變頻電機電線電纜用熱塑性樹脂的研究進展

溫慧慧，張 進

（1.重慶文理學院，重慶市 402160；2.國網重慶市電力公司電力科學研究院，重慶市 401123）

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變頻電機電線電纜用熱塑性樹脂的研究進展

溫慧慧1，張 進2

（1.重慶文理學院，重慶市 402160；2.國網重慶市電力公司電力科學研究院，重慶市 401123）

摘 要：綜述了變頻電機電線電纜用熱塑性樹脂的研究進展。用高密度聚乙烯制備的電纜料的加工性能好、流動性能好，滿足在高速擠出生產線上生產絕緣料對技術、產品加工性能的特殊要求。由于環保要求提高，聚氯乙烯（PVC）材料造成的環境問題使我國PVC電纜料的發展呈下降趨勢；但用PVC制備的電纜價格低廉、阻燃性好、電絕緣性好，所以短期內無法完全禁止PVC的使用。聚丙烯具有良好的耐高溫性能且易于加工，環境濕度、溫度的變化不會影響聚丙烯的電性能，因此，聚丙烯是電纜料中不可或缺的重要組成部分。未來還需開發符合歐盟標準的環保PVC電纜料及其他高端電纜料。

關鍵詞：電纜料 聚乙烯 聚丙烯 聚氯乙烯 變頻電機

1 變頻電機用聚乙烯電纜料

1.1 聚乙烯高速擠出電纜料

任峰等［1］研究了中國石油天然氣股份有限公司（簡稱中國石油）蘭州石化分公司生產的電纜絕緣專用高密度聚乙烯（HDPE）L4200的結構與性能，并與國內同類樹脂進行了對比。結果表明： L4200的流動性較好，易于加工；模口擠出膨脹較小，相對分子質量分布更寬。加工應用表明，L4200可用于電纜的生產。中國石化揚子石油化工有限公司通過對HDPE裝置的生產工藝進行適當調整，生產了相對分子質量分布呈雙峰（簡稱雙峰）的聚合級HDPE，加入專用助劑進行造粒，即可制備加工性能好、綜合性能強、流動性顯著提高的電纜絕緣專用HDPE 5310E［2］。中國石油化工股份有限公司齊魯分公司開發了絕緣電纜專用HDPE QHJ01［3-4］。QHJ01使用改性W鉻系催化劑，生產QHJ01的工藝條件為：反應壓力2.0 MPa，反應溫度90～100 ℃，氫氣與乙烯摩爾比0.01～0.10，共聚單體與乙烯摩爾比0.01～0.07，相對分子質量調節劑與乙烯摩爾比（0～20）×10-6。該產品可替代美國UCC公司生產的HDPE DGDK3364高速擠出電纜絕緣料。中國石油大慶石化分公司開發了電纜絕緣基礎樹脂HDPE 5300E［5］，采用串聯方式生產。第一聚合反應器中生產高熔體流動速率（MFR）的聚乙烯漿液，聚乙烯漿液經閃蒸脫除未反應的氫氣和乙烯，進入第二聚合反應器中繼續反應；控制第二聚合反應器中乙烯進料比及產物的相對分子質量，使第二聚合反應器中聚乙烯的MFR較第一聚合反應器中的低，即可生產雙峰HDPE 5300E。該樹脂可以滿足在高速擠出生產線上生產絕緣料對技術、產品加工性能的特殊要求。

1.2 交聯聚乙烯（XLPE）電纜絕緣料

最常用的電纜絕緣層交聯材料是XLPE。交聯工藝主要有過氧化物化學交聯、輻照交聯、硅烷交聯等，其過程是將線型分子結構的聚乙烯通過特定的加工方式，使其形成體型網狀結構。生產過程中應注意絕緣中的熱應力對電纜使用壽命和質量的影響［6］。

1.2.1 過氧化物化學交聯法

過氧化物交聯法是聚乙烯分子在過氧化物存在條件下高溫分解發生一系列自由基聚合，產生交聯。常用的交聯劑有過氧化二異丙苯（DCP）和過氧化苯甲酰等。DCP的分解速率可控，生成的副產物少，廣泛應用于改性聚乙烯，具有經濟優勢。

