阅读说明：本技术 齐格勒-纳塔催化剂的应用、制备电缆工厂软接头及其绝缘层的方法、电缆工厂软接头 (Application of Ziegler-Natta catalyst, method for preparing cable plant flexible joint and insulating layer thereof, and cable plant flexible joint ) 是由 周明瑜 罗艺 刘辉 史善哲 韩正一 于 2020-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种齐格勒-纳塔催化剂的应用、制备电缆工厂软接头及其绝缘层的方法、制备电缆工厂软接头,所述应用为齐格勒-纳塔催化剂在交联聚乙烯和聚丙烯共聚中的应用。齐格勒-纳塔催化剂可以引发聚乙烯和聚丙烯反应,合成高分子量的PE-b-PP共聚物,并可以精确控制共聚嵌段的长度,得到的共聚物力学性能优异。(The invention relates to an application of a Ziegler-Natta catalyst in copolymerization of crosslinked polyethylene and polypropylene, a method for preparing a cable plant flexible joint and an insulating layer thereof, and a method for preparing a cable plant flexible joint. The Ziegler-Natta catalyst can initiate the reaction of polyethylene and polypropylene to synthesize high molecular weight PE-b-PP copolymer, and can accurately control the length of the copolymerization block, so that the obtained copolymer has excellent mechanical properties.)

齐格勒-纳塔催化剂的应用、制备电缆工厂软接头及其绝缘层 的方法、电缆工厂软接头

技术领域

本发明涉及电力电缆附件领域，具体涉及一种齐格勒-纳塔催化剂的应用、制备电缆工厂软接头及其绝缘层的方法、制备电缆工厂软接头。

背景技术

以交联聚乙烯(XLPE)为主绝缘材料的挤出式电缆因其结构简单、输电容量大、重量轻、安装维护简便、加工制造费用低、运行稳定等优点，被广泛应用于电力系统中。在电缆之间以及电缆与电力一次设备之间需要各种类型的电缆附件实现电气连接，以优化电缆与其他部件(含其他电缆)之间的绝缘界面配合以及疏散因电缆剥离外半导电屏蔽层引起的电场应力集中畸变。在电力电缆之间相互连接的电缆附件被称为电缆中间接头或电缆联结器。

电缆中间接头按其结构形式的不同被分为整体预制式、组合预制式以及以电缆工厂制作或者现场制作为主的工厂软接头。工厂软接头与前两者的最主要区别为工厂软接头主要采用与电缆本体相同和接近的绝缘材料以及半导电屏蔽材料作为结构材料，其制作工艺也与电缆本体的挤出工艺类似，制作完成后的外形尺寸与电缆本体接近一致。

现有交联电缆的工厂软接头制作过程，其绝缘层制作主要采用注塑熔接技术进行熔接，从工具上，主要需要熔融注塑挤出机、与电缆线芯层(电缆外屏蔽层以内)几乎等径的包覆模具等。由于常用挤包电缆的绝缘材料为交联聚乙烯材料，软接头制作绝缘时需要在聚乙烯绝缘材料中掺杂交联剂完成交联反应，以最终形成和电缆绝缘相当的绝缘结构。然而包覆模具内部的空气、恢复绝缘进行交联时产生的交联副产物在软接头绝缘料中由于排出困难，极易形成气泡、杂质等缺陷，在注塑过程中，电缆本体和注入材料接触部位的材料性能无法达到完全对等，结果导致新旧绝缘界面部位的绝缘性能下降，从而诱发击穿，导致电缆工厂软接头损坏。

在传统的化工材料中，与交联后的聚乙烯材料类似，聚丙烯材料同样具有高介电强度、良好的绝缘性能以及良好的耐热性、相当的机械强度等优点。然而，聚乙烯和聚丙烯尽管有类似的烃组成，但彼此互不相容，导致使用传统方式的情况下，分别使用这两种材料制备的电缆绝缘以及中间软接头之间总会存在界面，最终由于界面沿面击穿原因导致绝缘失效故障。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中在使用聚乙烯和聚丙烯制备工厂软接头时总会存在界面的缺陷，从而提供一种使用齐格勒-纳塔催化剂在聚乙烯和聚丙烯共聚中的应用。

