具有聚烯烃接枝极性基团的电缆绝缘层材料的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种具有聚烯烃接枝极性基团的电缆绝缘层材料的制备方法，属于电气设备或电子设备绝缘技术领域。该方法是在聚烯烃材料的分子链上接枝具有极性基团的小分子，从而达到抑制直流电场作用下材料内部空间电荷积聚的问题。该材料以可回收的热塑性聚烯烃材料为基体，通过熔融接枝法在聚烯烃分子链上接枝极性基团，制备出一种可明显抑制空间电荷积聚的可回收绝缘材料。该绝缘层材料可应用于新型可回收直流电缆绝缘材料等场合。通过该方法制备的绝缘层材料不仅空间电荷性能优良，而且具有较高的直流击穿强度和体积电阻率，同时可以回收再利用，不会对环境造成破坏。
【专利说明】
具有聚烯烃接枝极性基团的电缆绝缘层材料的制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种具有聚烯烃接枝极性基团的电缆绝缘层材料的制备方法，属于电 气设备或电子设备绝缘技术领域。
【背景技术】
[0002] 直流电缆输电技术相对于其他输电方式具有很多优势，可以节省大量的土地资 源、无系统安全问题、无大范围连锁故障风险。同时随着分布式新能源发电的发展，直流输 电技术特别是直流电缆输电技术将被广泛采用。
[0003] 但是绝缘介质在直流电场作用下其内部会积聚大量的空间电荷从而影响绝缘材 料的性能和电气绝缘结构的设计。直流电场作用下空间电荷的积聚会对绝缘造成很多方面 的影响：（1)空间电荷积聚会造成绝缘介质内部局部场强的畸变，相关研究表明绝缘介质中 实际存在的最高电场强度会达到平均外加电场强度的8倍左右，因此空间电荷的积聚很容 易造成绝缘介质的击穿；（2)空间电荷积聚引起局部场强畸变会使得电气绝缘结构的设计 变得非常困难，特别是绝缘结构内部电场分布的仿真计算将会非常复杂；（3)空间电荷的存 在将加速绝缘介质中电树枝的发展和局部放电的产生，引起绝缘介质内部的初始击穿，同 时空间电荷的存在也会加速绝缘介质的老化过程，缩短其使用寿命；（4)空间电荷的积聚和 消散过程比较缓慢，在外加电场发生极性反转时很容易产生局部超高场强引起绝缘介质的 击穿。因此抑制绝缘材料内部的空间电荷积聚具有重要的理论价值和实践意义。
[0004] 目前最常用的绝缘材料空间电荷的抑制方法是在绝缘介质中引入无机纳米颗粒， 利用其纳米效应抑制空间电荷积聚。相关研究结果表明纳米氧化镁和纳米氧化铝颗粒可以 有效抑制绝缘介质中的空间电荷，抑制电树生长，提高击穿强度。但是引入纳米颗粒抑制空 间电荷的方法也存在一定的局限性，主要表现为纳米颗粒的团聚问题。纳米颗粒抑制空间 电荷的前提是纳米颗粒要在绝缘基体中具有良好的分散性和均匀性，由此也引出了一系列 纳米颗粒表面改性增加其与聚合物基体相容性的方法，但是表面改性的过程无疑增加了材 料的制备难度。一旦纳米颗粒在绝缘基体中形成较大的团聚颗粒之后，整个材料的电气性 能将会明显劣化，击穿强度和体积电阻率会明显下降。因此引入纳米颗粒抑制空间电荷积 聚的方法存在一定的不确定性，有必要开发新的抑制绝缘介质空间电荷积聚的方法。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提出一种具有聚烯烃接枝极性基团的电缆绝缘层材料的制备方 法，通过在聚烯烃分子链上接枝带有极性基团的小分子，从而改变材料内部电荷陷阱的能 级分布达到抑制空间电荷积聚、提尚电气性能。
[0006] 本发明提出的具有聚烯烃接枝极性基团的电缆绝缘层材料的制备方法，该方法包 括如下步骤：
[0007] (1)将热塑性聚烯烃、马来酸酐(接枝单体)和过氧化二异丙苯（引发剂）以如下重 量份数均匀混合：
[0008] 热塑性聚烯烃 100份
[0009] 马来酸酐 0.1~20份
[0010] 过氧化二异丙苯 0.01~5份
[0011] (2)将上述步骤（1)混合好的混合物加入密炼机中，在100~200°C下，转速为40~ 60r/min，混炼10~15分钟，熔融共混发生接枝反应，得到具有聚烯烃接枝极性基团的电缆 绝缘层材料。