楊永柱等［7］選用國產低密度聚乙烯（LDPE）作為基礎樹脂制備XLPE。國產LDPE的技術指標典型值是：密度0.921 g/cm3、熔點108 ℃、拉伸屈服應力10 MPa、MFR 2.30 g/10 min、介電常數2.21、斷裂拉伸應變500％。將LDPE，DCP，抗氧劑300按質量比為100.0∶2.0∶0.5混合。先將LDPE與抗氧劑300按配比在160 ℃下用雙螺桿擠出機共混，轉速33 r/min；將所得共混物干燥后與交聯劑DCP按配比用雙螺桿擠出機共混，共混溫度115℃，轉速20 r/min；再經后處理，所制XLPE的綜合性能與國外進口110 kV的電纜料相近。劉善秋［8］使用中國石化上海石油化工股份有限公司生產的密度為0.94 g/cm3，MFR為10.79 g/10 min的LDPE Q281為基體樹脂，DCP為交聯劑，生產了XLPE并研究了其性能。結果表明：DCP含量不同，XLPE的交聯密度與交聯度不同；交聯反應的活化能基本不受DCP用量的影響，反應趨于一級反應；DCP用量增加，XLPE的拉伸強度、凝膠含量和交聯密度增大，而結晶度、斷裂伸長率、結晶溫度以及熔融溫度卻隨DCP用量的增加而降低；XLPE的交聯度達到最大值時，w（DCP）為2.0％。

1.2.2 輻照交聯法

高能電子束輻照聚合物時，首先破壞聚合物的化學鍵，然后形成新分子鏈結構的聚合物。對于聚乙烯，輻照交聯法是通過高能射線打斷聚乙烯中碳氫鍵和碳碳鍵，產生自由基引發交聯，生成三維網狀結構。輻照交聯過程中不使用交聯劑，交聯反應可在室溫條件下進行。因此，可在制品成型后進行交聯，交聯制品外形以及交聯前后晶體結構基本不發生變化。用于輻照交聯的高能輻射源主要有高能電子束、X射線、γ射線及中子射線等，生產設備昂貴，操作和維護技術較復雜。為使XLPE內部形成足夠的交聯度，不同牌號的聚乙烯都應有最佳輻照劑量，還需保證輻照后聚乙烯的力學性能變動不大［9］。陳仁慈等［10］以上海金山石化股份有限公司生產的LDPE 2F2A和中國石油大慶石化分公司生產的LDPE 19E為原料制備XLPE，輻照劑量為80～300 kGy。結果表明：XLPE的凝膠含量隨輻照劑量增加而增大，但不具有線性關系；凝膠含量在輻照劑量達到一定程度時趨于平緩；交聯劑質量分數為0.5％～1.5％時，輻照劑量減少近1/2而凝膠含量保持恒定；抗氧劑質量分數為0.2％～0.6％時，對輻照劑量和凝膠含量影響不大；聚乙烯經過電子束輻照交聯后，體積電阻率略有下降，而介質強度有微弱增大。

1.2.3 硅烷交聯法

硅烷交聯法是將硅烷先接枝到聚乙稀分子主鏈上，再在溫水和催化劑的作用下，引發硅氧烷鍵交聯而得到XLPE的一種方法。硅烷交聯工藝分為一步法和二步法。采用硅烷自然交聯法可使聚乙烯在自然條件下完成交聯，提供了比溫水交聯更簡便可行的交聯方式。

祁建強等［11］將40.00 phr乙烯-α-烯烴共聚物、1.20 phr不飽和硅烷、0.08 phr接枝引發劑在高速混合機中混合后加入雙螺桿混煉擠出機中造粒，干燥后得到硅烷接枝聚烯烴彈性體；再將20.00 phr LDPE，0.60 phr不飽和硅烷，0.04 phr接枝引發劑經攪拌，擠出，干燥后得到硅烷接枝的線型低密度聚乙烯（LLDPE）；將140.00 phr阻燃劑放在高速混合機中，高速混合機內溫度不低于80 ℃；將41.28 phr硅烷接枝聚烯烴彈性體、20.64 phr硅烷接枝的LLDPE、10.00 phr功能化聚烯烴樹脂、20.00 phr乙烯–乙酸乙烯共聚物（EVA）、1.50 phr抗氧劑、4.00 phr加工助劑在高速混合機中混合3～5 min；混合后的物料經擠出，干燥，得到在室溫條件下可交聯的低煙無鹵阻燃硅烷交聯電纜料。

1.3 阻燃聚乙烯電纜料

易燃的高分子電纜料在傳輸電能過程中常因自身發熱或外部火災而引起燃燒。用于電纜料的無鹵阻燃體系添加的阻燃劑主要有金屬水合物、膨脹型阻燃劑、無機磷系阻燃劑等。金屬水合物受熱分解時會產生結晶水，水蒸氣可以隔絕空氣，稀釋可燃氣體濃度，而且生成的耐熱金屬氧化物能催化聚合物發生熱氧交聯，在聚合物表面形成一層炭化膜，使用較多的有Al（OH）3，Mg（OH）2。膨脹型阻燃劑是以磷、氮為主要組分的阻燃劑，受熱時，表面能形成一層致密的泡沫炭層，可以抑煙、隔氧、隔熱，并且還能防止熔融滴落。傳統的膨脹型阻燃劑由聚磷酸銨（APP）、多元醇及三聚氰胺復合而成。無機磷系阻燃劑包括APP、磷酸、紅磷等。在阻燃劑使用的同時還需加入協效阻燃劑，通常是硼化物、金屬氧化物、有機硅化物［12］。

