溫慧慧，張 進(jìn)

（1.重慶文理學(xué)院，重慶市 402160；2.國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院，重慶市 401123）

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變頻電機(jī)電線電纜用熱塑性樹脂的研究進(jìn)展

溫慧慧1，張 進(jìn)2

（1.重慶文理學(xué)院，重慶市 402160；2.國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院，重慶市 401123）

摘 要：綜述了變頻電機(jī)電線電纜用熱塑性樹脂的研究進(jìn)展。用高密度聚乙烯制備的電纜料的加工性能好、流動(dòng)性能好，滿足在高速擠出生產(chǎn)線上生產(chǎn)絕緣料對(duì)技術(shù)、產(chǎn)品加工性能的特殊要求。由于環(huán)保要求提高，聚氯乙烯（PVC）材料造成的環(huán)境問題使我國PVC電纜料的發(fā)展呈下降趨勢(shì)；但用PVC制備的電纜價(jià)格低廉、阻燃性好、電絕緣性好，所以短期內(nèi)無法完全禁止PVC的使用。聚丙烯具有良好的耐高溫性能且易于加工，環(huán)境濕度、溫度的變化不會(huì)影響聚丙烯的電性能，因此，聚丙烯是電纜料中不可或缺的重要組成部分。未來還需開發(fā)符合歐盟標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)保PVC電纜料及其他高端電纜料。

關(guān)鍵詞：電纜料 聚乙烯 聚丙烯 聚氯乙烯 變頻電機(jī)

1 變頻電機(jī)用聚乙烯電纜料

1.1 聚乙烯高速擠出電纜料

任峰等［1］研究了中國石油天然氣股份有限公司（簡(jiǎn)稱中國石油）蘭州石化分公司生產(chǎn)的電纜絕緣專用高密度聚乙烯（HDPE）L4200的結(jié)構(gòu)與性能，并與國內(nèi)同類樹脂進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明： L4200的流動(dòng)性較好，易于加工；?？跀D出膨脹較小，相對(duì)分子質(zhì)量分布更寬。加工應(yīng)用表明，L4200可用于電纜的生產(chǎn)。中國石化揚(yáng)子石油化工有限公司通過對(duì)HDPE裝置的生產(chǎn)工藝進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，生產(chǎn)了相對(duì)分子質(zhì)量分布呈雙峰（簡(jiǎn)稱雙峰）的聚合級(jí)HDPE，加入專用助劑進(jìn)行造粒，即可制備加工性能好、綜合性能強(qiáng)、流動(dòng)性顯著提高的電纜絕緣專用HDPE 5310E［2］。中國石油化工股份有限公司齊魯分公司開發(fā)了絕緣電纜專用HDPE QHJ01［3-4］。QHJ01使用改性W鉻系催化劑，生產(chǎn)QHJ01的工藝條件為：反應(yīng)壓力2.0 MPa，反應(yīng)溫度90～100 ℃，氫氣與乙烯摩爾比0.01～0.10，共聚單體與乙烯摩爾比0.01～0.07，相對(duì)分子質(zhì)量調(diào)節(jié)劑與乙烯摩爾比（0～20）×10-6。該產(chǎn)品可替代美國UCC公司生產(chǎn)的HDPE DGDK3364高速擠出電纜絕緣料。中國石油大慶石化分公司開發(fā)了電纜絕緣基礎(chǔ)樹脂HDPE 5300E［5］，采用串聯(lián)方式生產(chǎn)。第一聚合反應(yīng)器中生產(chǎn)高熔體流動(dòng)速率（MFR）的聚乙烯漿液，聚乙烯漿液經(jīng)閃蒸脫除未反應(yīng)的氫氣和乙烯，進(jìn)入第二聚合反應(yīng)器中繼續(xù)反應(yīng)；控制第二聚合反應(yīng)器中乙烯進(jìn)料比及產(chǎn)物的相對(duì)分子質(zhì)量，使第二聚合反應(yīng)器中聚乙烯的MFR較第一聚合反應(yīng)器中的低，即可生產(chǎn)雙峰HDPE 5300E。該樹脂可以滿足在高速擠出生產(chǎn)線上生產(chǎn)絕緣料對(duì)技術(shù)、產(chǎn)品加工性能的特殊要求。

