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1、第6卷19 83年第2期6月哈尔滨电工学院学报HlETJo urnalVol。6Jun e凡219 83电缆工业用半导电塑料洪永 华(耳机部14 2 3所)摘要本文概 述 电缆工业用挤 出型 半导 电塑料的发 展过程,电缆 工业对半导电塑料的要求及乙快炭黑、导电炉黑对半 导电塑料 电阻率均影响。指出用丁苯 橡咬、聚异丁 潇 享改性增塑 均半导 电聚乙烯 料,不 能 满足电缆工业 的要求,目前已淘汰。重 点叙述 最 常用的乙烯一醋 酸乙烯 共 聚物(E V A)半 导电塑 料,可剥 离型_E VA半导 电塑料及乙烯一丙烯 酸乙货共聚吻(EEA)半导电塑料的组 成、配 方 与性 能。一、前一三一
2、曰在电缆 工业 中半导 电料主要用 作高压电缆 绞线导体和绝缘的屏蔽;其次是住宅区地下配 电工程中的绝 缘屏蔽和防护,还 常在通 信电缆中作为静 电屏蔽。半导 电层的主要 作 用是:( 1)绞线 导体 上的内屏蔽使电场分布 均匀,降 低电场强度。(2 )减少导 体 与绝 涤多交界面上 灼气隙,提高电 缆起 始电晕放电电压和乞缆 耐游离放电性能。( 3)内异蔽在一定程 度上可以降低 绝缘层 的温升,保护 主绝 缘。(4 )使安装人 员较安全。( 5)静电屏 蔽。通常以绕包半导 电我或华导电布(漓、塑抖)的方式 在电缆 导线上放置半一导电 层。绕 包半导屯 若虽然有制造容 易、工 艺简单沟尤点,但
3、是也有 很多缺点:与绝 缘层不粘 结;粘容 易 吸收水分形 成气 隙,纤 维进入绝 缘层引 起树 枝状放电;在 挤压 绝缘 时 起壳、松弛,因而进一 步发展挤压半导电塑料。挤压 半 导电塑料的优 点是:(l )真正 与绝 缘层相互粘 结;( 2)无气 隙、耐电晕 性好,(3)导电性高,( 4)圆住 形表面,电场均匀,(5 )能填充股间 气 隙;(6)与主绝缘材料的热澎胀性能相 近。不容易起壳;(7 )易加工,(约 无纤 维进入绝 缘层。由于挤出半导电塑料有上述 许多优点,因而冬管有容易吸潮、挤 出压力高、挤 出困难及 耗电量大等缺点,仍 能获得迅速发展。1082年7月1511怪坟到挤压用的半导
4、电塑料制备 时,是把高浓度的导 电炭黑 加到经过稳定 的聚合物 中 去,不 同的炭黑和各种聚 合物混和时,其 导 电性、机械性能 与加 工性能均不相 同。本文 的目的是概述半导电塑料的发展过程;电缆 工业 对半导 电料的要求,及不 同炭黑 对半导 电料电阻率的影响;并阐述 早期用丁苯橡 胶、聚 异丁烯等改性 的半导 电聚乙烯的配方 及其性能。重点叙述目前最常 用的乙烯一醋酸乙烯共聚 物(简称EV A)半导 电塑料;可剥离型 半 导电塑料及乙烯一丙烯酸乙醋共聚物(简称E E A)半导 电塑料的组 成、配 方及性能。二、半导电塑料概况(一)半导 电料的发展过 程在十 九世 纪后半期已经知道 含 有
5、填料的聚合物有导 电性。在1 930年左右确认了混有炭黑的半导电橡胶作为电力电缆 电晕放电的防止 剂,之后发展了以乙炔炭黑为主的各种半导电橡胶。五十年代开始在聚乙烯中混以 乙炔炭黑作为半导 电塑料。为了使 聚乙烯具有足够 导 电性,必须加 入大量的炭黑,但是,混有大量炭黑的聚乙烯在室 温下发脆,几 乎没有 伸 长率,并巨在受应 力作用后 会 破裂。增加 其 塑性有二种办法:一种是早期采 用 的在聚乙烯中混 入丁 苯橡 胶、聚异丁烯等弹性体。但这种半导 电料的加工性 能 较 差,电 性能、机械性能亦差,目前已淘 汰。另一 种 是在六十年代发展起来的以 乙烯二元共聚 物(EVA,E E A)为基料
