一种高压直流电缆用绝缘材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于高分子化合物绝缘材料，尤其涉及一种高压直流电缆用绝缘材料及其制备方法，还涉及该高压直流电缆用绝缘材料在制备绝缘层中的聚丙烯基料等制品应用。

背景技术：

1、高压直流输电技术具有传输功率大、线路造价低、输电走廊窄以及运行损耗小等特点，更适用于大容量远距离输电、清洁能源并网、非同步系统互联等领域。目前高压直流电缆主流绝缘材料是交联聚乙烯(cross-linked polyethylene，xlpe)，相比于此，聚丙烯(polypropylene，pp)具有生产过程无需交联与脱气、运行状态下耐受温度高，退役后可回收再利用等优势，其用于电缆绝缘制品是发展趋势之一。

2、电缆绝缘料的击穿特性是评价其电学性能的关键指标。提升高压直流电缆用聚丙烯绝缘的击穿场强是改性的最终落脚点，对于保证高压直流电缆输电系统的安全稳定运行具有重要意义。

3、聚丙烯中的电荷在外施电场和热场的作用下获得能量，若电荷所具有的能量低于电介质中局域态势垒高度，则电荷被俘获形成空间电荷，空间电荷的积聚将导致电场分布严重畸变，当局部场强大于电介质能够承受的最大场强时，即发生击穿。因此，可以通过抑制链式反应与低密度区形成过程提高pp绝缘材料的击穿性能。其中，pp绝缘材料内部的局部放电会释放携带较高能量的热电子或光量子，这是引发链式反应形成自由基的主要原因。因此，添加电压稳定剂、抗氧剂等这一类具备自由基清除作用的有机小分子物质，是改性聚合物绝缘空间电荷积聚与击穿问题的有效途径，有待进一步深入研究应用。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种高压直流电缆用绝缘材料及其制备方法和应用，本发明提供的聚丙烯绝缘材料具有较好的热稳定性能与击穿性能，利于应用于高压直流电缆制备中。

2、本发明提供一种高压直流电缆用绝缘材料，所述高压直流电缆用绝缘材料是通过抗氧剂改性的聚丙烯材料，所述抗氧剂为4,4'-硫代双(6-叔丁基邻甲酚)，主要呈独立分子态均匀分布在聚丙烯材料基体中。

3、进一步地，所述抗氧剂的含量为0.1wt％～0.5wt％。

4、与现有技术相比，本发明创新性筛选4,4'-硫代双(6-叔丁基邻甲酚)作为改善聚丙烯绝缘材料性能的抗氧化添加剂，其主要呈独立分子态均匀分布在聚丙烯材料基体中。本发明方案涉及的主要反应机理及其有益效果包括：4,4'-硫代双(6-叔丁基邻甲酚)的分子结构中含有苯环、酚羟基与硫醚基等，由于苯环具有较高的电子亲和能，芳香族基团可捕获聚合物中高能电子，并将其能量削减至低于聚合物分子链冲击电离所需能量的水平；同时，芳香族基团的阳离子自由基可再次捕获高能电子，实现有机小分子的可再生利用。此外，当聚合物分子链发生电离时，芳香族基团可实现电子转移，修复受损的分子链，从而阻止自由基链式反应。此外，酚羟基的供质子能力比聚烯烃更强，当外界条件使聚丙烯发生链式反应时，酚羟基可实现质子转移过程，捕获自由基，进而抑制聚丙烯自由基链式反应。进一步，硫醚基能够与链式反应产生的氢过氧化物反应，从而抑制聚丙烯自由基链式反应。

5、因此，本发明能实现对聚丙烯绝缘材料内部高能电子的束缚与对受损分子链的修复，降低高能电子对聚合物分子链的破坏，并阻断自由基链式反应形成低密度区的过程，从而提升聚丙烯绝缘材料的热稳定性能与击穿性能，利于应用。

