阅读说明：本技术 一种极性翻转工况下聚丙烯电缆材料及其制备方法、用途 (Polypropylene cable material under polarity reversal working condition, and preparation method and application thereof ) 是由 杜伯学 刘畅 李忠磊 于 2020-04-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种极性翻转工况下聚丙烯电缆材料及其制备方法、用途。所述聚丙烯复合绝缘材料的质量分数100％计,包括99.5-99.7％的聚丙烯基体和0.3-0.5％的硫代双酚类化合物填料。其中所述的硫代双酚类化合物一方面其中的受阻酚单元通过质子转移捕获基体中产生的自由基,抑制聚丙烯材料内部低密度区的形成,进而抑制局部放电的发生；另一方面为聚丙烯基体提供多尺度的陷阱分布,减小碰撞电离以及高能电荷运动对分子链的破坏,从而增大击穿强度。本发明所制备的聚丙烯热塑性电缆绝缘材料的击穿强度在极性翻转后下降幅度较小,相比于纯等规聚丙烯依然保持了良好的绝缘性能,适用于高压直流电缆中。(The invention discloses a polypropylene cable material under a polarity reversal working condition, and a preparation method and application thereof. The polypropylene composite insulating material comprises 99.5-99.7% of polypropylene matrix and 0.3-0.5% of thiobisphenol compound filler by mass fraction of 100%. On one hand, the hindered phenol unit of the thiobisphenol compound traps free radicals generated in a matrix through proton transfer to inhibit the formation of a low-density area in a polypropylene material, so that the occurrence of partial discharge is inhibited; on the other hand, multi-scale trap distribution is provided for the polypropylene matrix, so that damage of impact ionization and high-energy charge movement to molecular chains is reduced, and the breakdown strength is increased. The breakdown strength of the polypropylene thermoplastic cable insulation material prepared by the invention is reduced to a smaller extent after polarity inversion, and the polypropylene thermoplastic cable insulation material still maintains good insulation performance compared with pure isotactic polypropylene, and is suitable for high-voltage direct-current cables.)

一种极性翻转工况下聚丙烯电缆材料及其制备方法、用途

技术领域

本发明属于电气电子材料制备技术领域，具体涉及一种极性翻转工况下聚丙烯电缆材料及其制备方法、用途。

背景技术

聚丙烯是一种环保型高压直流电缆绝缘材料，相比于传统的交联聚乙烯绝缘料，具有工作温度高，电导率低，击穿强度高，不易积聚空间电荷等优势。但在常规高压直流输电中，存在电压极性翻转的工况，这对于高压直流电缆的长期稳定运行时不利的。

极性翻转后，外施电场与极性翻转前材料内部积聚的空间电荷将畸变局部电场，使极性翻转后的绝缘材料击穿强度降低。提高极性翻转后高压直流电缆的击穿性能，一方面，可以通过改性增大其在未发生极性翻转时的击穿强度，另一方面，需要减少其在外施电场下的空间电荷积聚，削弱极性翻转后电场的畸变程度。

发明内容

本发明的目的在于提高聚丙烯热塑性电缆在极性翻转工况下的击穿强度，为此提供一种提高极性翻转工况下介电性能的聚丙烯电缆材料及其制备方法、用途。在等规聚丙烯中添加硫代双酚类化合物，一方面其中的受阻酚单元通过质子转移捕获基体中产生的自由基，抑制聚丙烯材料内部低密度区的形成，进而抑制局部放电的发生；另一方面为聚丙烯基体提供多尺度的陷阱分布，减小碰撞电离以及高能电荷运动对分子链的破坏，从而增大击穿强度。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种极性翻转工况下聚丙烯电缆材料，所述聚丙烯复合绝缘材料的质量分数100％计，包括99.5％-99.7％的聚丙烯基体和0.3％-0.5％的硫代双酚化合物填料。