1.2 交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜絕緣料

最常用的電纜絕緣層交聯(lián)材料是XLPE。交聯(lián)工藝主要有過氧化物化學(xué)交聯(lián)、輻照交聯(lián)、硅烷交聯(lián)等，其過程是將線型分子結(jié)構(gòu)的聚乙烯通過特定的加工方式，使其形成體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。生產(chǎn)過程中應(yīng)注意絕緣中的熱應(yīng)力對(duì)電纜使用壽命和質(zhì)量的影響［6］。

1.2.1 過氧化物化學(xué)交聯(lián)法

過氧化物交聯(lián)法是聚乙烯分子在過氧化物存在條件下高溫分解發(fā)生一系列自由基聚合，產(chǎn)生交聯(lián)。常用的交聯(lián)劑有過氧化二異丙苯（DCP）和過氧化苯甲酰等。DCP的分解速率可控，生成的副產(chǎn)物少，廣泛應(yīng)用于改性聚乙烯，具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

楊永柱等［7］選用國產(chǎn)低密度聚乙烯（LDPE）作為基礎(chǔ)樹脂制備XLPE。國產(chǎn)LDPE的技術(shù)指標(biāo)典型值是：密度0.921 g/cm3、熔點(diǎn)108 ℃、拉伸屈服應(yīng)力10 MPa、MFR 2.30 g/10 min、介電常數(shù)2.21、斷裂拉伸應(yīng)變500％。將LDPE，DCP，抗氧劑300按質(zhì)量比為100.0∶2.0∶0.5混合。先將LDPE與抗氧劑300按配比在160 ℃下用雙螺桿擠出機(jī)共混，轉(zhuǎn)速33 r/min；將所得共混物干燥后與交聯(lián)劑DCP按配比用雙螺桿擠出機(jī)共混，共混溫度115℃，轉(zhuǎn)速20 r/min；再經(jīng)后處理，所制XLPE的綜合性能與國外進(jìn)口110 kV的電纜料相近。劉善秋［8］使用中國石化上海石油化工股份有限公司生產(chǎn)的密度為0.94 g/cm3，MFR為10.79 g/10 min的LDPE Q281為基體樹脂，DCP為交聯(lián)劑，生產(chǎn)了XLPE并研究了其性能。結(jié)果表明：DCP含量不同，XLPE的交聯(lián)密度與交聯(lián)度不同；交聯(lián)反應(yīng)的活化能基本不受DCP用量的影響，反應(yīng)趨于一級(jí)反應(yīng)；DCP用量增加，XLPE的拉伸強(qiáng)度、凝膠含量和交聯(lián)密度增大，而結(jié)晶度、斷裂伸長(zhǎng)率、結(jié)晶溫度以及熔融溫度卻隨DCP用量的增加而降低；XLPE的交聯(lián)度達(dá)到最大值時(shí)，w（DCP）為2.0％。

1.2.2 輻照交聯(lián)法

高能電子束輻照聚合物時(shí)，首先破壞聚合物的化學(xué)鍵，然后形成新分子鏈結(jié)構(gòu)的聚合物。對(duì)于聚乙烯，輻照交聯(lián)法是通過高能射線打斷聚乙烯中碳?xì)滏I和碳碳鍵，產(chǎn)生自由基引發(fā)交聯(lián)，生成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。輻照交聯(lián)過程中不使用交聯(lián)劑，交聯(lián)反應(yīng)可在室溫條件下進(jìn)行。因此，可在制品成型后進(jìn)行交聯(lián)，交聯(lián)制品外形以及交聯(lián)前后晶體結(jié)構(gòu)基本不發(fā)生變化。用于輻照交聯(lián)的高能輻射源主要有高能電子束、X射線、γ射線及中子射線等，生產(chǎn)設(shè)備昂貴，操作和維護(hù)技術(shù)較復(fù)雜。為使XLPE內(nèi)部形成足夠的交聯(lián)度，不同牌號(hào)的聚乙烯都應(yīng)有最佳輻照劑量，還需保證輻照后聚乙烯的力學(xué)性能變動(dòng)不大［9］。陳仁慈等［10］以上海金山石化股份有限公司生產(chǎn)的LDPE 2F2A和中國石油大慶石化分公司生產(chǎn)的LDPE 19E為原料制備XLPE，輻照劑量為80～300 kGy。結(jié)果表明：XLPE的凝膠含量隨輻照劑量增加而增大，但不具有線性關(guān)系；凝膠含量在輻照劑量達(dá)到一定程度時(shí)趨于平緩；交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5％～1.5％時(shí)，輻照劑量減少近1/2而凝膠含量保持恒定；抗氧劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2％～0.6％時(shí)，對(duì)輻照劑量和凝膠含量影響不大；聚乙烯經(jīng)過電子束輻照交聯(lián)后，體積電阻率略有下降，而介質(zhì)強(qiáng)度有微弱增大。

