一种可抑制高温高场电导的高压直流电缆绝缘材料及其制备方法

本发明涉及一种可抑制高温高场电导的高压直流电缆绝缘材料及其制备方法，属于高压直流电缆及其制备。

背景技术：

1、聚乙烯绝缘电缆具有优异的电学性能，在高压直流输电、新能源并网互联、海底输电、等诸多领域都得到了广泛应用，然而，不同于交流输电线路，高压直流输电线路的传输损耗与绝缘材料的电导率呈正相关，较高的电导率将增大泄漏电流，不但造成电能浪费，其带来的损耗还将会以内能的形式释放，引起电缆绝缘温度升高，加速绝缘老化甚至损毁绝缘体，降低电缆使用寿命。与此同时，高压直流电场作用下电缆绝缘内部电场分布受材料电导率控制并与之成反比，而电导率随温度升高显著升高，高压直流电缆运行过程中，温度较高的线芯与温度较低的护套将使绝缘内部产生温度梯度，导致电场-温度梯度耦合场作用下的电场反转问题发生，致使绝缘层外表面电场大于绝缘层内表面的电场，降低电缆运行的安全稳定性。

2、有研究指出在聚烯烃中引入羰基、羟基、硝基、氰基或芳香环等极性基团可以显著抑制材料中电荷的积累，有效降低材料内部载流子的迁移率，降低绝缘材料在高温高场强下电导电流的增长速率。然而含有极性基团的小分子化合物在电缆的生产、储存和使用过程中，容易迁移、析出，而极性聚合物又与聚烯烃有较差的相容性，从而降低了极性化合物在高温高场强下抑制绝缘材料电导电流增长速率的性能效果，导致改性后的绝缘材料性能稳定性较差。因此，本发明提供一种可抑制高温高场电导的接枝改性交联聚乙烯高压直流电缆绝缘材料及其制备方法。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有高压直流电缆交联聚乙烯绝缘材料在高温高场强下电导电流增长迅速，在电场-温度梯度耦合场作用下发生电场反转，同时含有极性基团的小分子化合物易迁移、析出，改性绝缘材料性能稳定性差的问题，提供一种可抑制高温高场电导的高压直流电缆绝缘材料及其制备方法。

2、本发明的技术方案：

3、一种可抑制高温高场电导的高压直流电缆绝缘材料，该绝缘材料由以下重量份数的原料制成：100份聚乙烯、0.02～6份引发剂和0.05～10份极性化合物；

4、所述极性化合物具有含烯不饱和取代基。

5、进一步限定，极性化合物为邻羟基二苯甲酮类紫外吸收剂。

6、更进一步限定，极性化合物为2-羟基-4-(甲基丙烯酰氧基)二苯甲酮。

7、更进一步限定，引发剂为dcp或bipb。

8、进一步限定，引发剂用量为0.03～4份。

9、更进一步限定，该绝缘材料由以下重量份数的原料制成：100份聚乙烯、2份dcp和0.5份2-羟基-4-(甲基丙烯酰氧基)二苯甲酮。

10、更进一步限定，该绝缘材料由以下重量份数的原料制成：100份聚乙烯、3份dcp和1份2-羟基-4-(甲基丙烯酰氧基)二苯甲酮。

11、更进一步限定，该绝缘材料由以下重量份数的原料制成：100份聚乙烯、1份bipb和0.5份2-羟基-4-(甲基丙烯酰氧基)二苯甲酮。

12、本发明的目的之二是提供一种上述可抑制高温高场电导的高压直流电缆绝缘材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

13、(1)将聚乙烯加入转矩流变仪中熔融后依次加入极性化合物和引发剂，在温度为80～130℃，转速为50～60r/min的条件下混炼3～30min，得到共混物；

14、(2)将共混物放入平板硫化机中，在80～130℃下连续加压至10～25mpa熔融、定型15～40min，定型后转移至温度为160～190℃的平板硫化机中直接加压至10～25mpa进行交联接枝20～50min，得到可抑制高温高场电导的高压直流电缆绝缘材料。

15、进一步限定，(1)为在熔融的聚乙烯中加入极性化合物后，在温度为80～130℃，转速为50～60r/min的条件下，混炼3～15min后，加入引发剂，继续混炼1～10min，得到共混物。

