高壓用XLPE的過氧化物交聯制備工藝

摘 要：在電纜領域中，XLPE已經普遍存在。盡管交聯方法各異，但在高壓領域從經濟、技術還是可行性上綜合考慮，過氧化物交聯方法無疑還是最可觀，最實際可行的。文章通過對過氧化物交聯機理的介紹，著重分析在交聯過程中影響生產效率的因素、產生產品質量問題的原因，提出過氧化物交聯的基本工藝要求，希望對生產實際具有一定的指導意義。

關鍵詞：高壓；交聯聚乙烯；過氧化物；制備工藝

引言

紙絕緣電纜曾經在世界電力電纜傳輸中扮演了主要角色。但只能存在于中壓階段，現如今在高壓和超高壓范圍內更趨向于聚乙烯，特別是在高壓區域，如充油電纜，充氣以及壓縮類型的電纜已經逐漸被聚乙烯電纜所取代。因為乙烯長期工作溫度不能滿足日趨提高的電壓等級的需求（見下表），所以采取各種交聯工藝方法對其進行交聯改性。對于高壓及超高壓電纜常常采用過氧化物交聯方法。

1 絕緣材料

聚乙烯（PE）電絕緣性能，耐低溫，易成型加工，足夠的機械強度。

交聯聚乙烯（XLPE）提高耐溫等級，較大的載流量，耐環境應力，抗蠕變，適于高落差與垂直敷設。

2 過氧化物交聯基本原理

過氧化物交聯法又名化學交聯法，通過過氧化物高溫分解而引發一系列自由基反應，使聚乙烯交聯。交聯聚乙烯化學交聯的原理可分為以下過程和步驟：

（1）在聚乙烯樹脂中加入過氧化二異丙苯（DCP），在一定的溫度下DCP分解成氧異丙苯游離基；（2）該游離基奪取碳鍵氫原子，并使聚乙烯分子之間通過C-C結合形成網狀結構，同時由產生的枯基醇繼續反應生成甲烷、水等物質。

過氧化物交聯方法特點：過氧化物體系的交聯聚乙烯的制備方法是最常見的。設備和配混技術與橡膠硫化相似。含有樹脂和化合物的過氧化物，可使用常規的擠出機擠出，但溫度低于過氧化物分解點。大多數常用的過氧化物需要處理的范圍是從240°至260°。連續硫化設備的化合物在高壓蒸汽（約250pa）下擠出到導體上將產生一個為約400°的溫度?？梢允褂酶稍锏牡獨猓诩s150pa的壓力下與硫化劑結合使用時溫度約為650°。這些高溫會導致過氧化氫分解成活性自由基，壓力是必不可少的，以防止空隙的形成。該過氧化物產生的自由基從聚合物中提取氫原子與聚乙烯反應，在聚合物鏈上形成的基團與另一聚合物鏈自由基形成交聯反應。

用過氧化物交聯聚乙烯生產的交聯制品性能比較優異，但在制品的加工過程中，擠出溫度必須保持很低，以便防止其發生預交聯或焦燒現象，從而影響制品的質量甚至損壞設備。該溫度嚴格限制著可交聯聚乙烯的擠出速度，而且在制品擠出成型后，需要在高溫高壓及幾十米長（甚至上百米）的專用管道中進行交聯反應，設備占據空間大，消耗能量大，生產效率低，因此限制了該技術在中小型生產企業中的應用。近年來，采用交聯劑與助交聯劑并用可以顯著地提高交聯效果。使用助交聯劑可以提高交聯度，降低降解幾率，并可適當降低交聯劑的用量。

3 影響交聯電纜生產效率的因素

3.1 交聯度的控制——考核交聯電纜是否合格的兩個重要指標是延伸率和永久變形，他們的技術要求分別為≤175%和≤150%。影響交聯度的主要因素有兩個，即溫度和壓力，因此提速后為保證交聯度，我們可以采取如下方法：