1.2.3 硅烷交聯(lián)法

硅烷交聯(lián)法是將硅烷先接枝到聚乙稀分子主鏈上，再在溫水和催化劑的作用下，引發(fā)硅氧烷鍵交聯(lián)而得到XLPE的一種方法。硅烷交聯(lián)工藝分為一步法和二步法。采用硅烷自然交聯(lián)法可使聚乙烯在自然條件下完成交聯(lián)，提供了比溫水交聯(lián)更簡(jiǎn)便可行的交聯(lián)方式。

祁建強(qiáng)等［11］將40.00 phr乙烯-α-烯烴共聚物、1.20 phr不飽和硅烷、0.08 phr接枝引發(fā)劑在高速混合機(jī)中混合后加入雙螺桿混煉擠出機(jī)中造粒，干燥后得到硅烷接枝聚烯烴彈性體；再將20.00 phr LDPE，0.60 phr不飽和硅烷，0.04 phr接枝引發(fā)劑經(jīng)攪拌，擠出，干燥后得到硅烷接枝的線型低密度聚乙烯（LLDPE）；將140.00 phr阻燃劑放在高速混合機(jī)中，高速混合機(jī)內(nèi)溫度不低于80 ℃；將41.28 phr硅烷接枝聚烯烴彈性體、20.64 phr硅烷接枝的LLDPE、10.00 phr功能化聚烯烴樹脂、20.00 phr乙烯–乙酸乙烯共聚物（EVA）、1.50 phr抗氧劑、4.00 phr加工助劑在高速混合機(jī)中混合3～5 min；混合后的物料經(jīng)擠出，干燥，得到在室溫條件下可交聯(lián)的低煙無鹵阻燃硅烷交聯(lián)電纜料。

1.3 阻燃聚乙烯電纜料

易燃的高分子電纜料在傳輸電能過程中常因自身發(fā)熱或外部火災(zāi)而引起燃燒。用于電纜料的無鹵阻燃體系添加的阻燃劑主要有金屬水合物、膨脹型阻燃劑、無機(jī)磷系阻燃劑等。金屬水合物受熱分解時(shí)會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶水，水蒸氣可以隔絕空氣，稀釋可燃?xì)怏w濃度，而且生成的耐熱金屬氧化物能催化聚合物發(fā)生熱氧交聯(lián)，在聚合物表面形成一層炭化膜，使用較多的有Al（OH）3，Mg（OH）2。膨脹型阻燃劑是以磷、氮為主要組分的阻燃劑，受熱時(shí)，表面能形成一層致密的泡沫炭層，可以抑煙、隔氧、隔熱，并且還能防止熔融滴落。傳統(tǒng)的膨脹型阻燃劑由聚磷酸銨（APP）、多元醇及三聚氰胺復(fù)合而成。無機(jī)磷系阻燃劑包括APP、磷酸、紅磷等。在阻燃劑使用的同時(shí)還需加入?yún)f(xié)效阻燃劑，通常是硼化物、金屬氧化物、有機(jī)硅化物［12］。

柳先友等［13］以Al（OH）3為主阻燃劑，聚硅氧烷為協(xié)效阻燃劑，LDPE為基體樹脂，配合適當(dāng)比例的EVA和乙烯-丙烯酸乙酯共聚物，采用多組分協(xié)效阻燃體系制備了綜合性能優(yōu)良的無鹵阻燃電纜料。丁艷［14］以LLDPE和 EVA為基體樹脂、Al（OH）3為阻燃劑、白炭黑為協(xié)效阻燃劑、馬來酸酐接枝LLDPE為相容劑制備了低煙無鹵阻燃LLDPE/EVA護(hù)套料。結(jié)果表明：白炭黑可以提高共混物的極限氧指數(shù)，是因?yàn)樗茉诠不煳锉砻嫘纬刹ＡB(tài)無機(jī)炭化層，當(dāng)白炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Al（OH）3的10％時(shí)，LLDPE/EVA共混物的極限氧指數(shù)為33.3％；當(dāng)m（LLDPE）∶m（EVA）為20∶80時(shí)，共混物的拉伸強(qiáng)度為11.4 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為300％。王永常等［15］以HDPE/EVA共混物為基體樹脂、Mg（OH）2為阻燃劑并添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％～8％的微膠囊化紅磷作輔助阻燃劑，采用電子束輻照交聯(lián)工藝制備的電纜料極限氧指數(shù)達(dá)到32.0％以上，主要性能指標(biāo)達(dá)到耐125 ℃輻照交聯(lián)無鹵低煙阻燃聚烯烴絕緣料國家標(biāo)準(zhǔn)和歐盟標(biāo)準(zhǔn)的要求。石磊等［16］采用LDPE/EVA共混物為基體樹脂，主阻燃劑使用Mg（OH）2，研究了添加乙烯-1-辛烯共聚物和有機(jī)蒙脫土（OMMT）對(duì)電纜料力學(xué)性能和阻燃性能的影響，并利用γ射線輻照交聯(lián)技術(shù)，探討了輻照劑量對(duì)共混物力學(xué)性能和阻燃性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)輻照劑量為90～100 kGy時(shí)，m（LDPE）∶m（EVA）∶m［Mg（OH）2］∶m（OMMT）為50∶50∶60∶4的共混物的極限氧指數(shù)超過32.0％，拉伸強(qiáng)度為11.0 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率超過900％。

