聚乙烯復(fù)材礦用電纜的拆卸搬運存放技術(shù)與老化影響研究

摘 要：針對礦用電纜的拆卸搬運存放技術(shù)對電纜老化和損壞的影響，提出以低密度聚乙烯（LDPE）為基體，KH-570型硅烷偶聯(lián)劑改性SiO2納米粉為導(dǎo)熱填料，丙烯酸縮水甘油酯（PE-g-GMA）為相容劑制備一種性能更好的礦用電纜材料。試驗結(jié)果表明，材料各性能隨KH-570型偶聯(lián)劑含量的增加先升后降，最佳KH-570摻量為0.6%；PE-g-GMA可以增強材料綜合性能，最佳PE-g-GMA含量為3%；在老化試驗后，以最佳摻量制備的LDPE復(fù)合電纜材料拉伸強度為15.6 MPa，彎曲強度為13.9 MPa，擊穿電壓為33.4 kV/mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.698 W/（m·K），材料綜合性能依然較好。試驗制備的LDPE復(fù)合電纜材料具備良好的綜合性能。

關(guān)鍵詞：礦用電纜；低密度聚乙烯；硅烷偶聯(lián)劑；相容劑；強度

中圖分類號：

TQ317.6

文獻標(biāo)志碼：

A文章編號：

1001-5922（2024）01-0157-04

Study on the disassembly handling storage technology and aging effect of polyethylene composite mine cable

ZHANG Lijun1，QIAO Dongqing2，

Humujilitu1

（1.Guoneng Zhuneng Group Co.，Ltd.，Science and Technology Research Institute，Ordos 010300，Inner Mongolia China;

2.Guoneng Zhuneng Group Co.，Ltd.，Heidaigou Open pit Coal Mine，Ordos 010300，Inner Mongolia China）

Abstract：In view of the influence of disassembly，handling and storage technology of mine cables on the aging and damage of cables，a mine cable material with better performance was prepared by using low density polyethylene （LDPE） as matrix，KH-570 silane coupling agent modified SiO2 nano powder as thermal conductive filler，and glycidyl methacrylate （PE-g-GMA） as compatibilizer.The experimental results showed that the properties of the material first increased and then decreased with the increase of the content of KH-570 coupling agent，and the optimal content of KH-570 was 0.6%;PE-g-GMA enhanced the comprehensive properties of the material，and the optimal PE-g-GMA content was 3%;After the aging test，the tensile strength，flexural strength，breakdown voltage，and thermal conductivity of the LDPE composite cable material prepared with the optimal dosage were 15.6 MPa，13.9 MPa，33.4 kV/mm，and 0.698 W/（m·K），respectively.The overall performance of the material was still good.The LDPE composite cable materials prepared in this test have good mechanical properties.

Key words：mine cables;low density polyethylene;silane coupling agent;compatibilizer;strength

針對礦用電纜的拆卸搬運存放過程中，電纜易損壞的問題，還應(yīng)該從材料本身的性能入手。對此，吳惠民通過在電纜材料中加入自制的球形納米Al2O3和自制阻燃劑，制備了一種改性聚丙烯電纜保護管，以提高材料耐磨阻燃性能［1］。而馬萬里等采用有機硅樹脂對聚氯乙烯（PVC）進行改性，制備了一種改性PVC電纜材料，并對其性能進行研究［2］。除此之外，張前程等以乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）為主要原料，制備了一種50%無機物含量的改性電纜材料［3］。以上學(xué)者的研究，都為電纜材料性能優(yōu)化提供了思路和方向。基于此，試驗通過不同摻量的KH-570型硅烷偶聯(lián)劑改性SiO2納米粉，并以改性SiO2納米粉為導(dǎo)熱填料，再加入不同摻量的相容劑丙烯酸縮水甘油酯（PE-g-GMA），制備一種低密度聚乙烯（LDPE）導(dǎo)熱絕緣高性能復(fù)合材料，并研究其抗老化、抗破損的能力。

