[发明专利]高压直流电缆用聚丙烯基纳米复合绝缘材料及制备方法

说明书

本发明属于高压直流输电装备技术领域，为提出纳米石墨烯改性聚丙烯基复合绝缘材料空间电荷及耐击穿性能的方法。本发明，高压直流电缆用聚丙烯基纳米复合绝缘材料及制备方法，由聚丙烯和超低密度聚乙烯混合得到的共混物与纳米石墨烯进行复合而成，制备步骤如下：(1)称取一定质量的聚丙烯、超低密度聚乙烯及纳米石墨烯原材料，使其相应的质量分数比为85:15:0.01，并置于干燥箱中干燥后备用；(2)将步骤(1)中干燥后备用的聚丙烯与超低密度聚乙烯加入双辊混炼机中，混炼得到混合均匀的共混物；(3)将所述共混物加入双辊混炼机中，混炼得到聚丙烯基石墨烯纳米复合材料。本发明主要应用于高压直流电缆的设计制造。

技术领域

本发明属于高压直流输电装备技术领域，具体讲,涉及改善复合绝缘材料空间电荷及耐击穿性能的方法。

背景技术

近年来，柔性直流输电技术已成为大容量远距离送电、电力能源区域互联领域的重点发展方向。在可见的未来，高压直流电缆作为直流输电技术的关键装备，在海岛送电、海洋资源开发与利用、城市电网改造与升级、分布式能源并网输电等方面更是有着有巨大的应用前景，因此发展高压直流电缆关键技术具有重要战略意义。以交联聚乙烯(XLPE)聚合物材料为绝缘介质的挤压型绝缘电缆具有良好的电气、机械和热性能，在高压电缆领域得到广泛应用。但生产XLPE电缆可能会将交联剂或交联副产物等杂质引入绝缘层内部、交联工艺能耗大、XLPE电缆绝缘废料的回收再利用难度很大，而且XLPE电缆只能工作在70℃下，限制了高压直流电缆大容量输电的发展需求。

目前，具有优异的电气和耐热性能、免交联可回收利用的聚丙烯基电缆绝缘材料，受到国内外研究人员及电缆生产厂商的关注。聚丙烯属于非极性材料，具有优良的电性能，几乎不吸水，故其绝缘性能受周围环境湿度的影响较小。另外聚丙烯熔点较高，可以满足电缆在较高的温度运行的需求，有助于提高电缆运行电压和线路载流量。聚丙烯耐低温冲击性能较差，通过引入热塑性弹性体可在一定程度上改性聚丙烯低温脆性，但改性后材料的电气性能有所下降，距离其在电缆领域的应用还有一定空间。

另外，高压直流电缆绝缘长期受单极性、强电场的作用，使得聚合物绝缘材料内部的缺陷或杂质容易发生极化或电离，导致绝缘介质内空间电荷的注入和积聚。空间电荷的积聚会在绝缘介质引起局部电场的畸变，畸变的电场严重时可引发介质内局部放电、加速绝缘老化和电树枝生长，进而影响电介质材料的介电强度，严重时可致使绝缘击穿故障，影响了电缆及系统的安全。

目前研究表明，在聚合物绝缘材料中引入一定量的无机纳米颗粒可以改善其空间电荷及介电性能。传统无机纳米颗粒的比表面积理论上约为数百m²/g，需在较大添加量(～1wt％质量分数)的前提下才能得到较为理想的改性效果。但较高含量的纳米添加会导致纳米在聚合物中的团聚，甚至会引起缺陷及电气、机械性能下降。因此，如何改善绝缘材料空间电荷及耐击穿性能且避免由于高纳米填充带来的性能下降，成为研发高压直流电缆用聚丙烯基电缆绝缘急需解决的关键问题。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出纳米石墨烯改性聚丙烯基复合绝缘材料空间电荷及耐击穿性能的方法。为此，本发明采用的技术方案是，高压直流电缆用聚丙烯基纳米复合绝缘材料，由聚丙烯和超低密度聚乙烯混合得到的共混物与纳米石墨烯进行复合而成，聚丙烯、超低密度聚乙烯和纳米石墨烯质量分数比为85:15:0.01；其中，纳米石墨烯均匀地分散在共混物材料。

所述的聚丙烯为等规聚丙烯，等规度为97％，密度为2g/cm³；所述的超低密度聚乙烯密度为0.905g/cm³；所述的纳米石墨烯为单层石墨烯，直径为0.2～10um，比表面积约为2000m²/g。

高压直流电缆用聚丙烯基纳米复合绝缘材料制备方法，步骤如下：

(1)称取一定质量的聚丙烯、超低密度聚乙烯及纳米石墨烯原材料，使其相应的质量分数比为85:15:0.01，并置于干燥箱中干燥后备用；