本发明还提供一种制备电缆工厂软接头绝缘层的方法。

本发明还提供一种制备电缆工厂软接头的方法。

本发明还提供一种电缆工厂软接头。

为此,本发明提供一种齐格勒-纳塔催化剂在交联聚乙烯和聚丙烯共聚中的应用。

目前，绝大多数聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)的制备采用异相铬和钛催化剂。异相烯烃聚合催化剂有许多活性位点，每个分子都有各自的反应性差异，导致不同分子量(MW)、分子量分布和微观结构的聚合物。以聚乙烯和聚丙烯为例，这些差异与相分离抑制了界面粘合，降低了熔融共混物的力学性能。为解决聚丙烯和聚乙烯相容性的问题，找到了一种齐格勒-纳塔催化剂作为聚合引发剂，用以合成高分子量的PE-b-PP共聚物，并可以精确控制共聚嵌段的长度。生成的嵌段非晶态共聚物可起到添加剂的作用，从而增加聚乙烯和聚丙烯的相容性。

进一步地，所述催化剂为TiCl₄-Al(C₂H₅)₃和/或TiCl₄-Al(C₂H₅)₂Cl。

其化学反应原理如下所示。

烷基化：

TiCl₄+AlR₃→RTiCl₃+AlR₂Cl

TiCl₄+AlR₂Cl→RTiCl₃+AlRCl₂

RTiCl₃+AlR₃→R₂TiCl₂+AlR₂Cl

烷基钛的均裂和还原：

RTiCl₃→TiCl₃+R·

R₂TiCl₂→RTiCl₂+R·

TiCl₄+R·→TiCl₃+RCl

自由基终止：

2R·→偶合或歧化终止。

本发明还提供一种制备电缆工厂软接头绝缘层的方法，包括以下步骤：

S1，将工厂软接头连接位置处包覆导体的交联聚乙烯绝缘层削剥为坡面并露出内半导电屏蔽层和一段导体；

S2，连接露出的导体，并恢复内半导电屏蔽层；

S3，将用齐格勒-纳塔催化剂与聚丙烯和/或聚乙烯制成的催化剂材料带缠绕在坡面的绝缘层上；

S4，将被催化剂材料带缠绕的绝缘层处的空气全部排出，然后对该处进行加热；

S5，向被催化剂材料带缠绕的绝缘层处挤入聚丙烯，使聚丙烯与交联聚乙烯熔融共聚，反应完成后降温使反应部分变为固态。

进一步地，催化剂材料带的制备方法为：将齐格勒-纳塔催化剂与聚乙烯或聚丙烯混合，然后挤压成催化剂材料带。

进一步地，坡面的绝缘层与导体之间的夹角为25-40°。

进一步地，连接导体前还包括将裸露的导体进行表面去氧化、防水的处理。

进一步地，步骤S2中用半导电屏蔽带恢复内半导电屏蔽层。

进一步地，在在坡面的绝缘层上缠绕催化剂材料带之前，还包括将坡面的绝缘层打磨为毛面的步骤。

进一步地，步骤S4中用惰性气体或氮气排出空气，温度加热至180℃至240℃。

进一步地，步骤S5中，反应部分变为固态后，继续处于惰性气体或氮气环境24-36小时。

本发明还提供一种制备电缆工厂软接头的方法，包括以下步骤：

按照上述的方法制备电缆工厂软接头绝缘层；

恢复外半导电屏蔽层；

恢复金属屏蔽层、缓冲层、外护套。

本发明还提供上述方法制备的电缆工厂软接头。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的齐格勒-纳塔催化剂在聚乙烯和聚丙烯共聚中的应用，齐格勒-纳塔催化剂可以引发聚乙烯和聚丙烯反应，合成高分子量的PE-b-PP共聚物，并可以精确控制共聚嵌段的长度，得到的共聚物力学性能优异。

2.本发明提供的制备电缆工厂软接头绝缘层的方法，使用齐格勒-纳塔催化剂使聚丙烯材料与聚乙烯材料在熔融态下共聚，可以有效消除工厂软接头制作过程中的新旧绝缘材料之间的界面，直接提高了工厂软接头制作的成功率与可靠性，并且达到达到不使用交联反应也可以实现工厂软接头的全部功能的目的。因聚乙烯主体材料在熔融恢复过程中不需要排气，仅在与聚丙烯材料共聚区域才有少量排气或排除杂质形式，可以极大的缩短电力电缆工厂软接头制作时间，并极大提高工厂软接头可靠性。

3.本发明提供的制备电缆工厂软接头绝缘层的方法，利用缠绕含有催化剂的绝缘材料基带的方法将聚丙烯与聚乙烯共聚反应催化物精确放置到需要共聚反应的位置，利用对整体材料升温使原有的交联聚乙烯解交联，并在催化剂作用下和聚丙烯完成共聚反应,得到的整体接头中不再含有聚乙烯与聚丙烯明显界面,从而达到恢复整体电缆本体的效果。