1 試驗部分

1.1 材料與設(shè)備

主要材料：低密度聚乙烯（工業(yè)純，上海康梅梅塑膠，LDPE）；無水乙醇（化學(xué)分析純，濟南明星化工）；SiO2納米粉（工業(yè)純，東莞市富豪性材料）；丙烯酸縮水甘油酯（工業(yè)純，山東鴻潤化工，PE-g-GMA）；1098型抗氧劑（工業(yè)純，江蘇迪陽新材料科技）；KH-570型硅烷偶聯(lián)劑（化學(xué)分析純，河南米蘭達(dá)化工產(chǎn)品）。

主要設(shè)備：AC-150-25D擠出機（常州安誠線纜機械）；ZGH-350型高速混合機（常州市貝長機械設(shè)備）；JA203P型電子天平（上海根拓機電）；DZF6090BZ型干燥箱（紹興博緯儀器設(shè)備）；HH-501型水浴鍋（常州鴻澤實驗科技）；TZ-850C型注塑機（東莞市臺鑄精密機械）；ＴＣＤＲ－３００型導(dǎo)熱系

數(shù)測試儀（河北億啟順試驗儀器）；ＫＤＺＤ型電壓擊穿測試儀（武漢凱迪正大電氣）。

1.2 試驗方法

1.2.1 礦用電纜復(fù)合材料的制備

1.2.1.1 改性SiO2納米粉的制備

（1）用電子天平稱取適量的蒸餾水和KH-570型偶聯(lián)劑，其中，水與偶聯(lián)劑的摩爾比為3∶1，然后稱取相同KH-570型偶聯(lián)劑體積的無水乙醇;

（2）將水、偶聯(lián)劑和無水乙醇放入一個三口燒瓶中，恒溫水浴處理30 min，設(shè)置溫度為30 ℃，得到水解液;

（3）將適量的SiO2納米粉放入高速混合機中，然后將水解液分3次倒入混合機，設(shè)置溫度為110 ℃，每次混合時間為2 min，得到改性SiO2納米粉。

1.2.1.2 導(dǎo)熱絕緣LDPE復(fù)合材料的制備

（1）用電子天平稱取一定量的LDPE、改性SiO2納米粉、抗氧劑和PE-g-GMA相容劑，按照試驗不同情況適量放入混合機中，攪拌混合均勻，設(shè)置溫度為110 ℃，時間為2 min;

（2）將步驟（1）中的混合物裝入擠出機中，在溫度為160～190 ℃的環(huán)境下處理，獲得改性SiO2納米粉低密度聚乙烯顆粒;

（3）將SiO2/LDPE復(fù)合材料顆粒放入干燥箱中，設(shè)置溫度為105 ℃，時間為2 h;

（4）將干燥后的SiO2/LDPE復(fù)合材料顆粒用注塑機處理，在190～210 ℃的溫度、60～105 MPa的壓力條件下制備導(dǎo)熱絕緣LDPE復(fù)合材料試樣［4-5］。

1.3 性能測試

導(dǎo)熱性測試：采用瞬態(tài)熱線法和導(dǎo)熱系數(shù)測試儀測試試件的導(dǎo)熱系數(shù)，分析材料的導(dǎo)熱性能［6-10］。

擊穿電壓測試：

通過電壓擊穿測試儀測試試件的擊穿強度，分析材料的絕緣性能，其中，電壓升高速度為0.5 kV/s。

力學(xué)性能測試：

通過電子試驗機測試試件的強度，分析材料的力學(xué)性能［11-15］。

2 結(jié)果與分析

2.1 KH-570偶聯(lián)劑含量的影響

2.1.1 導(dǎo)熱性能分析

偶聯(lián)劑對LDPE復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，隨著KH-570含量增多，試樣的導(dǎo)熱系數(shù)先迅速增大，然后快速下降。當(dāng)KH-570含量為0.6 %時，材料導(dǎo)熱系數(shù)為最大臨界值0.712 4 W/（m·K），比空白試件提升了5.46%；此后，隨著KH-570含量增多，導(dǎo)熱系數(shù)快速下降，當(dāng)KH-570含量為1.5%時，導(dǎo)熱系數(shù)下降至0.682 4 W/（m·K），降幅為4.21%。因此，添加0.6% KH-570制備改性SiO2納米顆粒時，復(fù)合材料導(dǎo)熱性良好。