16、本发明有益效果：

17、(1)本发明将极性化合物加入到聚乙烯中，经引发剂引发，通过熔融接枝反应键合到聚乙烯分子链上，使得极性化合物固定在聚乙烯分子链上，同时，聚乙烯大分子之间发生交联反应生成极性化合物接枝改性交联聚乙烯。极性化合物中的羰基、羟基等极性基团以及苯环可以在交联聚乙烯中引入深陷阱，并且极性化合物具有较高的电子亲合能，这使得极性化合物有较大概率俘获高能电子，降低改性绝缘材料内部载流子的数量和迁移率，进而抑制交联聚乙烯绝缘材料在高温高场强下的电导电流增长速率。

18、(2)本发明使用的极性化合物中苯环上邻位羟基与羰基氧原子可形成分子内氢键螯合环，在电场作用下，分子内结构发生热振动，分子内氢键破坏，螯合环打开，同时，分子中的羰基也会被激发，激发态分子内质子转移，生成烯醇-醌式互变异构体，分子内结构发生变化。此外，该极性化合物具有较窄的能隙，分子结构的变化以及较窄的能隙使极性化合物将吸收的能量以内能这种危害相对较小的形式释放出去，因此经极性化合物接枝改性后，材料内部的电子对交联聚乙烯大分子链轰击的概率降低，破坏作用大幅削弱，耐击穿能力得到提高。

19、(3)本发明接枝在交联聚乙烯分子链上的极性化合物不易迁移、析出，其与交联聚乙烯具有较好的相容性，具有较好的抑制电导电流增长的稳定性。因此，本发明制得的极性化合物接枝改性交联聚乙烯高压直流电缆绝缘材料在可抑制绝缘材料高温高场强下电导电流增长的基础上，具有较高的耐击穿性能以及改性极性化合物稳定、不易析出的性能。

技术特征：

1.一种可抑制高温高场电导的高压直流电缆绝缘材料，其特征在于，该绝缘材料由以下重量份数的原料制成：100份聚乙烯、0.02～6份引发剂和0.05～10份极性化合物；

2.根据权利要求1所述的绝缘材料，其特征在于，极性化合物为邻羟基二苯甲酮类紫外吸收剂。

3.根据权利要求2所述的绝缘材料，其特征在于，极性化合物为2-羟基-4-(甲基丙烯酰氧基)二苯甲酮。

4.根据权利要求3所述的绝缘材料，其特征在于，引发剂为dcp或bipb。

5.根据权利要求1所述的绝缘材料，其特征在于，引发剂用量为0.03～4份。

6.根据权利要求4所述的绝缘材料，其特征在于，该绝缘材料由以下重量份数的原料制成：100份聚乙烯、2份dcp和0.5份2-羟基-4-(甲基丙烯酰氧基)二苯甲酮。

7.根据权利要求4所述的绝缘材料，其特征在于，该绝缘材料由以下重量份数的原料制成：100份聚乙烯、3份dcp和1份2-羟基-4-(甲基丙烯酰氧基)二苯甲酮。

8.根据权利要求4所述的绝缘材料，其特征在于，该绝缘材料由以下重量份数的原料制成：100份聚乙烯、1份bipb和0.5份2-羟基-4-(甲基丙烯酰氧基)二苯甲酮。

9.一种权利要求1～8任一项所述的可抑制高温高场电导的高压直流电缆绝缘材料的制备方法，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，(1)为在熔融的聚乙烯中加入极性化合物后，在温度为80～130℃，转速为50～60r/min的条件下，混炼3～15min后，加入引发剂，继续混炼1～10min，得到共混物。

技术总结
本发明公开了一种可抑制高温高场电导的高压直流电缆绝缘材料及其制备方法，属于高压直流电缆及其制备技术领域。本发明解决了现有高压直流电缆交联聚乙烯绝缘材料在高温高场强下电导电流增长迅速，在电场‑温度梯度耦合场作用下发生电场反转，同时含有极性基团的小分子化合物易迁移、析出，改性绝缘材料性能稳定性差的问题。本发明将极性化合物加入到聚乙烯中，经引发剂引发，通过熔融接枝反应以及聚乙烯的交联反应键合到交联聚乙烯大分子链上，使得极性化合物固定在交联聚乙烯大分子链上，降低交联聚乙烯绝缘材料在高温高场强下电导电流的增长速率，提高绝缘材料的击穿场强，减少极性化合物的迁移、析出，提高绝缘材料的使用寿命。

技术研发人员：张城城,梅慧宇,赵洪,王暄
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/11/14