4.本发明提供的制备电缆工厂软接头绝缘层的方法，连接导体前还包括将裸露的导体进行表面去氧化、防水的处理，可以在恢复导体连接时尽可能少的包含杂质，防止未来因导体接触不良或导体接头处电导率下降带来导体接头发热问题，可以有效保证导体连接的可靠性；将坡面的绝缘层打磨为毛面，可以增加其与催化剂材料带之间的接触性，更有利于反应过程中催化剂材料带与交联聚乙烯之间的融合，促进反应进行。

5.本发明提供的制备电缆工厂软接头绝缘层的方法，步骤S4中温度加热至180℃至240℃，该温度为聚丙烯和交联聚乙烯适宜的熔融聚合反应温度，在该温度范围内能够保证生成高分子量的PE-b-PP共聚物。

6.本发明提供的制备电缆工厂软接头绝缘层的方法，反应部分变为固态后，继续是反应部分处于惰性气体环境24-36小时，可以保证完成排出熔融共聚过程中产生的杂质。

7.本发明提供的制备电缆工厂软接头的方法制备的软接头，以应用于各个电压等级，且与电力系统的交流或直流属性无关。

附图说明

为了更清楚地说明本发明

具体实施方式

或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1中电缆的横截面图；

图2是本发明实施例1中经步骤3)处理后的电缆的结构示意图；

图3是本发明实施例1步骤5)中将导体连接后的电缆的结构示意图；

图4是本发明实施例1步骤6)中恢复内半导电屏蔽层后的电缆结构示意图；

图5是本发明实施例1步骤13)中形成新的绝缘层后的电缆结构示意图。

附图标记：

1、导体；2、内半导体屏蔽层；3、交联聚乙烯绝缘层；4、外半导体屏蔽层；5、金属屏蔽层；6、缓冲层；7、外护套；8、半导电屏蔽带；9、聚丙烯绝缘层。

具体实施方式

提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。

实施例1

一种制备电缆工厂软接头的方法，包括以下步骤：

1)将齐格勒-纳塔催化剂TiCl₄-Al(C₂H₅)₃(颗粒状)和聚乙烯按质量比1:1配比充分混合，在平面挤出机上使用单向拉挤方式制备成为宽4cm左右，薄2mm左右的催化剂材料带。

2)对挤包式绝缘电力电缆的工厂软接头连接位置进行加热校直，电缆的横截面如图1所示，包括导体1、内半导体屏蔽层2、交联聚乙烯绝缘层3、外半导体屏蔽层4、金属屏蔽层5、缓冲层6和外护套7；

3)校直后的电缆去除部分外护套7、缓冲层6、金属屏蔽层5、外半导电屏蔽层4、交联聚乙烯绝缘层3以及内半导电屏蔽层2，直至露出一段导体1，并用削剥工具将交联聚乙烯绝缘层3削剥为与导体夹角为35°的坡面，并露出20mm的内半导电屏蔽层(俗称制作电缆线芯软接头铅笔头)，经此处理后的电缆剖面如图2所示(图中仅标示出部分结构)；

4)将坡面的交联聚乙烯绝缘层3打磨为毛面；

5)将裸露的导体1进行表面去氧化、防水的处理，用螺栓连接的方式连接两根电缆中露出的导体1，并将连接后的导体1处理至表面光滑无毛刺，连接后电缆如图3所示；

6)使用与内半导电屏蔽层2材料一致的半导电屏蔽带8恢复内半导电屏蔽层2，恢复内半导电屏蔽层2后的电缆如图4所示；

7)使用催化剂材料带缠绕在两边的呈坡面的交联聚乙烯绝缘层3上，缠绕时，从坡面底部开始，在后的催化剂材料带叠压在前的材料带一半的宽度，依次缠绕，直至缠绕至坡面的顶端，此时应保持缠绕接触面不存在残余空气隙或空气泡；

8)将工厂软接头模具固定在连接后的电缆上，将工厂软接头连接位置置于工厂软接头模具的中间，闭合工厂软接头模具，连接氮气闭合回路，通入2个大气压强的氮气，确保工厂软接头连接绝缘恢复位置即被催化剂材料带缠绕的绝缘层处的空气全部排出；