2.1.2 絕緣性能分析

偶聯(lián)劑對LDPE復(fù)合材料擊穿電壓結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨著KH-570含量增多，試樣的擊穿電壓呈現(xiàn)先升后降的變化。當(dāng)未添加KH-570時，材料擊穿電壓為26.4 kV/mm；當(dāng)KH-570質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時，材料擊穿電壓最大，為34.1 kV/mm，提升幅度29.2%；隨著KH-570含量增多，擊穿電壓緩慢下降，當(dāng)KH-570質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時，擊穿電壓下降至24.8 kV/mm，對比0.6%KH-570時下降了27.3%。因此，當(dāng)摻入0.6%KH-570偶聯(lián)劑時，材料擊穿電壓較高，絕緣性良好。

2.1.3 力學(xué)性能分析

偶聯(lián)劑對LDPE復(fù)合材料的強度的影響結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng) LDPE復(fù)合材料中摻入的KH-570型偶聯(lián)劑不斷增多時，試樣的拉伸、彎曲強度均出現(xiàn)先快速增加，然后緩慢下降的現(xiàn)象。可以觀察到，當(dāng)材料中未添加KH-570型偶聯(lián)劑時，試樣的拉伸強度為13.75 MPa，彎曲強度為11.76 MPa；當(dāng)KH-570質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時，各強度均達(dá)到最大值，此時，拉伸強度為14.91 MPa，彎曲強度為12.56 MPa，對比空白試樣分別提升了8.4%和6.8%；隨著KH-570含量繼續(xù)增多，材料各強度均降低，當(dāng)KH-570型偶聯(lián)劑含量為1.5%時，LDPE復(fù)合材料的拉伸、彎曲強度下降較多，分別下降至14.45、12.13 MPa。因此，在LDPE復(fù)合材料中摻入0.6%KH-570時，材料的力學(xué)性能良好。

2.2 PE-g-GMA相容劑含量的影響

2.2.1 導(dǎo)熱性能分析

相容劑對LDPE復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)PE-g-GMA相容劑含量增多時，試樣的導(dǎo)熱系數(shù)一開始快遞增加，然后逐漸趨于平穩(wěn)。當(dāng)PE-g-GMA相容劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時，材料導(dǎo)熱系數(shù)升高至拐點，為0.723 W/（m·K）；隨著PE-g-GMA含量繼續(xù)增加，材料的導(dǎo)熱系數(shù)雖然有所提升，但增幅不明顯，當(dāng)PE-g-GMA相容劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時，材料導(dǎo)熱系數(shù)上升至0.726 W/（m·K）。因此，當(dāng)材料中的PE-g-GMA相容劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于或等于3%時，材料導(dǎo)熱性良好。

2.2.2 絕緣性能分析

相容劑對LDPE復(fù)合材料擊穿電壓的影響結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)LDPE復(fù)合材料中的PE-g-GMA相容劑含量逐漸增多時，試樣的擊穿電壓呈現(xiàn)先升后降的現(xiàn)象。當(dāng)未添加PE-g-GMA相容劑時，材料擊穿電壓為21.5 kV/mm；當(dāng)PE-g-GMA相容劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時，材料擊穿電壓達(dá)到峰值，為35.1 kV/mm，提升幅度63.3%；隨著PE-g-GMA相容劑含量增多，擊穿電壓緩慢下降，當(dāng)PE-g-GMA相容劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時，擊穿電壓下降至27.3 kV/mm，對比空白試樣依然提高了27.0%。由此可知，在LDPE復(fù)合材料中摻入PE-g-GMA相容劑，可以增強其絕緣性能。因此，當(dāng)PE-g-GMA相容劑摻量為3%時，LDPE復(fù)合材料的擊穿電壓較高，材料絕緣性較好。