柳先友等［13］以Al（OH）3為主阻燃劑，聚硅氧烷為協效阻燃劑，LDPE為基體樹脂，配合適當比例的EVA和乙烯-丙烯酸乙酯共聚物，采用多組分協效阻燃體系制備了綜合性能優良的無鹵阻燃電纜料。丁艷［14］以LLDPE和 EVA為基體樹脂、Al（OH）3為阻燃劑、白炭黑為協效阻燃劑、馬來酸酐接枝LLDPE為相容劑制備了低煙無鹵阻燃LLDPE/EVA護套料。結果表明：白炭黑可以提高共混物的極限氧指數，是因為它能在共混物表面形成玻璃態無機炭化層，當白炭黑質量分數為Al（OH）3的10％時，LLDPE/EVA共混物的極限氧指數為33.3％；當m（LLDPE）∶m（EVA）為20∶80時，共混物的拉伸強度為11.4 MPa，斷裂伸長率為300％。王永常等［15］以HDPE/EVA共混物為基體樹脂、Mg（OH）2為阻燃劑并添加質量分數為5％～8％的微膠囊化紅磷作輔助阻燃劑，采用電子束輻照交聯工藝制備的電纜料極限氧指數達到32.0％以上，主要性能指標達到耐125 ℃輻照交聯無鹵低煙阻燃聚烯烴絕緣料國家標準和歐盟標準的要求。石磊等［16］采用LDPE/EVA共混物為基體樹脂，主阻燃劑使用Mg（OH）2，研究了添加乙烯-1-辛烯共聚物和有機蒙脫土（OMMT）對電纜料力學性能和阻燃性能的影響，并利用γ射線輻照交聯技術，探討了輻照劑量對共混物力學性能和阻燃性能的影響。結果表明：當輻照劑量為90～100 kGy時，m（LDPE）∶m（EVA）∶m［Mg（OH）2］∶m（OMMT）為50∶50∶60∶4的共混物的極限氧指數超過32.0％，拉伸強度為11.0 MPa，斷裂伸長率超過900％。

2 變頻電機用聚氯乙烯（PVC）類電線電纜料

PVC電線電纜一般適用于交流450/750 V及以下動力裝置的固定敷設。由于環保要求提高，PVC材料造成的環境問題使我國PVC電線電纜料的發展逐漸呈下降趨勢；但用PVC制備的電線電纜價格低廉，阻燃性好，電絕緣性好，耐油、耐化學試劑等，且制備工藝簡單，所以短期內無法完全禁止PVC的使用。

PVC電線電纜料是由PVC、穩定劑、增塑劑、填充劑、潤滑劑、抗氧劑、著色劑等制備。按比例將這些原料在高速攪拌下混合，再冷混并用螺桿擠出機造粒，產品經過后處理得到PVC電線電纜料［17］。PVC電線電纜料的質量問題通常表現在產品內部有氣泡、塑化缺陷及外來雜質，電線電纜在最薄點被擊穿等。為保證PVC電線電纜的綜合性能，在原料選擇上，應首先考慮PVC的相對分子質量，還要注意控制原料中雜質數量及水分含量等。如70 ℃絕緣級電纜料推薦選擇水分及揮發物質量分數小于0.5％，并且100 g樹脂中黑黃點總數不大于30個的PVC。增塑劑用量對PVC電線電纜料的電性能和力學強度有顯著影響。使用主增塑劑（如鄰苯二甲酸二辛酯、鄰苯二甲酸二異癸酯、鄰苯二甲酸二異壬酯等）配以低揮發性的輔助增塑劑（如對苯二甲酸二異辛酯、鄰苯二甲酸二異辛酯、偏苯三酸三辛酯等），可以顯著提高PVC電線電纜料在較高溫度條件下的耐熱性能；加入Ca/Zn復合穩定劑或稀土穩定劑可提高PVC電線電纜料的熱穩定性；加入適量無機填料（如CaCO3）可使產品具有一定的強度和硬度，同時降低成本［18］。為加強PVC電線電纜料的阻燃抑煙性能，可以用阻燃增塑劑（如三芳基磷酸酯和烷基二芳基磷酸酯，加入氯化石蠟作為協效增塑劑）替代常規增塑劑。聶紅云等［19］研究了納米三氧化二銻、普通微米級三氧化二銻及納米三氧化二銻/硼酸鋅復配阻燃劑對PVC電線電纜料阻燃性能及力學性能的影響。結果表明：當極限氧指數為35.0％時，納米三氧化二銻的添加量比微米級三氧化二銻減少20％。納米三氧化二銻/硼酸鋅復配阻燃劑導致材料的極限氧指數降低，但生煙量與生產成本降低。