9)将模具所在位置的电缆连接段加热至210℃；

10)使用小型挤出机将210℃的聚丙烯挤入到工厂软接头模具内，直至聚丙烯从工厂软接头模具的气体排出口排出，并维持工厂软接头模具内的温度为210℃；

11)等待2小时至聚丙烯与交联聚乙烯熔融共聚反应完成；

12)熔融反应完成后自然冷却至常温，待反应部分变为固态后，继续等待30小时；

13)拆除工厂软接头模具，处理新挤出绝缘材料表面至要求的表面洁净度，使用酒精布等材料将绝缘材料表面擦干净，处理后的电缆如图5所示(图中仅标示出部分结构)，包括新形成的聚丙烯绝缘层9，聚丙烯绝缘层9与交联聚乙烯绝缘层3接触部分为共聚的聚乙烯-聚丙烯共聚物；

14)使用半导电屏蔽带恢复外半导电屏蔽层4；

15)恢复电缆金属屏蔽层5、缓冲层6、外护套7。

沿垂直导体的方向刨开制备得到的工厂软接头，观察到电缆原有的交联聚乙烯绝缘层与新形成的聚丙烯绝缘层接触部分无新旧绝缘材料之间的斜线界限，完全实现了电缆本体的交联聚乙烯材料与中间接头的聚丙烯绝缘材料之间的无界面过渡。

实施例2

一种制备电缆工厂软接头的方法，包括以下步骤：

1)将齐格勒-纳塔催化剂TiCl₄-Al(C₂H₅)₂Cl(颗粒状)和聚丙烯按1:1配比充分混合，在平面挤出机上使用单向拉挤方式制备成为宽4cm左右，薄2mm左右的催化剂材料带。

2)对挤包式绝缘电力电缆的工厂软接头连接位置进行加热校直；

3)校直后的电缆去除部分外护套、缓冲层、金属屏蔽层、外半导电屏蔽层、交联聚乙烯绝缘层以及内半导电屏蔽层，至露出一段导体，并用削剥工具将绝缘层削剥为与导体夹角为25°的坡面，并露出20mm的内半导电屏蔽层(俗称制作电缆线芯软接头铅笔头)；

4)将坡面的交联聚乙烯绝缘层打磨为毛面；

5)将裸露的导体进行表面去氧化、防水的处理，用焊接连接的方式连接两根电缆中露出的导体，并将连接后的导体处理至表面光滑无毛刺；

6)使用与内半导电屏蔽层材料一致的半导电屏蔽带恢复内半导电屏蔽层；

7)使用催化剂材料带缠绕在两边的呈坡面的交联聚乙烯绝缘层上，缠绕时，从坡面底部开始，在后的催化剂材料带叠压在前的材料带一半的宽度，依次缠绕，直至缠绕至坡面的顶端，此时应保持缠绕接触面不存在残余空气隙或空气泡；

8)将工厂软接头模具固定在连接后的电缆上，将工厂软接头连接位置置于工厂软接头模具的中间，闭合工厂软接头模具，连接氮气闭合回路，通入2个大气压强的氮气，确保工厂软接头连接绝缘恢复位置即被催化剂材料带缠绕的绝缘层处的空气全部排出；

9)将模具所在位置的电缆连接段加热至180℃；

10)使用小型挤出机将180℃的聚丙烯挤入到工厂软接头模具内，直至聚丙烯从工厂软接头模具的气体排出口排出，并维持工厂软接头模具内的温度为180℃；

11)等待2小时至聚丙烯与交联聚乙烯熔融共聚反应完成；

12)熔融反应完成后自然冷却至常温，待反应部分变为固态后，继续等待24小时；

13)拆除工厂软接头模具，处理新挤出绝缘材料表面至要求的表面洁净度，使用酒精布等材料将绝缘材料表面擦干净，经此处理后的电缆软接头包括新形成的聚丙烯绝缘层，聚丙烯绝缘层与交联聚乙烯绝缘层接触部分为共聚的聚乙烯-聚丙烯共聚物；

14)使用半导电屏蔽带恢复外半导电屏蔽层；

15)恢复电缆金属屏蔽层、缓冲层、外护套。

沿垂直导体的方向刨开制备得到的工厂软接头，观察到电缆原有的交联聚乙烯绝缘层与新形成的聚丙烯绝缘层接触部分无新旧绝缘材料之间的斜线界限，完全实现了电缆本体的交联聚乙烯材料与中间接头的聚丙烯绝缘材料之间的无界面过渡。

实施例3

一种制备电缆工厂软接头的方法，包括以下步骤：

1)将齐格勒-纳塔催化剂TiCl₄-Al(C₂H₅)₂Cl(颗粒状)和聚丙烯按1:1配比充分混合，在平面挤出机上使用单向拉挤方式制备成为宽4cm左右，薄2mm左右的催化剂材料带。