2.2.3 力學(xué)性能分析

相容劑對LDPE復(fù)合材料的強度的影響結(jié)果如圖6所示。

由圖6（a）可知，當(dāng)LDPE復(fù)合材料中的PE-g-GMA相容劑含量逐漸增多時，試樣的拉伸強度呈現(xiàn)緩慢上升的現(xiàn)象。當(dāng)PE-g-GMA相容劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時，拉伸強度為16.13 MPa；隨著PE-g-GMA含量增多，拉伸強度上升更加緩慢［16-20］。由圖6（b）可知，當(dāng)LDPE復(fù)合材料中的PE-g-GMA相容劑含量逐漸增多時，試樣的彎曲強度一開始快速增加，然后緩慢上升。對于未添加PE-g-GMA相容劑的空白試件，其彎曲強度為12.51 MPa；當(dāng)摻入1%PE-g-GMA相容劑時，材料彎曲強度增加至13.78 MPa，上升幅度較為明顯，為10.2%；隨著PE-g-GMA相容劑含量繼續(xù)增多，材料的彎曲強度提升較小；當(dāng)摻入4%PE-g-GMA相容劑時，彎曲強度上升至拐點，此后，曲線較平穩(wěn)。因此，在材料中摻入4%的PE-g-GMA相容劑，可以增強材料強度，材料力學(xué)性能良好。

2.3

電纜應(yīng)用效果

根據(jù)制備的低密度聚乙烯復(fù)合電纜材料，將其應(yīng)用到礦用電纜的拆卸搬運存放技術(shù)中，并在高濕度環(huán)境下研究電纜材料的性能。其中，電纜的拆卸、搬運與存放等，主要依托引進的成卷電纜拆卸、搬運和存放等設(shè)備；其搬運設(shè)備裝置如圖7所示。

在結(jié)合以上技術(shù)的情況下，得到本試驗電暈老化100 h后電纜材料的應(yīng)用效果，具體如表1所示。

由表1可知，試驗制備的LDPE復(fù)合電纜材料具備良好的綜合性能，其中，拉伸強度和彎曲強度分別為16.8、14.6 MPa，材料力學(xué)性能良好；擊穿電壓為35.1 kV/mm，材料絕緣性能良好；導(dǎo)熱系數(shù)為0.724 W/（m·K），材料導(dǎo)熱性能良好。除此之外，在濕度環(huán)境下電暈老化100 h后的電纜材料依然性能較好，拉伸強度為15.6 MPa，僅下降7.1%；彎曲強度為13.9 MPa，僅下降4.8%；擊穿電壓為33.4 kV/mm，僅下降4.8%；導(dǎo)熱系數(shù)為0.698 W/（m·K），僅下降3.6%，老化試驗后，試驗制備的LDPE復(fù)合電纜材料依然具備良好的力學(xué)性能、絕緣性能和導(dǎo)熱性能。

綜上，本試驗制備的LDPE復(fù)合電纜材料綜合性能良好，這表明了，在實際應(yīng)用中，該材料可以減少拆卸搬運存放技術(shù)中老化和損壞等對其性能的影響。

圖8為該材料在高濕度老化試驗后的微觀形貌。可以觀察到，經(jīng)過老化處理后，電纜材料表面僅出現(xiàn)一些細(xì)微的裂紋，并存在少量的孔洞或溝壑，這表明，本試驗制備的LDPE復(fù)合電纜材料抗老化、抗損壞能力較強，材料綜合性能良好。

3 結(jié)語

（1）隨KH-570型偶聯(lián)劑含量增加，LDPE復(fù)合電纜材料各性能先升后降。最佳KH-570摻量為0.6%;

（2）PE-g-GMA相容劑可以增強材料綜合性能，最佳PE-g-GMA相容劑含量為3%;

（3）在老化試驗后，本試驗制備的LDPE復(fù)合電纜材料性能較好，拉伸強度為15.6 MPa，彎曲強度為13.9 MPa，擊穿電壓為33.4 kV/mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.698 W/（m·K）;

（4）試驗制備的LDPE復(fù)合電纜材料具備良好的力學(xué)性能、絕緣性能以及導(dǎo)熱性能，抵抗老化、破損等能力較強。在實際應(yīng)用中，該材料可以減少拆卸搬運存放技術(shù)中老化和損壞等對其性能的影響。

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