6-220 kV高压电缆用非交联改性聚丙烯基石墨烯复合半导电屏蔽料及其制备方法

技术领域

本发明属于电缆屏蔽领域，尤其涉及6-220 kV高压电缆用非交联改性聚丙烯基石墨烯复合半导电屏蔽料及其制备方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展和对电力能源需求量的提高，高压电力电缆的使用量越来越大，并且不断向高压、超高压、大容量和环保方向发展。目前国产 35 kV及以下半导电屏蔽料已完全取代进口，而110-220 kV 超高压半导电屏蔽料基本依赖进口。国内现有的电力电缆用半导电屏蔽料全部采用以 EVA 或 PE 为基料，以炭黑为导电填料，并添加交联剂（DCP 或 TAIC 等）及其他助剂制成。因为EVA 或 PE 树脂耐温等级低，不能满足电力电缆运行要求，需添加交联剂使塑料交联变化为热固性来提高其耐温等级。但添加交联剂的缺点是：一方面在添加交联剂后其分子结构将变为网状结构，密集的网状结构会阻碍炭黑粒子间连接，减少导电网络的形成，导致复合材料体系的电导率降低，影响对电缆产品的电场均化效果；二是 EVA 或 PE 交联后就变为热固性材料，无法回收利用，不利于环保。

发明内容

本发明提供了6-220 kV高压电缆用非交联聚丙烯基石墨烯复合半导电屏蔽料及其制备方法，对聚丙烯树脂基料进行改性，而且解决了石墨烯不易分散的问题，制备得到的屏蔽料使用寿命长，性能更稳定。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

6-220 kV高压电缆用非交联改性聚丙烯基石墨烯复合半导电屏蔽料及其制备方法，包括以下质量分数组分：50%-60%氧化石墨烯/聚丙烯嵌段共聚物复合物、25%-30%导电炭黑、1%-8%石墨烯。

以上所述屏蔽料中，所述石墨烯由氧化石墨烯/聚丙烯嵌段共聚物复合物中的氧化石墨烯部分氧化得到，为石墨烯-氧化石墨烯/聚丙烯嵌段共聚物树脂复合物；所述导电炭黑为高结构导电炭黑；所述聚丙烯嵌段共聚物为聚丙烯主链上嵌段共聚2%-3%乙烯单体。

6-220 kV高压电缆用非交联改性聚丙烯基石墨烯复合半导电屏蔽料及其制备方法，包括以下步骤：

步骤1：在聚丙烯的主链上嵌段共聚2%-3%的乙烯单体，得到聚丙烯嵌段共聚物；

步骤2：将步骤1得到的聚丙烯嵌段共聚物加入有机溶剂中，再加入氧化石墨烯，在高速搅拌下得到氧化石墨烯/聚丙烯嵌段共聚物复合物溶液；

步骤3：在步骤2得到的氧化石墨烯/聚丙烯树脂溶液中加入少量还原剂，将氧化石墨烯部分还原得到石墨烯-氧化石墨烯/聚丙烯嵌段共聚物树脂；

步骤4：将导电炭黑和步骤3得到的石墨烯-氧化石墨烯/聚丙烯嵌段共聚物树脂180℃-185℃混炼5-10分钟，再加入抗氧化剂、铜抑制剂、硬脂酸锌继续混炼5-10分钟；

步骤5：将混炼后的混合体进行塑化、造粒得到复合半导电屏蔽料。

以上所述步骤中，步骤2中所述高速搅拌的速度为1000-1300转/分钟，所述氧化石墨烯与聚丙烯嵌段共聚物的质量比为1.5:1；步骤3中的还原剂为水合肼，所述水合肼与氧化石墨烯的摩尔比为0.02:1；步骤4中所述抗氧化剂质量分数为0.2%-5%、铜抑制剂0.2%-5%、硬脂酸锌0.5%-3%。

