3300V光纤电力复合扁形堆取料机电缆用乙丙橡胶绝缘料的研制.pdf

2 0 1 1 年第 2期 NO ． 2 2 O1 1 电 线 电 缆 El e c t t i c W i r e＆ Cab l e 2 0 I 1 年 4月 Ap r ．， 201 1 3 3 0 0 V光纤 电力 复合扁形堆取料机 电缆用 乙丙橡胶绝缘料 的研制 陈安元 ， 张 国平 ， 陈文刚 ， 宋少亮 ( 上海南 洋电材有 限公司 ， 上海 2 0 1 6 1 5 ) 摘要： 在确定基础材料和硫化、 防老、 填充、 补强等各种体系使用的辅料后， 采用计算机辅助设计( C A D ) 技术、 多元线性回归法来确定各种辅料 的配比， 寻找符合设计要求的最佳 配方。据此开发 出 3 3 0 0 V光 纤电力复合 扁形堆取料机电缆使用的乙丙橡胶绝缘料。采用该种绝缘料制备的堆取料机用电缆经过 5年使用仍运行正 常。 关键词 ： 电缆绝缘料 ；乙丙橡胶 ； 硫化体 系；防老体 系； C A D技 术 ；多元线性回归 中图分类号 ： T M 2 1 5 ． 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 -- 6 9 0 1 ( 2 0 1 1 ) 0 2 - 0 0 4 2 - 0 3 R&D O f t he EPR I n s ul a t i o n Comp o und f or a 3 3o o V Opt i c Fi b e r Co mp os i t e Fl a t Ca bl e f or S t ac ke r Re e l a i me r CHEN An． y u a n．e t a l ( S h a h Ig h a i N a n y a n g E l e c t r i c a l Ma t e r i a l s C o ． ，L t d ． ， S h a n g h a i 2 0 1 6 1 5 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：An o p t i mi z e d f o r mu l a t i o n me e t i n g t h e d e s i g n r e q u i r e me n t s W ,q t$i d e n t i fi e d b y u s i n g C o mp u t e r — Ai d e d - D e s i g n ( C A D )a n d m u l t i — l i n e a r r e g r e s s i o n t o d e t e r mi n e t h e r m i o o f t h e i n d i v i d u al a i d s a f t e r t h e b a s e p o l y m e r and t h e aid s f o r s u c h s y s t e m s as c u r i n g ， an t i — a g e i n g， fi l l i n g a n d e n h a n c e me n t h a d b e e n d e t e r mi n e d ．B ased o n t h i s f o rm u l a t i o n， an d E P R i n s u l a t i o n c o mp o u n d f o r a 3 3 0 0 V o p t i c fi b e r c o mp o s i t e fi a t c a b l e for s t a c k e r - r e c l a i me r Was s u c c e s s f u l l y d e v e l o p e d ．T h e c ab l e for s t a c k e r - r e c l a i me r ma d e u s i n g t h i s c o mpo u n d r e ma i n s i n g o o d w o r k i n g c o n d i t i o n a f t e r 5 y e a r s~1w i c e ． Ke y wor ds：i n s u l a t i o n c o mp o u n d；EP R；c u r i ng s y s t e m ；an t i a ge i n g s y s t e m；CAD t e c h ni q u e；mu l t i — l i n e a r r e g r e s s i o n O 引 吉I= 1 化及防老体系、 填充补强体系做了研究。 