mm，提高了改性沥青的低温性能。实验结果表明，硅橡胶用于沥青改性是可行的。

3.2 市场需求前景

20 世纪80 年代，我国开始研究如何将橡胶沥青应用于道路工程。21 世纪初开始组织推广橡胶沥青施工技术，2009 年开始河北、江西、陕西等多个省份颁布橡胶沥青公路施工技术规范［23-24］。交通部发布《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》《路用废胎胶粉橡胶沥青》等标准，橡胶沥青在我国公路建设中全面推广应用。

目前橡胶沥青均采用湿法工艺加工制作，胶粉加入量为基质沥青的15%～18.5%［15，25］，一般为18%。研究表明每公里橡胶沥青路面消耗的废旧轮胎可达4 000 条［14，26］。山东某公路其中一段6.129 km 长的路段用橡胶沥青进行维修，橡胶沥青层厚度4 cm，施工撒布量2.0 kg／m2［27］。按此推算双向4 车道（22 m）单层路面7.92 t／km 需要橡胶粉7.92 t，双向6 车道（30 m）单层需要橡胶粉10.8 t。可见，铺设公路对橡胶粉的需求量巨大。

目前橡胶沥青的胶粉均是废旧轮胎粉，2010 年我国的汽车保有量达到7 000 万辆，轮胎的废弃量超过2 亿条，废橡胶达到520 万t［28］。2016 年我国废旧轮胎产生量达到1.9 亿条，并以每年12% 的速度增长，预计到2020 年将达到2.2 亿条，相当于每年约600 万t 的橡胶粉［16］。如果道路工程仅4 cm 单层采用橡胶沥青修建，只够修建大约30 万～50 万km，如果是双层修建，大约15 万～25 万km。高速公路的沥青层厚度通常为15～22 cm，所以每年废旧轮胎能够满足修建沥青公路长度不足25 万km。

截至2019 年，我国公路总里程484.65 万km。根据JTG D50—2017《公路沥青路面设计规范》，高速公路、一级公路设计使用年限15 年，二级公路12 年，三级公路10 年，四级公路8 年。按照综合使用寿命12 年推算，每年维修或重建沥青公路里程数为40 万km，废旧轮胎根本不能满足公路建设需要。缺口约15 万km，相当于有5 000 多万条废旧轮胎缺口。而目前复合绝缘子年产能在数百万支至上千万支［7］，一支绝缘子的硅橡胶量没有轮胎多，所有退役复合绝缘子都用来做橡胶沥青也不够用。

综上所述，退役复合绝缘子硅橡伞裙用于生产橡胶技术上是可行的，又有巨大的市场需求可以消纳退役绝缘子以解决废弃造成的环境污染问题，应尽早全面开发退役复合绝缘子用于沥青改性的工程应用研究。

4 结语

在总结复合绝缘子应用及退役绝缘子亟待资源化利用状况的基础上，总结分析绝缘子材料组成及特点，鉴于复合绝缘子本身无机物占比超过60%，提出退役复合绝缘子优先采用制粉应用。制得胶粉用于生产橡胶沥青，硅胶粉在沥青中发生溶胀、扩散和分散，互相黏连形成网络结构，形成两相连续结构共混体系，提高沥青的黏度，可改善沥青路面的性能。

橡胶粉市场需求量巨大，常用废轮胎橡胶粉供应量不足，亟需废胶粉填补市场。在退役复合绝缘子无害化处理压力越来越大的今天，应该尽快开展复合绝缘子用于上述领域的具体技术开发工作，早日实现商业化应用。