所述的聚丙烯基体为等规聚丙烯。

所述的添加剂为硫代双酚类化合物4,4'-硫代双(6-叔丁基-3-甲基苯酚)和4,4'-硫代双-(2-甲基-6-特丁基酚)中的一种或两种。

本发明的另一个技术方案是提供一种极性翻转工况下聚丙烯电缆材料制备方法，包括如下步骤：

A、将等规聚丙烯颗粒在双辊机上混炼10分钟使之充分熔融，温度设定为200℃；

B、暂停混炼，将添加剂粉末与聚丙烯混合，使添加剂在等规聚丙烯内充分熔化；

C、将混合物在双辊机上继续充分混炼15分钟，温度设定为200℃，之后切割为若干份，每份1-2g；

D、将混合材料脱气，冷却，在压片机上热压成型。

热压包括步骤如下：

A、取一份混合材料置于模具中，模具直径为70mm，深度为70/250μm；

B、将混合材料在压片机中热压15分钟，温度设定为200℃，压强设定为20MPa；

C、打开循环水箱，在1分钟内将压片机温度从200℃骤冷至80℃，取出。

本发明第三个技术方案是提供聚丙烯电缆材料用途，提高极性翻转工况下介电性能。

本发明采用兼具提供多尺度陷阱和捕获自由基双重功能的硫代双酚类化合物作为填料，以电气性能优异的等规聚丙烯作为基体，通过熔融共混法制备出在提高极性翻转工况下介电性能的聚丙烯电缆材料。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、选择硫代双酚类化合物作为填料，一方面其中的受阻酚单元通过质子转移捕获基体中产生的自由基，抑制聚丙烯材料内部低密度区的形成，进而抑制局部放电的发生；另一方面为聚丙烯基体提供多尺度的陷阱分布，减小碰撞电离以及高能电荷运动对分子链的破坏，从而增大击穿强度。

2、选择硫代双酚类化合物作为填料，其熔点与等规聚丙烯接近，提高了填料与基体的相容性。

3、经30℃下极性翻转前后的直流击穿强度测试，本发明制备的高压直流电缆用聚丙烯绝缘料在极性翻转后依旧具有较高的直流击穿强度。

4、经30℃下的空间电荷及电场测试，本发明制备的高压直流电缆用聚丙烯绝缘料空间电荷积聚少，电场未发生严重畸变。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明所述等规聚丙烯(a)、两种硫代双酚类化合物：4,4'-硫代双(6-叔丁基-3-甲基苯酚)(b)和4,4'-硫代双-(2-甲基-6-特丁基酚)的分子式(c)；

图2为本发明涉及的一种电压极性翻转下材料直流击穿场强的测量装置图；

图3为实施例1所制备的聚合物复合材料的在30℃下预加-50kV/mm电场0-60分钟后极性翻转的直流击穿强度图；

图4为实施例1所制备的聚合物复合材料在30℃下的空间电荷分布以及电场分布图：

(a)聚丙烯；

(b)聚丙烯-填料1；

(c)聚丙烯-填料2。

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。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明的实验测试样品使用电声脉冲法测量空间电荷。

实施例1

本实施例涉及一种提高极性翻转工况下介电性能的聚丙烯热塑性电缆绝缘材料，所述聚丙烯复合绝缘材料的质量分数100％计，包括99.7％的聚丙烯基体和0.3％的硫代双酚化合物填料。其中提高极性翻转工况下介电性能的聚丙烯热塑性电缆绝缘材料的制备方法如下步骤：

A、将29.91g等规聚丙烯颗粒在双辊机上混炼10分钟使之充分熔融，温度设定为200℃；

B、暂停混炼，将0.09g 4,4'-硫代双(6-叔丁基-3-甲基苯酚)和4,4'-硫代双-(2-甲基-6-特丁基酚)分别与等规聚丙烯混合，使添加剂在等规聚丙烯内充分熔化；

C、将混合物在双辊机上继续充分混炼15分钟，温度设定为200℃，之后切割为若干份，每份1-2g；

D、将混合材料脱气，冷却，在压片机中热压15分钟，温度设定为200℃，压强设定为20MPa；打开循环水箱，在1分钟内将压片机温度从200℃骤冷至80℃，取出。

实施例2

本实施例涉及一种提高极性翻转工况下介电性能的聚丙烯热塑性电缆绝缘材料，所述聚丙烯复合绝缘材料的质量分数100％计，包括99.5％的聚丙烯基体和0.5％的硫代双酚化合物填料。其他步骤同实施例1。

实施例3

本实施例涉及一种提高极性翻转工况下介电性能的聚丙烯热塑性电缆绝缘材料，所述聚丙烯复合绝缘材料的质量分数100％计，包括99.6％的聚丙烯基体和0.4％的硫代双酚化合物填料。其他步骤同实施例1。

对比例1

本对比例涉及一种提高极性翻转工况下介电性能的聚丙烯热塑性电缆绝缘材料，所述聚丙烯复合绝缘材料的质量分数100％计，包括99.5％的聚丙烯基体和0.5％的硫代双酚化合物填料、99.9％的聚丙烯基体和0.1％的硫代双酚化合物填料。其中提高极性翻转工况下介电性能的聚丙烯热塑性电缆绝缘材料的制备方法同实施例1。

综上所述，本发明通过在等规聚丙烯中添加两种硫代双酚类化合物，一方面其中的受阻酚单元通过质子转移捕获基体中产生的自由基，抑制聚丙烯材料内部低密度区的形成，进而抑制局部放电的发生；另一方面为聚丙烯基体提供多尺度的陷阱分布，减小碰撞电离以及高能电荷运动对分子链的破坏，从而增大击穿强度。本发明所制备的聚丙烯热塑性电缆绝缘材料的击穿强度在极性翻转后下降幅度较小，相比于纯等规聚丙烯依然保持了良好的绝缘性能，适用于高压直流电缆中。