有益效果：本发明提供了6-220 kV高压电缆用非交联聚丙烯基复合半导电屏蔽料及其制备方法，使用的聚丙烯树脂机械性能优异、耐高温等级高，所述半导体屏蔽料在无需交联的条件下可以长期在120℃下工作，本发明采用氧化石墨烯和聚丙烯嵌段共聚物形成复合物，氧化石墨烯和聚丙烯嵌段共聚物能够产生共轭结构使分子能降低，增强了聚丙烯树脂的稳定性，使屏蔽料的使用寿命更长，在在聚丙烯的主链上嵌段共聚2%-3%的乙烯单体，提高了树脂的抗低温冲击性能，而且能改善聚丙烯树脂的物理机械性能；在通过部分还原氧化石墨烯得到石墨烯-氧化石墨烯/聚丙烯树脂复合物，石墨烯和导电炭黑共同作为导电介质，增强了屏蔽料的导电性和热稳定性，而且解决了石墨烯不易分散，容易团聚的问题，本发明对聚丙烯基材料进行改性，使其满足电缆电性能、热性能和机械性能的要求。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明：

实施例1

一种6-220 kV高压电缆用非交联改性聚丙烯基石墨烯复合半导电屏蔽料及其制备方法，包括以下质量分数组分：60%氧化石墨烯/聚丙烯嵌段树脂复合物、30%导电炭黑、7%石墨烯；所述石墨烯由氧化石墨烯/聚丙烯树脂复合物中的氧化石墨烯部分氧化得到，所述屏蔽料为石墨烯-氧化石墨烯/聚丙烯树脂复合物；所述导电炭黑为高结构导电炭黑，所述聚丙烯嵌段共聚物为聚丙烯主链上嵌段共聚2%-3%乙烯单体。

上述复合半导电屏蔽料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：采用AMOCO气相法、采用CD催化剂、双反应器串联聚合方式生产，先在第一反应器中温度为70℃，压力为2MPa生成丙烯聚合物，然后所生成的丙烯聚合物进入第二反应器中温度为60℃、压力为2MPa，并在第二反应器中加入乙烯，在聚丙烯的主链上嵌段共聚质量百分数为2%-3%的乙烯单体，得到聚丙烯嵌段共聚物；

步骤2：将步骤1制备的聚丙烯嵌段共聚物加入100ml有机溶剂中，再加入氧化石墨烯，进行1300转/分钟的高速搅拌得到氧化石墨烯/聚丙烯嵌段共聚物复合物溶液，其中氧化石墨烯与聚丙烯嵌段共聚物的质量比为1.5:1；

步骤3：在步骤2得到的氧化石墨烯/聚丙烯嵌段共聚物溶液中加入水合肼，所述水合肼与氧化石墨烯的摩尔比为0.02:1，在70℃下反应12h将氧化石墨烯部分还原得到石墨烯-氧化石墨烯/聚丙烯嵌段共聚物；

步骤4：将导电炭黑和步骤3得到的石墨烯-氧化石墨烯/聚丙烯嵌段共聚物树脂185℃混炼10分钟，再加入1%抗氧化剂、0.8%铜抑制剂、1.2%硬脂酸锌继续混炼5分钟；

步骤5：将混炼后的混合体进行塑化、造粒得到复合半导电屏蔽料。

实施例2

一种6-220 kV高压电缆用非交联改性聚丙烯基石墨烯复合半导电屏蔽料及其制备方法，包括以下质量分数组分：58%氧化石墨烯/聚丙烯嵌段树脂复合物、28%导电炭黑、4%石墨烯；所述石墨烯由氧化石墨烯/聚丙烯树脂复合物中的氧化石墨烯部分氧化得到，所述屏蔽料为石墨烯-氧化石墨烯/聚丙烯树脂复合物；所述导电炭黑为高结构导电炭黑，所述聚丙烯嵌段共聚物为聚丙烯主链上嵌段共聚2%-3%乙烯单体。

上述复合半导电屏蔽料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：采用AMOCO气相法、采用CD催化剂、双反应器串联聚合方式生产，先在第一反应器中温度为60℃，压力为3MPa生成丙烯聚合物，然后所生成的丙烯聚合物进入第二反应器中温度为60℃、压力为2MPa，并在第二反应器中加入乙烯，在聚丙烯的主链上嵌段共聚质量百分数为2%-3%的乙烯单体，得到聚丙烯嵌段共聚物；