2 變頻電機(jī)用聚氯乙烯（PVC）類電線電纜料

PVC電線電纜一般適用于交流450/750 V及以下動(dòng)力裝置的固定敷設(shè)。由于環(huán)保要求提高，PVC材料造成的環(huán)境問題使我國PVC電線電纜料的發(fā)展逐漸呈下降趨勢(shì)；但用PVC制備的電線電纜價(jià)格低廉，阻燃性好，電絕緣性好，耐油、耐化學(xué)試劑等，且制備工藝簡(jiǎn)單，所以短期內(nèi)無法完全禁止PVC的使用。

PVC電線電纜料是由PVC、穩(wěn)定劑、增塑劑、填充劑、潤滑劑、抗氧劑、著色劑等制備。按比例將這些原料在高速攪拌下混合，再冷混并用螺桿擠出機(jī)造粒，產(chǎn)品經(jīng)過后處理得到PVC電線電纜料［17］。PVC電線電纜料的質(zhì)量問題通常表現(xiàn)在產(chǎn)品內(nèi)部有氣泡、塑化缺陷及外來雜質(zhì)，電線電纜在最薄點(diǎn)被擊穿等。為保證PVC電線電纜的綜合性能，在原料選擇上，應(yīng)首先考慮PVC的相對(duì)分子質(zhì)量，還要注意控制原料中雜質(zhì)數(shù)量及水分含量等。如70 ℃絕緣級(jí)電纜料推薦選擇水分及揮發(fā)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.5％，并且100 g樹脂中黑黃點(diǎn)總數(shù)不大于30個(gè)的PVC。增塑劑用量對(duì)PVC電線電纜料的電性能和力學(xué)強(qiáng)度有顯著影響。使用主增塑劑（如鄰苯二甲酸二辛酯、鄰苯二甲酸二異癸酯、鄰苯二甲酸二異壬酯等）配以低揮發(fā)性的輔助增塑劑（如對(duì)苯二甲酸二異辛酯、鄰苯二甲酸二異辛酯、偏苯三酸三辛酯等），可以顯著提高PVC電線電纜料在較高溫度條件下的耐熱性能；加入Ca/Zn復(fù)合穩(wěn)定劑或稀土穩(wěn)定劑可提高PVC電線電纜料的熱穩(wěn)定性；加入適量無機(jī)填料（如CaCO3）可使產(chǎn)品具有一定的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)降低成本［18］。為加強(qiáng)PVC電線電纜料的阻燃抑煙性能，可以用阻燃增塑劑（如三芳基磷酸酯和烷基二芳基磷酸酯，加入氯化石蠟作為協(xié)效增塑劑）替代常規(guī)增塑劑。聶紅云等［19］研究了納米三氧化二銻、普通微米級(jí)三氧化二銻及納米三氧化二銻/硼酸鋅復(fù)配阻燃劑對(duì)PVC電線電纜料阻燃性能及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)極限氧指數(shù)為35.0％時(shí)，納米三氧化二銻的添加量比微米級(jí)三氧化二銻減少20％。納米三氧化二銻/硼酸鋅復(fù)配阻燃劑導(dǎo)致材料的極限氧指數(shù)降低，但生煙量與生產(chǎn)成本降低。