[0012] 上述制备方法中，所述的热塑性聚烯烃为聚乙烯、聚丙烯或乙烯丙烯共聚物。
[0013] 本发明提出的具有聚烯烃接枝极性基团的电缆绝缘层材料的制备方法，其特点和 优点是:本方法在聚烯烃材料的分子链上通过熔融接枝具有极性基团的小分子，从而调控 材料内部的电荷陷讲能级和分布，解决了抑制直流电场作用下材料内部空间电荷积聚的问 题。通过该方法制备的绝缘材料具有抑制空间电荷积聚的能力，同时提高了材料的击穿强 度和体积电阻率，具有优良的电气性能。本方法在制备过程采用热塑性聚烯烃作为基体材 料，因此可以回收再利用，有利于保护环境。接枝极性基团之后的材料可以明显抑制空间电 荷积聚，提高材料的击穿强度和体积电阻率，具有很好的电气性能。本发明制备的材料，可 应于电子设备和电力设备的绝缘材料，特别是高压直流电缆绝缘材料。
【附图说明】
[0014] 图1是室温在-60kv/mm直流电场作用下绝缘层材料中空间电荷的分布图，其中（a) 为已有技术中纯聚丙烯的空间电荷分布图，（b)为按本发明方法实施例1制备的聚烯烃接枝 极性基团产物的空间电荷分布图。
【具体实施方式】
[0015] 本发明提出的具有聚烯烃接枝极性基团的电缆绝缘层材料的制备方法，包括如下 步骤：
[0016] (1)将热塑性聚烯烃、马来酸酐(接枝单体)和过氧化二异丙苯（引发剂）以如下重 量份数均匀混合：
[0017] 热塑性聚稀烃 1〇〇份
[0018] 马来酸酐 0.1~20份
[0019] 过氧化二异丙苯 0.01~5份
[0020] (2)将上述步骤（1)混合好的混合物加入密炼机中，在100~200°C下，转速为40~ 60r/min，混炼10~15分钟，熔融共混发生接枝反应，得到具有聚烯烃接枝极性基团的电缆 绝缘层材料。
[0021] 上述制备方法中的热塑性聚烯烃，可以为聚乙烯、聚丙烯或乙烯丙烯共聚物，所有 的原料都可以在普通化工商店买到。
[0022] 本方法采用熔融接枝法，在热塑性聚烯烃材料的分子链上接枝具有极性基团的小 分子，即马来酸酐，从而抑制直流电场作用下材料内部的空间电荷积聚问题。
[0023] 本发明将通过下面的具体实施例对技术方案进行更加详细的说明，但是本发明并 不局限于以下提出的实施案例。
[0024] 实施例1:
[0025] (1)将50克聚丙烯、1.5克马来酸酐、0.1克过氧化二异丙苯均匀混合；
[0026] (2)将步骤（1)混合好的混合加入密炼机中，在200°C下，转速为60r/min，混炼10分 钟，熔融共混发生接枝反应，得到具有聚烯烃接枝极性基团的电缆绝缘层材料。该具有聚烯 烃接枝极性基团的电缆绝缘层材料在常温下的直流击穿强度、20kV/mm下的体积电阻率、 50Hz下的相对介电常数、介电损耗如下表。
[0027]
[0028] 本发明上述实施例制备的聚烯烃接枝极性基团的电缆绝缘层材料，其直流击穿强 度相对于接枝之前的聚丙烯提高了近14%，达到了 453kV/mm。直流体积电阻率相对于接枝 之前也有明显提高。其相对介电常数和介质损耗角正切略有上升，但是并不影响其电气性 能。同时从图1(b)可以看出，聚烯烃接枝极性基团的电缆绝缘层材料中空间电荷积聚非常 少，表现出了良好的空间电荷抑制能力。综合来看，聚烯烃接枝极性基团的电缆绝缘层材料 表现出了优良的电气性能，是一种具有优良电气性能的可回收绝缘材料，可应用于包括直 流电缆、交流电缆绝缘在内的多种绝缘场合。
[0029] 实施例2:
[0030] (1)将50克聚丙烯、0.5克马来酸酐、0.005克过氧化二异丙苯均匀混合；
[0031] (2)将步骤（1)混合好的混合物加入密炼机中，在150 °C下，转速为40r/min，混炼12 分钟，熔融共混发生接枝反应，得到聚烯烃接枝极性基团的电缆绝缘层材料。
[0032] 实施例3:
[0033] (1)将50克聚丙烯、6克马来酸酐、1克过氧化二异丙苯均匀混合；
[0034] (2)将步骤（1)混合好的混合物加入密炼机中，在170 °C下，转速为50r/min，混炼15 分钟，熔融共混发生接枝反应，得到聚烯烃接枝极性基团的电缆绝缘层材料。