6、本发明提供前文所述的高压直流电缆用绝缘材料的制备方法，包括：

7、将原料聚丙烯与抗氧剂在密炼机或挤出机中熔融共混，经出料得到高压直流电缆用绝缘材料。

8、进一步地，所述高压直流电缆用绝缘材料的制备方法具体包括以下步骤：

9、s1、向密炼机或挤出机中添加原料聚丙烯，使原料聚丙烯熔融；

10、s2、向所述熔融的聚丙烯中加入抗氧剂共混，经出料得到高压直流电缆用绝缘材料。

11、进一步地，步骤s1中，所述原料聚丙烯为等规聚丙烯；所述熔融过程温度范围是180～200℃，熔融过程时间在10min以上。

12、进一步地，步骤s2中，所述共混过程温度范围是180～200℃，共混过程时间在10min以上，所述抗氧剂用量范围为0.1wt％～0.5wt％。

13、进一步地，所述熔融共混后，经挤出得到聚丙烯制备基料；

14、利用立塔式或悬链式高压电缆生产线，将得到的聚丙烯制备基料从倒料口装载，采用三层共挤工艺法挤出，得到含聚丙烯材料层的高压直流电缆用绝缘制品。

15、进一步地，所述三层共挤工艺法的挤出温度是193～197℃，挤出速度为1.0～2.0m/min。

16、本发明提供一种高压直流电缆用绝缘制品，包括依次复合的内半导电层、绝缘层和外半导电层，其中所述绝缘层为前文所述的高压直流电缆用绝缘材料。

17、与现有技术相比，本发明为解决上述技术问题提出的技术方案二是：上述技术方案一中一种高压直流电缆用绝缘材料的制备基料是聚丙烯制备基料，例如采用等规聚丙烯(isotactic polypropylene，ipp)。这样，有了这种基料就可以进一步生产出上述技术方案的高压直流电缆用绝缘制品。本发明为解决上述技术问题提出的技术方案三是：上述技术方案一中一种高压直流电缆用绝缘材料的制备方法。

18、本发明实施例该绝缘材料的制备方法是熔融原料聚丙烯；然后额外添加抗氧剂4,4'-硫代双(6-叔丁基邻甲酚)，充分共混完成后，可挤出得到聚丙烯制备基料，聚丙烯基体中均匀分布有呈独立分子态的抗氧剂小分子；再利用现有高压直流电缆生产线，将得到的聚丙烯制备基料采用三层共挤工艺法挤出，从而得到高压电缆用绝缘材料制品。本发明意外的研究得到，基于该高压直流电缆绝缘材料内部的特定抗氧剂，能够实现对高能电子的束缚与对自由基链式反应的有效抑制，从而显著提高聚丙烯绝缘层材料的热稳定性能与击穿性能，对于保证高压直流电缆输电系统的安全稳定运行具有重要意义。

技术特征：

1.一种高压直流电缆用绝缘材料，其特征在于，所述高压直流电缆用绝缘材料是通过抗氧剂改性的聚丙烯材料，所述抗氧剂为4,4'-硫代双(6-叔丁基邻甲酚)，主要呈独立分子态均匀分布在聚丙烯材料基体中。

2.根据权利要求1所述的高压直流电缆用绝缘材料，其特征在于，所述抗氧剂的含量为0.1wt％～0.5wt％。

3.根据权利要求1或2所述的高压直流电缆用绝缘材料的制备方法，其特征在于，包括：

4.根据权利要求3所述的高压直流电缆用绝缘材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的高压直流电缆用绝缘材料的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述原料聚丙烯为等规聚丙烯；所述熔融过程温度范围是180～200℃，熔融过程时间在10min以上。

6.根据权利要求4所述的高压直流电缆用绝缘材料的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述共混过程温度范围是180～200℃，共混过程时间在10min以上，所述抗氧剂用量范围为0.1wt％～0.5wt％。

7.根据权利要求3所述的高压直流电缆用绝缘材料的制备方法，其特征在于，所述熔融共混后，经挤出得到聚丙烯制备基料；

8.根据权利要求7所述的高压直流电缆用绝缘材料的制备方法，其特征在于，所述三层共挤工艺法的挤出温度是193～197℃，挤出速度为1.0～2.0m/min。

9.一种高压直流电缆用绝缘制品，包括依次复合的内半导电层、绝缘层和外半导电层，其特征在于，所述绝缘层为权利要求1或2所述的高压直流电缆用绝缘材料。

技术总结
本发明涉及一种高压直流电缆用绝缘材料，同时涉及该材料的制备方法和制备基料，属于电缆绝缘材料技术领域。该材料包括通过抗氧剂改性的聚丙烯层；所述聚丙烯层中物理性均匀分布有呈独立分子态的抗氧剂小分子。该材料制备方法是熔融聚丙烯；再额外添加抗氧剂，充分共混完成后经挤出得到制备基料；利用现有高压直流电缆生产线，将得到的制备基料采用三层共挤工艺法挤出，得高压电缆用绝缘材料。该高压直流电缆绝缘材料内部的抗氧剂能够实现对高能电子的束缚与对自由基链式反应的抑制，从而提高聚丙烯绝缘材料的热稳定性能与击穿性能，利于应用。

技术研发人员：赵旭阳,吴芳芳,柯定芳,刘浩,李忠磊,杜伯学,林雪
受保护的技术使用者：浙江华电器材检测研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15