6、,加入足 够 量的炭,而 获得目前大量使用 的半导电塑料。这种半导 电料具有较高的导 电性、足够的韧性和良好 的低 温脆性,加工较为方便,能薄 壁挤出,挤 出 时所 需 功率 也较小,是较为满意的半导 电料。目前半导电塑料正在向乙烯的三元共聚 物方向发展,进一 步改善半导 电塑料的耐热性、耐辐射性和可剥离性等性能。在叙述各种半导 电塑料之前,先介绍一下 电缆 工业对半导 电塑料的要求。-. 1(二)电缆 工业对半导电塑料的要求1.导电性 好,体积电阻率p。要 小。半 导电层和电缆主绝 缘层形 成复 合介质,这种复 合介质的中途断开的tg占与几的关系见 图1 1。众所周 知,复 合介质 中的发热
7、 量万二。tgdV“。如果半导 电层 不具有 十分 低的电阻,正是这个热量成为半导 电层发生 热 破坏 的原因。从压制 半导电层 的发 热角度 出发,其导电性越高 越好,但是考 虑到半导电层分 担的 电压、电缆制造时的加 工性 及机械性能 等,一 般能 认为半 导电层的p。必 须在1 04口一cm以下。国外电力电缆半导“,i。5卜n.扮 :.二n.,.1 . 5 12tP( 口一cm)图1复合介电体p和tgd的关 系电层 电阻 率的标准见表1。从表1看出,标 准规 定 电缆在使用 状态(9 0)半导 电层电阻率应在5x10Q一。m以下,在 常温下为5x10,Q一cm以下。由于半导 电料在挤出
8、过程中,以及 由 于循环 加热的 热老 化作用,p:值还会升高1一2个数 量 级,因此,半导 电料本身的 电 阻率要远 低 于5x109一。m。表1国外半导电层 电阻率的标准1标体积电9 0阻率口一cm“o 3 “A E IC们NO:5一75内半导电层外半导电层内半导电层外 半 导电层1x10,杏5又10咨IPCE A.“566一5 4N EMA.3WC7一1 9715x1 03杏5xl护毒1x105咨5xloJ咨5x1 04咨5x10杏一 一一下1一贾面夔顶丁丽丽万葫天事一一一一一 ,2美国电力电缆工程师 协会.3美国全国电气制造商协会2.工艺性 好,能 薄壁 挤 出在 高压 脉 冲电缆 中
9、 也采用 内、外丰导 电层,对传输脉 冲 波形 的畸 变是和半导电料的几及华导电层厚 变t成正比均2。因此,要 求 半导 电层的厚 度越薄越好。另外,从限制 乍导电县发热、减小电缆体积而 言,一也希望半导电层能 薄一些。一 般要求半导 电层厚度在l mm以下,目前国外标准是:外华导电层厚度为O。2 5mm纽3, 。这就 要 求半导电塑料有良好 的挤 出工艺性,才能够薄壁挤 出。3。物 理机械性 能为了使半导电料和主 绝缘 紧密 结 合,在应力作用下 不断 裂、不起壳,半导电料还应该 有一 定 的物 理机械性能。一 般要 求其抗张 强度 大于1。kg/cmZ ,断 裂 伸 长 率 大 于100%
10、,另外还要求低温脆性好,和主绝缘聚乙烯 有相近灼线 膨胀 系 数。4。杂质少半 导 电层应 均 匀;表面光滑,无 突起、无 诀陷 波洞。如果半导 电昙和绝 缘体的界 面之间存在杂质、突起、不平整,该点就 成为电场强度集中 场所,有可能使击穿电压下降或引起水树枝发生。日本对半导 电层突起 的现行标准是o.2 5m m以下LS。5.可剥 离性有外半 导 电县为 电缆,特别是交联 聚乙烯 绝缘 电缆,一 方面要 求半导 电层与电缆主绝缘 紧密 接触,以避 免形 成气隙;另一方面在电缆连接 时,要求外半导电层容易从电缆主绝 缘上 剥 离下来。既不留下炭黑 的痕迹又不损伤主绝缘层。这种可剥离性半导 电层
11、是目前 发展 的方向。美国交 联聚乙烯 电缆可剥离 半寻电塑料,在137 6丰占半导电料的15召 奋,至111 98 1年占30弓。(三)炭黑对电阻系数的影晌炭黑 的种类 及含 量对半导 电塑料的 电阻系数有很 大的影响,目前 最常用 的 导 电炭黑有乙炔炭黑和导 电沪黑两大类。国外导 电炭黑的型号、性能及用途见 表2两。73表2国外导 电炭燕型 号、性能及用途7导 电炉黑超导 电炉黑特导电炉黑乙炔炭黑代号C FSC FECFACE TA S TMD1 5 12编号N2 9 3入2 9 4凶4 72VuleanCVuleanS CVulea nXC一7 2电化;七千*夕尹夕少夕商品名称Co n