我公司在 2 0 0 4年开发 了 3 3 0 0 V光纤 电力复 合扁形橡套软电缆。这种 电缆是将电力线 、 光纤等 集合在一根扁电缆中， 现已大量应用在炼钢厂、 火力 发电厂、 港 口的移动机械上。为了使该电缆能达到 产品技术要求和性能指标 ， 我公司研发 了相应的乙 丙绝缘料 ， 本文介绍这种 乙丙绝缘料的研发情况。 我们对乙丙基料做 了一系列研究 ， 最终选择 了 荷兰 D S M 乙丙橡胶为基料， 它与其他三元乙丙胶不 同， 它的第三单体为： “ 1 ， 4 - H D” 型( 1 ， 4 一 己二烯) ， 这 在世界上是独一无二的。“ 1 ， 4 一 己二烯” 的引人 ， 使 三元乙丙胶具有优 良的耐热性、 加工性及 良好 的电 气性能， 由于其第三单体较为独特 ， 其配合与加工也 与其它胶种有所不同， 为此 ， 我公司电缆课题组利用 计算机辅助设计 ( C A D) 技术 ， 对配方硫 化体系、 软 收稿 日期 ： 2 0 1 0 - 0 9 - 2 1 作者简介 ： 陈安元 ( 1 9 7 4一) ， 男 ， 助理工程师． 作者地址： 上海市松江区九亭镇南洋路 l 号[ 2 0 1 6 1 5 ] 1 硫化体 系 荷兰 D S M 乙丙胶采用 D C P硫化， 硫化速度较 慢 ， 为了提高其硫化速度， 需添加一定量的硫化助剂 HV A- 7 ( 美国杜邦公司) ， 它对硫化胶的物理机械性 能 、 电气性能以及浸水后电气性能稳定性 ， 都有一定 的改善 。 2 软化及防老体 系 荷兰 D S M 乙丙胶配方 中， 石蜡类 以微晶蜡为 宜 ， 石蜡系油 以 3 0 0号及 6 O号油为主 ， 操作油以轻 质操作油为好 ， 添加石蜡类加工助剂， 有助于提高橡 皮的抗臭氧性及热老化性能。 3 填 充补强体 系及其它 适当的填料可改善胶料的加工性能 ， 并赋予绝 缘橡皮良好的物理机械性能和电气性能 。我们在以 往的乙丙配方中， 大多数采用滑石粉、 轻质碳酸钙和 白炭黑等作填料。但在实际生产加工过程 中发现， 2 0 1 1 年第 2期 No． 2 2 0l1 电 线 电 缆 El e c t r i c Wi r e& Ca b l e 2 0 1 1年 4月 Ap r ．， 2 011 采用这种体系后挤 出外径波动大 ， 成 品橡皮拉伸变 形大 ， 绝缘线芯会有压扁 现象 ； 而改以煅烧 陶土， 微 粒滑石粉及轻质碳酸钙 ， 则可克服以上缺点 。为了 改善橡皮浸水后性能的稳定性 ， 需添加硅烷偶联剂 。 它一方面与煅烧陶土 、 微粒滑石粉等含二氧化硅 的 无机填料 自发偶合 ， 可显著降低填料的粘度 ， 提高聚 合物与填料 的湿润性 ， 同时在硫化过程 中通过不饱 和键和橡胶结合形成 “ 橡胶一填料 ” 键 ， 从而提高了 硫化速度 、 抗强强度 、 电气性能及浸水稳定性。 在配方设计过程 中， 我们利用了 C A D技术 、 数 理统计原理 ， 按照多元线性回归的方法 ， 可确定在 自 然状态下各因子对橡皮性能影响的多元线性回归方 程 ， 其方程及分析见表 2 。 表 2 线性 回归 方程及分析 性能名称 线性回归方程 复相关系数 余方差 y 1=8 ． 4+0 ． 2 3 x l+ 抗张强度 0 ． 9 3 0 ． 3 5 0 ． 4 x 2+0 ． 2 x 3+0 ． 0 6 x 4 Y 2：5 8 0 +2 0 xl+4 6 ． 7 x 2 断裂伸长率 0 ． 9 5 1 5 ． 2 +2 6 ． 7 +0 ． 4x 4 老化后抗张强度 y 3 =1 ． 3+0 ． 7 x t +0 ． 4 x 2 O ． 8 9 0 ．1 2 变化率 +0 ． 1 3 x 3+0 ． 4 x 4 Y 4=1 ． 6 3+0 ． 8x l+ 老化后断裂伸长率 0 ． 8 4 0 ． 0 7 0． 6 x 2+0 ． 43 x 3+0． 