[0035] 实施例4:
[0036] (1)将50克聚丙烯、10克马来酸酐、2.5克过氧化二异丙苯均匀混合；
[0037] (2)将步骤（1)混合好的混合物加入密炼机中，在170°C下，转速为50r/min，混炼13 分钟，熔融共混发生接枝反应，得到聚烯烃接枝极性基团的电缆绝缘层材料。
[0038] 实施例5:
[0039] (1)将50克乙烯丙烯共聚物、2克马来酸酐、0.01克过氧化二异丙苯均匀混合；
[0040] (2)将步骤（1)混合好的混合物加入密炼机中，在150 °C下，转速为40r/min，混炼10 分钟，熔融共混发生接枝反应，得到聚烯烃接枝极性基团的电缆绝缘层材料。
[0041 ] 实施例6:
[0042] (1)将50克乙烯丙烯共聚物、4克马来酸酐、0.5克过氧化二异丙苯均匀混合；
[0043] (2)将步骤（1)混合好的混合物加入密炼机中，在170 °C下，转速为50r/min，混炼12 分钟，熔融共混发生接枝反应，得到聚烯烃接枝极性基团的电缆绝缘层材料。
[0044] 实施例7:
[0045] (1)将50克乙烯丙烯共聚物、8克马来酸酐、2克过氧化二异丙苯均匀混合；
[0046] (2)将步骤（1)混合好的混合物加入密炼机中，在130 °C下，转速为60r/min，混炼15 分钟，熔融共混发生接枝反应，得到聚烯烃接枝极性基团的电缆绝缘层材料。
[0047] 实施例8:
[0048] (1)将50克聚乙烯、1克马来酸酐、0.05克过氧化二异丙苯均匀混合；
[0049] (2)将步骤（1)混合好的混合物加入密炼机中，在130°C下，转速为50r/min，混炼12 分钟，熔融共混发生接枝反应，得到聚烯烃接枝极性基团的电缆绝缘层材料。
[0050] 实施例9:
[00511 (1)将50克聚乙烯、5克马来酸酐、1.5克过氧化二异丙苯均匀混合；
[0052] (2)将步骤（1)混合好的混合物加入密炼机中，在100°C下，转速为40r/min，混炼15 分钟，熔融共混发生接枝反应，得到聚烯烃接枝极性基团的电缆绝缘层材料。
[0053] 实施例10:
[0054] (1)将50克聚乙烯、10克马来酸酐、2.5克过氧化二异丙苯均匀混合；
[0055] (2)将步骤（1)混合好的混合物加入密炼机中，在140 °C下，转速为60r/min，混炼10 分钟，熔融共混发生接枝反应，得到聚烯烃接枝极性基团的电缆绝缘层材料。
[0056] 本发明说明书附图1给出了聚丙烯在接枝极性基团前后的空间电荷分布，测试采 用脉冲电声法在_60kV/mm的外加直流电场下进行。从图1(a)中可以看到，随着加电压时间 的增加，在阴极附近不断有同极性的负电荷注入，造成了严重的空间电荷积聚，这种空间电 荷积聚会严重影响材料的绝缘性能。如图1(b)所示，按本发明方法实施例1制备的聚烯烃接 枝极性基团产物的空间电荷分布图中可以看到，经过接枝极性基团后，聚丙烯中的空间电 荷积聚得到了明显抑制。随着加电压时间的增加，几乎没有明显的空间电荷注入，这将大幅 提高材料的直流击穿强度和绝缘寿命。
【主权项】
1. 一种具有聚烯烃接枝极性基团的电缆绝缘层材料的制备方法，其特征在于，该方法 包括如下步骤： (1) 将热塑性聚烯烃、马来酸酐和过氧化二异丙苯以如下重量份数均匀混合： 热塑性聚烯烃 100份 马来酸酐 0.1~20份 过氧化二异丙苯 0.01~5份 (2) 将上述步骤（1)混合好的混合物加入密炼机中，在100~200 °C下，转速为40~60r/ min，混炼10~15分钟，熔融共混发生接枝反应，得到具有聚烯烃接枝极性基团的电缆绝缘 层材料。2. 如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的热塑性聚烯烃为聚乙烯、聚丙烯 或乙烯丙烯共聚物。
【文档编号】C08F255/04GK105949394SQ201610346538
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月24日
【发明人】何金良, 周垚, 胡军, 曾嵘
【申请人】清华大学