提高交聯管道的溫度（≤175℃）；計算出交聯線芯的最高線速度（熱延伸70%～100%）。

3.2 擠出機機身溫度的影響——交聯速度提高造成機身溫度過高后，如果冷卻不下來會影響產品質量，故良好的機身冷卻系統是能否提速的關鍵，同時冷卻系統應溫度溫和，不可對機身產生忽冷忽熱現象，否則將產生嚴重影響擠出機的出膠量的穩定。

3.3 良好的擠出緊急冷卻系統——出膠量的多少是影響生產速度的關鍵因素，而螺桿轉速又是影響出膠量的關鍵因素，因此速度的提高取決于螺桿的加快，但是螺桿轉速越快對螺筒內的交聯聚乙烯料多的剪切作用也越強烈，這樣會使機身局部溫度升高，可能導致老膠的出現，且溫度升高嚴重時還會使交聯聚乙烯料在機筒內先期交聯，從而影響產品的質量。

3.4 設備的穩定性——生產速度的提高對設備穩定性的影響表現在使設備的震動加劇，特別是牽引，如果震動太過強烈則會使進入機頭的導電線芯產生轟動，導致擠制絕緣后竹節或偏心的出現，從而影響產品的質量。

3.5 交聯管的懸垂控制系統的改——交聯生產提速后，必須有靈敏的懸垂控制系統，否則容易使交聯擦傷絕緣線芯，影響產品質量。

4 交聯的主要質量缺陷

交聯度（熱延伸）不合格——交聯度達不到標準，則電纜的熱-機械性能不合格，不能滿足工作溫度90℃的要求。產生的原因：（1）交聯配方不合理；（2）硫化工藝不當（氣壓過低、線速度過大、冷卻水溫度過高）。

結構及外觀不合格：（1）厚度最薄點低于標準規定的最小值或者平均厚度低于標稱值；（2）偏芯。

竹節狀：（1）電氣，機械系統原因；（2）模芯太小或者套體外徑不均勻。

表面劃傷：（1）電纜在硫化管中碰壁或有異物；（2）模套外邊緣有焦燒物。

雜質：（1）混料時和擠出機加料過程中帶入；（2）焦燒疙瘩。

氣泡：（1）擠出磨具；（2）料中有水分；（3）冷卻不充分（距線芯等距的圓周上出現一圈氣泡）。

電纜性能不合格：（1）游離放電和介質損耗不合格；（2）電纜絕緣擊穿墊層擊穿——鋼帶有毛刺、卷邊，刺破墊層。

5 過氧化物交聯工藝的基本要求

5.1 絕緣無微孔，水含量低：采用全干式交聯和冷卻系統。高壓超高壓電纜采用氣冷，中壓電纜可采用閉路循環系統進行水冷。

5.2 層間界面光滑：避免絕緣加速老化和水樹的產生。

5.3 較好的同心度：導體與保護層橫截面應同軸對稱。

5.4 雜質控制。

5.5 減少絕緣內的機械應力。

5.5.1 采用在線松弛裝置，把冷卻后的電纜再加熱，消除熱應力。

5.5.2 適當降低交聯溫度，加長預冷管長度，減慢冷卻速度，使絕緣向導體中心收縮，消除絕緣與導體間的應力。

5.6 除去絕緣中的氣體

35kv及以下的絕緣電纜，線芯交聯完成后，只需在常溫下放置一段時間即可。110kv、220kv級以上電纜，應把線芯送到烘房進行除氣。

參考文獻

[1]韓寶忠.電纜材料新技術[A].2011中國塑協塑料技術協作委員會年會·技術交流會，2011.

[2]楊永柱.高壓電纜絕緣用可交聯聚乙烯結構、性能及交聯過程的研究[D].浙江大學，2010.

[3]姜日洪.交聯聚乙烯電力電纜線路[M].北京：中國電力出版社，2009（5）.

[4]甘興忠.電線電纜絕緣交聯聚乙烯交聯工藝的分析和對比[J].電線電纜，2008（2）.

[5]顧炯，韓高寶.交聯聚乙烯絕緣電纜交聯工藝介紹及應用[J].建筑電氣，2010（5）.