步骤2：将步骤1制备的聚丙烯嵌段共聚物加入100ml有机溶剂中，再加入氧化石墨烯，进行1300转/分钟的高速搅拌得到氧化石墨烯/聚丙烯嵌段共聚物复合物溶液，其中氧化石墨烯与聚丙烯嵌段共聚物的质量比为1.5:1；

步骤3：在步骤2得到的氧化石墨烯/聚丙烯嵌段共聚物溶液中加入水合肼，所述水合肼与氧化石墨烯的摩尔比为0.02:1，在70℃下反应12h将氧化石墨烯部分还原得到石墨烯-氧化石墨烯/聚丙烯嵌段共聚物；

步骤4：将导电炭黑和步骤3得到的石墨烯-氧化石墨烯/聚丙烯嵌段共聚物树脂185℃混炼10分钟，再加入4%抗氧化剂、4%铜抑制剂、2%硬脂酸锌继续混炼5分钟；

步骤5：将混炼后的混合体进行塑化、造粒得到复合半导电屏蔽料。

实施例3

一种6-220 kV高压电缆用非交联改性聚丙烯基石墨烯复合半导电屏蔽料及其制备方法，包括以下质量分数组分：50%氧化石墨烯/聚丙烯嵌段树脂复合物、30%导电炭黑、8%石墨烯；所述石墨烯由氧化石墨烯/聚丙烯树脂复合物中的氧化石墨烯部分氧化得到，所述屏蔽料为石墨烯-氧化石墨烯/聚丙烯树脂复合物；所述导电炭黑为高结构导电炭黑，所述聚丙烯嵌段共聚物为聚丙烯主链上嵌段共聚2%-3%乙烯单体。

上述复合半导电屏蔽料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：采用AMOCO气相法、采用CD催化剂、双反应器串联聚合方式生产，先在第一反应器中温度为60℃，压力为3MPa生成丙烯聚合物，然后所生成的丙烯聚合物进入第二反应器中温度为60℃、压力为2MPa，并在第二反应器中加入乙烯，在聚丙烯的主链上嵌段共聚质量百分数为2%-3%的乙烯单体，得到聚丙烯嵌段共聚物；

步骤2：将步骤1制备的聚丙烯嵌段共聚物加入100ml有机溶剂中，再加入氧化石墨烯，进行1300转/分钟的高速搅拌得到氧化石墨烯/聚丙烯嵌段共聚物复合物溶液，其中氧化石墨烯与聚丙烯嵌段共聚物的质量比为1.5:1；

步骤3：在步骤2得到的氧化石墨烯/聚丙烯嵌段共聚物溶液中加入水合肼，所述水合肼与氧化石墨烯的摩尔比为0.02:1，在70℃下反应12h将氧化石墨烯部分还原得到石墨烯-氧化石墨烯/聚丙烯嵌段共聚物；

步骤4：将导电炭黑和步骤3得到的石墨烯-氧化石墨烯/聚丙烯嵌段共聚物树脂185℃混炼10分钟，再加入5%抗氧化剂、4%铜抑制剂、3%硬脂酸锌继续混炼5分钟；

步骤5：将混炼后的混合体进行塑化、造粒得到复合半导电屏蔽料。

对比例1

一种6-220 kV高压电缆用非交联改性聚丙烯基石墨烯复合半导电屏蔽料及其制备方法，包括以下质量分数组分：50%聚丙烯树脂、30%导电炭黑、8%石墨烯；其余条件与实施例3相同。

对上述实施例和对比例的屏蔽料进行性能测试，分别检测屏蔽料的拉伸强度、断裂伸长率、体积电阻率，老化实验在140℃下进行200小时，检测结果见表1。

表1屏蔽料性能测试结果

从表1中可以看出采用本发明的方法制备的屏蔽料的性能优于对比例的屏蔽料性能，采用本发明的方法增强了聚丙烯树脂的稳定性，使屏蔽料的使用寿命更长，而且能改善聚丙烯树脂的物理机械性能。

以上仅是本发明的优选实施例，熟悉本领域技术的人员显然可以容易的对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不经过创造性的劳动，因此本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。