3 變頻電機(jī)用聚丙烯電纜料

聚丙烯具有良好的耐高溫性能，是非極性高分子材料，電絕緣性和耐電弧性優(yōu)秀，電場(chǎng)頻率以及環(huán)境濕度、溫度的變化不會(huì)影響聚丙烯的電性能，并且易于加工。因此，聚丙烯是電纜料中不可或缺的重要組成部分。

何成龍等［20］公開了一種耐高溫?zé)o鹵阻燃聚丙烯電纜料的制備方法。原料組成為：三元乙丙橡膠30.0 kg，聚丙烯20.0 kg，天然橡膠6.0 kg，二元氟醚橡膠6.0 kg，APP 28.0 kg，聚二甲基硅氧烷1.0 kg，直鏈烷烴油5.0 kg，過氧化乙丙基碳酸叔丁酯0.4 kg，磷酸二氫銨2.0 kg，三聚氰胺氰尿酸鹽1.0 kg，磷酸酯1.0 kg，硬脂酸2.0 kg，聚四氟乙烯1.0～2.0 kg，改性填料9.0 kg，苯甲烷雙馬來酰亞胺0.5 kg。將各組分在高速混合機(jī)中混合均勻，再在150～180 ℃的條件下經(jīng)密煉，擠出，磨面熱切造粒，振動(dòng)篩篩分，得到耐高溫?zé)o鹵阻燃聚丙烯電纜料。吳芳芳等［21］公開了一種柔軟聚丙烯電纜護(hù)套料的制備方法。其中的一組原料組成為：低流動(dòng)性聚丙烯（MFR≤0.50 g/10 min）100.00 phr，柔性改性劑聚烯烴彈性體70.00 phr，潤滑劑聚乙烯蠟1.20 phr，抗氧劑1010 0.50 phr，抗銅劑1024 0.40 phr。將各組分在高速混合機(jī)中充分混合后，在混煉型雙螺桿擠出造粒機(jī)中擠出造粒，擠出工藝溫度為：加料段160 ℃、混料段190 ℃、擠出造粒段200 ℃、機(jī)頭部分210 ℃。經(jīng)造粒，干燥后得到具有良好耐低溫性能和柔韌性能的聚丙烯電纜護(hù)套料，并改善了聚丙烯電纜料原有的抗應(yīng)力發(fā)白現(xiàn)象。

4 結(jié)語

近年來，我國變頻電機(jī)用電纜料生產(chǎn)企業(yè)有了很大的發(fā)展，特別是一些民營企業(yè)，在生產(chǎn)規(guī)模、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整及新產(chǎn)品開發(fā)上順應(yīng)市場(chǎng)需求，有很大的提高。國內(nèi)電纜料行業(yè)的發(fā)展水平與國外的差距越來越小，各種高性能、環(huán)保阻燃電纜料被開發(fā)出來。未來還需開發(fā)符合歐盟標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)保PVC電線電纜料及其他適應(yīng)特殊環(huán)境要求、具有特殊功能的高端電纜料。

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Research progress in thermoplastic resin for wire and cable of variable frequency motor

Wen Huihui1，Zhang Jin2
（1. Chongqing University of Arts and Sciences，Chongqing 402160，China；2. State Grid Chongqing Electric Power Research Institute ，Chongqing 401123，China）

Abstract：This paper provides an overview of progress in thermoplastic resin for wire and cable of variable frequency motor. The cable fabricated from high density polyethylene features good performance in processing and mobility，it meets the technical and products requirements of high speed extrusion production line that produces insulating material. The environmental problems caused by polyvinyl chloride（PVC）delays its development in cable material with the stricter environmental regulations； while the cable made from PVC cannot be disabled in a short time due to its properties such as electrical insulation，flame retardation and low costs. Polypropylene on the other hand works well in high temperature resistance and processing，the changes of humidity and temperature exert no impact on its electrical properties，which makes it a common choice in cable material. Environmental friendly PVC cable materials in accordance with EU standards need to be developed in future as well as other high-end cable materials.

Keywords：cable material；polyethylene；polypropylene；polyvinyl chloride；variable frequency motor

作者簡(jiǎn)介：溫慧慧，女，1988年生，碩士，助教，2013年畢業(yè)湖南大學(xué)電氣工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事電機(jī)、電力系統(tǒng)方面的研究工作。E-mail：wenhuihui0118@126.com；聯(lián)系電話： 18883801013。

收稿日期：2015-10-29；修回日期： 2016-01-20。

中圖分類號(hào)：TQ 322.4+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-1396（2016）02-0092-04