专利名称：一种快速检测交联聚乙烯电缆绝缘料结构的方法
技术领域：
本发明涉及一种快速检测交联聚乙烯电缆绝缘料结构的方法，属于聚合物结构表征领域。
背景技术：
超洁净交联聚乙烯绝缘电缆与充油电缆相比具有结构简单、生产工序少、生产速度快、制造周期短、电缆重量轻、安装使用方便、利于大规模生产等优点，完全克服了充油电缆难以解决的高落差敷设问题，特别是没有因漏油而引发重大火灾的危险。交联聚乙烯绝缘电缆的工作温度可达90°C，同样载流量导体截面可减小一至二级，可节约导体20% 30 %，成本也低。因此，随着材料工业及相关产业的不断发展，近年交联聚乙烯电缆在各个电压等级均可取代传统充油绝缘电力电缆，成为市场主导。为了提高电能的输送效率，减少电能损失，高压、超高压输电是必然趋势，这对以聚乙烯为主体的绝缘料提出了更高的要求。交联聚乙烯绝缘料用基础树脂主要为低密度聚乙烯。其作为绝缘料虽具有优良的电气性能，但热变形温度较低，大约为70°C左右，因此，当电缆通过较大的电流时，绝缘层就会熔融变形。如果加入交联剂使直链状的聚乙烯分子交联形成三维网络结构，就可以改善聚乙烯的耐热变形性能、耐老化性能和机械性能，而又几乎不损坏原有的电气性能，因此对聚乙烯交联技术的研究具有特别重要的意义。一般地，聚乙烯分子的短支链含量越高，交联剂含量越高，聚乙烯交联度就越高，其高温抗变形能力越好。但是当加入交联剂过多时， 残留在电缆料中的交联剂会分解，其产物可造成交联聚乙烯结构松软，同时交联度过高也会使抑制聚乙烯分子结晶，从而晶片变�。峋Ф冉档停送舛讨Я春抗咭不峤档徒峋Ф龋庑┒蓟嵊跋炱涑Ｎ孪碌幕敌阅�。此外，引入过多的杂质将严重影响其电性能。因此，采用一种能及时、简便且有效地表征交联聚乙烯电缆绝缘料结晶结构和交联度的方法， 对于控制聚乙烯基料的分子结构，调整交联剂和抗氧剂的种类和复配方式，制备综合性能良好的聚乙烯电缆绝缘料都具有极其重要的意义。目前针对交联聚乙烯电缆绝缘料结晶结构和交联度的表征方法比较少，主要包括X-射线衍射方法、差示扫描量热法、通过测量凝胶含量或溶胀比间接研究产品的交联度。李光等利用X-射线衍射方法研究了熔融辐照交联结晶聚乙烯的晶胞结构变化规律。并得到了垂直(110)晶面方向微晶尺寸随辐射照剂量变化的关系。结果表明晶格尺寸和缺陷随交联度增加而增长。而这一规律对聚乙烯基料聚合工艺以及对电缆绝缘料设计的实际意义有待进一步研究。此外朱爱荣等也采用X射线衍射方法研究了 IlOkv交联聚乙烯电缆绝缘层的结晶结构。首先将绝缘料、导体屏蔽料、绝缘屏蔽料在95 120°C的熔融温度下同心圆式挤包到导体上，然后进入350°C左右高温、IMPa以上压力、有氮气保护的交联管道内完成交联，最后冷却接近室温时收线。结果表明电缆工艺中的热历史会造成超高压交联电缆绝缘层各部分结晶形态分布不均，中层聚集态结构均勻性较好，内层外层结晶程度低于中层。然而在结晶程度相近的情况下，微观的晶片厚度及其分布也可能存在很大的差别，这些都会影响交联聚乙烯的机械性能，有必要通过其他方法对其微观结晶结构进一步表征分析。陈大俊等通过差示扫描量热法研究了交联聚乙烯的结晶行为及其非等温结晶动力学。结果表明，过氧化二异丙苯(DCP)的交联作用对聚乙烯的结晶行为影响较大，与纯聚乙烯相比，在DCP用量较低时，交联聚乙烯的结晶峰向低温方向移动，结晶温度随着DCP用量的增加而降低，但继续增加DCP的用量，结晶温度反而会增加。目前这种现象对聚乙烯的实际交联过程的指导意义有待深入研究。龚方红等人分别采用硅烷交联法和过氧化物交联法制备了交联聚乙烯试样，通过测定凝胶含量和平衡溶胀等间接表征了两种试样的交联程度。结果表明凝胶含量基本相同的硅烷交联聚乙烯和过氧化物交联聚乙烯的性能存在着很大的差异，而且二者的结晶行为和结晶度也有很大的差异。可见单一的方法很难真实、准确地表征产品的结构，方法之间综合分析非常重要。上述测量聚乙烯交联度的方法都是间接的表征方法，有必要应用一种更直接的方法表征产品的交联度。此外在进行平衡溶胀测量时，往往都采用易挥发性的有机溶剂，因此测量结果的重复性较差。综上所述，现有表征技术虽然可以一定程度地反映出交联聚乙烯电缆料的结晶结构和交联度，但是还存在着表征方法不直接，方法之间的结合不够，实验周期长，重复性差等诸多缺点。
发明内容
