[发明专利]含有金属茂聚合物的改进的无铅绝缘组合物

说明书

本发明依据35U.S.C.§119(e)要求2005年10月25日提交的Ser.No.60/729,735的优先权。

发明领域

本发明涉及用于电力电缆的无铅绝缘组合物，其具有(a)基础聚合物，所述基础聚合物包含(i)至少一种金属茂聚合物，或(ii)至少一种非金属茂聚合物或(iii)它们的组合；(b)填料；和(c)添加剂，所述添加剂包含(i)至少一种受阻胺光稳定剂，或(ii)至少一种巯基化合物，或(iii)它们的组合。

发明背景

一般的电力电缆通常在内芯中具有一个或多个导体，该内芯被数层围绕，这些层可以包括：第一聚合物半导体屏蔽层、聚合物绝缘层、第二聚合物半导体屏蔽层、金属带屏蔽和聚合物护套。

聚合物材料过去已经被用作电力电缆的电绝缘和半导体屏蔽材料。在要求电力电缆的长期性能的服务或产品中，这类聚合物材料除了具有合适的介电性质外还必须耐久。例如，为了安全和经济需要和实用性，建筑物电线、电动机或机械电源线或地下电力传送电缆中所用的聚合物绝缘材料必须耐久。

聚合物电力电缆绝缘材料可能经受的一种主要失效类型是被称作树化(treeing)的现象。树化通常在电应力下发展穿过介电截面以致如果可见，其路径看起来像树。树化可能通过周期性局部放电发生并缓慢发展。在没有任何局部放电的情况下，其也可能在湿气存在下，在湿气和放电情况下缓慢发生，或其可能由于脉冲电压而迅速发生。树状物可能在具有高电应力的位置(例如绝缘材料-半导体屏蔽界面主体中的污染物或空隙)处形成。在固体有机电介质中，树化是电故障的最可能机制，其不会灾难性发生，而似乎是更漫长过程的结果。过去，通过基于硅烷分子或其它添加剂的共混、接枝或共聚来将聚合物材料改性，由此延长聚合物绝缘材料的使用寿命，从而仅在比通常情况更高的电压下引发树状物或一旦引发则生长更缓慢。

有两种类型的树化，称为电树化和水树化。电树化由对电介质造成分解的内部放电引起。高电压脉冲可以产生电树。由对在可能含有缺陷的电极/绝缘材料界面施加中等交流电压而引起的破坏在商业上是显著的。在这种情况下，可能存在非常高的局部应力梯度，并在足够时间下造成树状物的引发和生长。其实例是在高电压电力电缆或连接器上在导体或导体屏蔽与主绝缘体之间具有粗糙界面。失效机制包括可能由电子轰击引起的介电材料的模块结构的实际击穿。过去，许多技术与电树的抑制有关。

与由对电介质造成分解的内部放电引起的电树化相比，水树化是同时暴露在液体或蒸气和电场中的固体介电材料的劣化。地下电力电缆尤其易受水树化的损害。水树从具有高电应力的位置(例如粗糙界面、凸起导电点、空隙或嵌入的污染物)引发，但在比电树所需的电压低的电压下引发。与电树不同，水树具有下列区别特征：(a)水的存在是其生长所必须的；(b)在其引发过程中通常没有检测出局部放电；(c)它们在达到可能造成击穿的尺寸之前可以生长数年；(d)尽管缓慢生长，它们在比电树的发展所需的电场低得多的电场中引发和生长。

电绝缘用途通常被分成低电压绝缘(小于1千伏)、中电压绝缘(1千伏至65千伏)，和高电压绝缘(高于65千伏)。在低至中电压用途中，例如电缆和在汽车工业中的用途中，电树化通常不是普遍问题并且远不如水树化常见，而水树化是常见问题。对于中电压用途，最常见的聚合物绝缘体由聚乙烯均聚物或乙烯-丙烯弹性体(另一种称谓是乙丙橡胶(EPR))或乙烯-丙烯-二烯三元共聚物(EPDM)制成。

聚乙烯通常以纯净形式(无填料)来用作电绝缘材料。聚乙烯具有非常好的介电性质，尤其是介电常数和功率因数(tanδ)。聚乙烯的介电常数为约2.2至2.3。随耗散和损失的电能而变化并且应该尽可能低的功率因数在室温下为约0.0002，这是非常合意的值。聚乙烯聚合物的机械性质也足以用于如中电压绝缘的许多用途中，尽管它们在高温下易于变形。但是，聚乙烯均聚物非常容易产生水树化，尤其是电压趋于中电压范围的上限时。

已经试图制造具有长期电稳定性的聚乙烯基聚合物。例如，当使用过氧化二异丙苯作为聚乙烯的交联剂时，该过氧化物残基在固化后充当树状物抑制剂一段时间。但是，这些残基在电力电缆的大多数使用温度下最终损耗。1979年3月13日授予Ashcraft等人的美国专利No.4,144,202公开了在聚乙烯中掺入至少一种含环氧基的有机硅烷作为树化抑制剂。但是，仍然需要与含这类硅烷的聚乙烯相比具有改进的抗树化性质的聚合物绝缘体。