3 變頻電機用聚丙烯電纜料

聚丙烯具有良好的耐高溫性能，是非極性高分子材料，電絕緣性和耐電弧性優秀，電場頻率以及環境濕度、溫度的變化不會影響聚丙烯的電性能，并且易于加工。因此，聚丙烯是電纜料中不可或缺的重要組成部分。

何成龍等［20］公開了一種耐高溫無鹵阻燃聚丙烯電纜料的制備方法。原料組成為：三元乙丙橡膠30.0 kg，聚丙烯20.0 kg，天然橡膠6.0 kg，二元氟醚橡膠6.0 kg，APP 28.0 kg，聚二甲基硅氧烷1.0 kg，直鏈烷烴油5.0 kg，過氧化乙丙基碳酸叔丁酯0.4 kg，磷酸二氫銨2.0 kg，三聚氰胺氰尿酸鹽1.0 kg，磷酸酯1.0 kg，硬脂酸2.0 kg，聚四氟乙烯1.0～2.0 kg，改性填料9.0 kg，苯甲烷雙馬來酰亞胺0.5 kg。將各組分在高速混合機中混合均勻，再在150～180 ℃的條件下經密煉，擠出，磨面熱切造粒，振動篩篩分，得到耐高溫無鹵阻燃聚丙烯電纜料。吳芳芳等［21］公開了一種柔軟聚丙烯電纜護套料的制備方法。其中的一組原料組成為：低流動性聚丙烯（MFR≤0.50 g/10 min）100.00 phr，柔性改性劑聚烯烴彈性體70.00 phr，潤滑劑聚乙烯蠟1.20 phr，抗氧劑1010 0.50 phr，抗銅劑1024 0.40 phr。將各組分在高速混合機中充分混合后，在混煉型雙螺桿擠出造粒機中擠出造粒，擠出工藝溫度為：加料段160 ℃、混料段190 ℃、擠出造粒段200 ℃、機頭部分210 ℃。經造粒，干燥后得到具有良好耐低溫性能和柔韌性能的聚丙烯電纜護套料，并改善了聚丙烯電纜料原有的抗應力發白現象。

4 結語

近年來，我國變頻電機用電纜料生產企業有了很大的發展，特別是一些民營企業，在生產規模、產品結構調整及新產品開發上順應市場需求，有很大的提高。國內電纜料行業的發展水平與國外的差距越來越小，各種高性能、環保阻燃電纜料被開發出來。未來還需開發符合歐盟標準的環保PVC電線電纜料及其他適應特殊環境要求、具有特殊功能的高端電纜料。

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Research progress in thermoplastic resin for wire and cable of variable frequency motor

Wen Huihui1，Zhang Jin2
（1. Chongqing University of Arts and Sciences，Chongqing 402160，China；2. State Grid Chongqing Electric Power Research Institute ，Chongqing 401123，China）

Abstract：This paper provides an overview of progress in thermoplastic resin for wire and cable of variable frequency motor. The cable fabricated from high density polyethylene features good performance in processing and mobility，it meets the technical and products requirements of high speed extrusion production line that produces insulating material. The environmental problems caused by polyvinyl chloride（PVC）delays its development in cable material with the stricter environmental regulations； while the cable made from PVC cannot be disabled in a short time due to its properties such as electrical insulation，flame retardation and low costs. Polypropylene on the other hand works well in high temperature resistance and processing，the changes of humidity and temperature exert no impact on its electrical properties，which makes it a common choice in cable material. Environmental friendly PVC cable materials in accordance with EU standards need to be developed in future as well as other high-end cable materials.

Keywords：cable material；polyethylene；polypropylene；polyvinyl chloride；variable frequency motor

作者簡介：溫慧慧，女，1988年生，碩士，助教，2013年畢業湖南大學電氣工程專業，現主要從事電機、電力系統方面的研究工作。E-mail：wenhuihui0118@126.com；聯系電話： 18883801013。

收稿日期：2015-10-29；修回日期： 2016-01-20。

中圖分類號：TQ 322.4+2

文獻標識碼：A

文章編號：1002-1396（2016）02-0092-04