本发明是针对上述现有技术存在的不足而提供的一种快速检测交联聚乙烯电缆绝缘料结构的方法。其特点是通过多步热处理热分级法测试具有不同配方的交联聚乙烯电缆料的结晶度、晶片厚度及其分布，然后通过动态力学方法测试具有不同配方的交联聚乙烯在高温条件下(晶体完全熔融)的弹性模量和缠结密度，在190°C时交联聚乙烯的晶区完全熔融，在此条件下的弹性模量和缠结密度完全是交联作用的贡献。本发明的目的由以下技术措施实现，其中所述原料份数除特殊说明外，均为重量份数。快速检测交联聚乙烯电缆绝缘料结构的方法包括以下步骤1、热分析(1)差示量热扫描仪分析称取5 6mg交联聚乙烯电缆料预混料，在温度187 192°C恒温4 IOmin消除热历史，以7 12°C /min的速率降温至25 33°C，恒温1 5min，以7 12°C /min的速率升温至187 192°C，记录降温结晶和升温熔融曲线；(2)多步热处理热分级法分析将样品采用相同的热分级方法第一个热处理温度Tsl = 128 135°C，ΔΤ = 4 8°C，在每个热处理温度Ts下停留时间8 12min，热分级程序中升温或降温速率都是7 12°C /min,当样品在最后一个热处理温度Ts = 50 56°C下停留8 iaiiin后，降温至28 33°C，恒温1 5min，以7 12°C /min的速率升温至187 192°C ；(3)理论计算使用Thomson-Gibbs方程(1)和统计学公式O) _ ，对热分级实验结果进行进一步计算，得到样品的晶片厚度分布曲线、数均晶片厚度Ln、重均晶片厚度Lw、晶片分布系数 I，
权利要求
1. 一种快速检测交联聚乙烯电缆绝缘料结构的方法，其特征在于该方法包括以下步骤1)热分析(1)差示量热扫描仪分析称取5 6mg交联聚乙烯电缆料预混料，在温度187 192°C恒温4 IOmin消除热历史，以7 12°C /min的速率降温至25 33°C，恒温1 5min，以7 12°C /min的速率升温至187 192°C，记录降温结晶和升温熔融曲线；(2)多步热处理热分级法分析将样品采用相同的热分级方法第一个热处理温度Tsl = 128 135°C，ΔΤ = 4 8°C， 在每个热处理温度Ts下停留时间8 12min，热分级程序中升温或降温速率都是7 12°C / min,当样品在最后一个热处理温度Ts = 50 56°C下停留8 iaiiin后，降温至沘 33°C， 恒温1 5min，以7 12°C /min的速率升温至187 192°C ；(3)理论计算使用Thomson-Gibbs方程(1)和统计学公式O) 44)，对热分级实验结果进行进一步计算，得到样品的晶片厚度分布曲线、数均晶片厚度Ln、重均晶片厚度Lw、晶片分布系数I，
2.如权利要求1所述快速检测交联聚乙烯电缆绝缘料结构的方法，其特征在于交联聚乙烯电缆料由以下组分组成，按重量计为聚乙烯94. 7 100份抗氧剂0. 3 O份交联剂5. O O份其中，聚乙烯为市售低密度聚乙烯
3.如权利要求2所述述快速检测交联聚乙烯电缆绝缘料结构的方法，其特征在于抗氧剂为4-羟甲基-2，6-二叔丁基苯酚、亚磷酸三(2，4_ 二叔丁基苯基)酯、2，6_ 二叔丁基-4-乙基苯酚或甘醇双-3-(3-叔丁基-4-羟基-5-甲基苯基)丙酸酯中的任一种。
4.如权利要求2所述快速检测交联聚乙烯电缆绝缘料结构的方法，其特征在于交联剂为过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酰、二叔丁基过氧化物或2，5- 二甲基-2，5 二叔丁基过氧化己烷中的任一种。
5.如权利要求2 4之一所述快速检测交联聚乙烯电缆绝缘料结构的方法，其特征在于交联聚乙烯电缆料的制备方法包括以下步骤将94. 7 100份聚乙烯、0. 3 O份抗氧剂、5. O O份交联剂置于密炼机中，于温度 110 118°C，30 50转/分，共混6 9min后出料，获得交联聚乙烯电缆预混料。
全文摘要
本发明公开了一种快速检测交联聚乙烯电缆绝缘料结构的方法，其特点是通过热分级方法检测交联聚乙烯电缆料的结晶度、晶片厚度及其分布，通过动态力学方法检测交联聚乙烯电缆料在高温条件下的弹性模量和缠结密度，综合这两种方法提供一种简单、有效的检测交联聚乙烯电缆绝缘料结构的方法。采用本发明方法为改进聚乙烯基料的聚合工艺和调整聚乙烯电缆绝缘料配方提供理论依据。本发明实验过程简便，结果灵敏、准确，重复性好。
文档编号G01B21/08GK102183539SQ20111005400
公开日2011年9月14日 申请日期2011年3月7日 优先权日2011年3月7日
发明者亢健, 向明, 曹亚, 杨峰, 盖景刚, 蓝方, 蔡燎原 申请人:四川大学
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