2)对挤包式绝缘电力电缆的工厂软接头连接位置进行加热校直；

3)校直后的电缆去除部分外护套、缓冲层、金属屏蔽层、外半导电屏蔽层、交联聚乙烯绝缘层以及半导电屏蔽层，至露出一段导体，并用削剥工具将绝缘层削剥为与导体夹角为45°的坡面，并露出20mm的内半导电屏蔽层(俗称制作电缆线芯软接头铅笔头)；

4)将坡面的交联聚乙烯绝缘层打磨为毛面；

5)将裸露的导体进行表面去氧化、防水的处理，用焊接连接的方式连接两根电缆中露出的导体，并将连接后的导体处理至表面光滑无毛刺；

6)使用与内半导电屏蔽层材料一致的半导电屏蔽带恢复内半导电屏蔽层；

7)使用催化剂材料带缠绕在两边的呈坡面的交联聚乙烯绝缘层上，缠绕时，从坡面底部开始，在后的催化剂材料带叠压在前的材料带一半的宽度，依次缠绕，直至缠绕至坡面的顶端，此时应保持缠绕接触面不存在残余空气隙或空气泡；

8)将工厂软接头模具固定在连接后的电缆上，将工厂软接头连接位置置于工厂软接头模具的中间，闭合工厂软接头模具，连接氮气闭合回路，通入2个大气压强的氮气，确保工厂软接头连接绝缘恢复位置即被催化剂材料带缠绕的绝缘层处的空气全部排出；

9)将模具所在位置的电缆连接段加热至240℃；

10)使用小型挤出机将240℃的聚丙烯挤入到工厂软接头模具内，直至聚丙烯从工厂软接头模具的气体排出口排出，并维持工厂软接头模具内的温度为240℃；

11)等待2小时至聚丙烯与交联聚乙烯熔融共聚反应完成；

12)熔融反应完成后自然冷却至常温，待反应部分变为固态后，继续等待36小时；

13)拆除工厂软接头模具，处理新挤出绝缘材料表面至要求的表面洁净度，使用酒精布等材料将绝缘材料表面擦干净，经此处理后的电缆软接头包括新形成的聚丙烯绝缘层，聚丙烯绝缘层与交联聚乙烯绝缘层接触部分为共聚的聚乙烯-聚丙烯共聚物；

14)使用半导电屏蔽带恢复外半导电屏蔽层；

15)恢复电缆金属屏蔽层、缓冲层、外护套。

沿垂直导体的方向刨开制备得到的工厂软接头，观察到电缆原有的交联聚乙烯绝缘层与新形成的聚丙烯绝缘层接触部分无新旧绝缘材料之间的斜线界限，完全实现了电缆本体的交联聚乙烯材料与中间接头的聚丙烯绝缘材料之间的无界面过渡。

实施例4

使用聚丙烯颗粒在160℃下制备厚0.5mm，直径150mm的聚丙烯薄膜；

使用聚乙烯颗粒与TiCl₄-Al(C₂H₅)₃(颗粒状)按1:1比例质量比混合，在170℃下制备厚0.5mm，直径150mm的催化剂薄膜；

使用聚乙烯颗粒在160℃下制备厚0.5mm，直径150mm的聚乙烯薄膜；

将聚丙烯薄膜、聚乙烯薄膜及催化剂薄膜按照聚乙烯(下)-催化剂(中)-聚丙烯(上)的顺序叠加在一起，在180℃下热压粘合，保温2小时后，冷却至室温。

对比例1

按照实施例4的方法制备聚丙烯薄膜和聚乙烯薄膜，将聚丙烯薄膜和聚乙烯薄膜按照聚乙烯(下)-聚丙烯(上)的顺序叠加在一起，在180℃下热压粘合，保温2小时后，冷却至室温。

实验例

对实施例4和对比例1制备的粘合后的薄膜进行拉伸测试，测试方法如下：

取粘合后的薄膜，用锋利的薄片刀刃在边缘处沿粘合界面轻轻割开长、深均为1cm的小口，在割开的成两片的薄膜上相对应的位置分别穿孔，分别使用“丁”字形钩子由里至外穿过孔，“丁”字形钩子的横梁卡在孔上，两个钩子固定在拉伸试验仪的上、下夹具上。检查穿孔位置无裂痕等损伤。

使用拉伸试验仪缓慢拉伸两个钩子，慢慢撕开黏合的两张薄膜。记录拉伸力。重复测试3次。

实验结果：

对比例1粘合薄膜的撕裂拉伸力为0.9-1.1N。

实施例4的粘合聚薄膜拉伸力为5-8N。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。