12、tin exC FContine xS C F旭HS一5 0 0UnitedN一29 6(C F)UnitedN一195(S C F) 匡- 俘 -一竺一一二竺一一一二生一一i些-性二生一卫生 上 翌二翌兰一墨鱼墅竺一遇且测生矍 丝 主 郭粒状二燮哩. 吧一卜i坠竺一一21二竺. 竺竺旦】一竺一-二、e s麦醚里卫竺一阵里兰竺一一里竺一二旦燮竺兰一二1一-月匕一些一一 二少一,一一,8一卜卫生互一兰些-】吗亨山昌。 。/,1_711.92。53。1 _1竺竺 竺 兰 二 三- - o - - _巨一电一 些-一呈壑丝里 遏曳竺鲤乡些垦一呈些兰和塑料 配 合也! 有高 弹 性1*站高弹性 l刁刁
13、、洛月沐人! 用巫-一一l 止望蟹彭立一!遭进是尘-补强性良好补强性 优秀1补强性好补 强 性 好以连续热 裂解 法生产的乙块炭黑,由 于其结 构性 高、表 面氧 含量 低和粒径细小,所以具有 良好 的导电性,是半导 电塑料中常用 的炭黑。但是,这种结 构在胶 料挠曲时极 易破坏,等致 电阻值的升高,在过渡 捏炼的情况下 也会产 生这一 现 象。因此,在混料时 最好在胶料可塑性 良好的情况下加入炭黑,并尽 可 能缩 短加 入乙炔炭黑的混炼时间。同样原因,制 成电缆后的含乙炔炭黑半导 电层电阻率将比挤 出前半导 电料的电阻 率高,因此半导 电料的电阻率应比实际要 求的还 低一 些 为宜。乙快炭
14、黑的另一个缺 点是粉 末 状结构,混料时极 易飞扬,环 境污染严 重。随着炭 黑工业的发展,出现了一 种经过脱挥 处 理的 导电炉黑。导电炉黑 除了具 有 较高的导 电性外,还有两个突 出的 优点:在辗压和挠曲后 其导 电性有良好 的 复原性,导 电护黑是颗粒 状 结沟,混 料 时不易飞扬,对环境 污染 较 小。这 些正好 服克了乙炔炭黑的缺点,因此导电炉黑在半导 电塑料中获得广泛 的应用。炭黑含量对半导 电塑料电阻率的影响在下 面叙述。三、橡塑改性的半导电塑料与 国外相比,国 产半 导电塑料是比较 落后 的,由于 国产EVA料性能不 稳 定,到七 十年代末期都大 量采用在聚乙烯中 混入丁 苯
15、橡胶、聚异丁烯 等来改 善半 导 电塑料的塑性,以便于挤出加 工。部分 国产半 导电聚乙烯的配 方及能性见 表3。表3部分囱产半导 电聚乙烯及配方性能民8、哟项项目目成缆(7 4份) ) )成缆(7 5年) ) )上缆(75年) ) )142 3所(78年) ) )份份份份%份份%份份%份份%配配配高压聚乙烯烯1 00 0 036。8 8 81 00 0 045。9 9 97 0 0 04 8。6 6 640 0 040。6 6 6方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方丁丁丁苯橡胶胶6 6 6 624。3 3 34 5 5 520。6 6 6 6
16、 6 6 6 6 6 6 6聚聚聚 异 丁 烯B1 0O O O O O O O O O O O3 0 0 020。8 8 830 0 030。5 5 5乙乙乙炔炭黑黑1 00 0 03 6。8 8 85 9。9 9 927。4 4 440 0 027。8 8 825 5 52 5。4 4 4硬硬硬脂酸酸3 3 31.1 1 13 3 31。4 4 42 2 21。4 4 43 3 33 3 3石石石腊腊2 2 20。8 8 810 0 04。6 6 6 6 6侧. 匕匕一一- - - - -D D D D D NP P P0。5 5 50。2 2 20。2 2 20。1 1 10。5 5 50。4 4 40。5 5 50。5 5 5交交交联剂剂剂剂剂剂1.4 4 4l,0 0 0 0 0 0 0性性性P。(2 0) 口一em m m3x103 3 31。43x1