9 x 4 Y 5=3 2 +0 ． 4 xl+ 1 ．I x 2 击穿强度 O ． 9 8 1 ． 4 +0 ． 8 x 3+0． 1 x 4 Y 6=1 ． 7 +0 ． 2 x l+0 ． 9 x 2 绝缘 电阻 0 ． 9 3 0 ． 9 +0 ． 3 x 3+0． 2 x 4 注 ： 表 中 为各种配合剂 用量 ， y为胶料 的各种性能 。 表 3为多 目标规划 的约束条件。由表 3可知 ， 各因子对胶料性能影响程序 ， 其 中 H V A一 2对橡皮各 性能都起一定的改善作用 ， 尤其是对抗张强度 、 耐空 气热老化性能 、 击穿强度更为显著 ； 试验还发现硫化 D C P用量不足时 ， 橡皮 的抗张 强度等性能较差 ， 用 量过大时， 对耐热空气老化性能又产生不 良影响， 这 是因为橡皮中残存 D C P影响了橡皮 的耐热性。 表 3多 目标规划的约束条件 性能参数 约束条件 性能参 数 约束条件 y 1 ≥ 7 ． 0 Y 4 —1 5≤y 4≤0 Y 2 ≥2 7 O y 5 ≥ 3 ． 5 Y 3 —1 0≤ y 3≤ 1 5 Y 6 ≥ 1 ．51 0 6 为寻找符合标准要求 的最佳配方 ， 必须考虑各 因子对橡皮性能的综合影响 ， 即多 目标规划就是利 用各因子对性能指标 的要求 ， 形成多 目标规划的约 束条件 ， 再利用 C A D技术对其进行多 目标归化后 ， 从优化结果得到 、 、 、 的用量 ( 重量份) ： D C P ( 1 ) 2 ． 4～ 2 ． 6 H V A - 2 ( 2 ) 1 ． 0～1 ． 3 T A l C ( 3 )0 ． 8～1 ． 0 煅烧 陶土 ( ) 6 8～ 7 8 胶料 ( D S M 5 5 1 0 ) 1 0 0 Zn 0 8 ～l 0 硅 烷 处 理 液0． 8～1 ． 0 胶料 加工 性 能 ： 威 氏塑性0 ． 4～ 0 ． 4 3 ； 门尼 粘 度3 7 ． 2 ； 门尼焦烧 ( ra i n ) 8 0～ 8 2 。 胶料 1 8 0 ％硫化特性 ： 。 0 ( m i n ) 1 ． 0～1 ． 1 ； ( rai n ) 9 ． 0— 9 ． 5 。 为了验证优化结果正确性 ， 按各 因子 的优化结 果进行配合 ， 各项性 能指标 的实测值与预测值对 比 见表 4 。由表 4可知 ， 实测值与预测值基本符合 ， 说 明优化结果是可行 的， 也显示 了采用多 目标规划 约 束条件选择配方 的优越性 。 表 4 实测值 与预测值 的比较 性能参数 实测值 预测值 性能参数 实测值 预测值 yl 7 ． 2 7 ． O 一6 —5 y 2 42 0 4 2 6 3 " 5 3 9 ． 5 4 0 ． 2 y 3 2 ． 7 2 ． 3 Y 6 2． 2 2 ． 3 4 最佳 配方 的确定 和验证 首先 ， 做 小 配方 模 拟试 验 ， 以 I E C 6 0 0 9 2 - 3 5 1 、 I E C 6 0 0 9 2 — 3 5 9、 J I S C 3 3 2 7(日本 电 线 工 业 会 标 准) 和 I E C 6 0 3 3 2 — 3 A 标准作为依据 ， 进行 电性 能 、 机械性能和阻燃性能对 比试验 ， 最终确定最佳配 方 ， 并生产 了一根长度约 2 5 0 I l l 、 型号为 C E F R ／ S A 0 ． 6 ／ 1 k V船用 电力 电缆 。按标准做 了全性能验证 表 5 C E F R ／ S A 0 ． 6 ／ 1 k V电缆性 能试 验之一 项 目名称 标准值 实测值 拉伸强度／ MP a ≥4 ． 0 7 ． O 绝缘 ( E P R) 伸长率／ ％ ≥3 0 0 4 5 7 拉伸强度／ MP a ≥1 3 1 6 ． 2 护套 ( C R) 伸长率／ ％ ≥3 0 0 4 6 7 拉伸强度保 留率／ ％ ≥8 O l 0 9 ． 2 热老化( 绝缘 伸长率保 留率／ ％ ≥8 0 1 o 4 ． 4 拉伸强度保 留率／ ％ ≥6 0 9 5 ． 1 耐油( 护套 ) 伸长率保 留率／ ％ ≥6 0 9 2 ． 1 注 ： 1 ． 电缆绝缘为三元 乙丙橡胶 ( E P R) ； 护套为氯丁橡胶 ( C R) 。 2 ． 产 品试验依据为 J I S C 3 3 2 7 ( 1 9 9 3 ) ， 表 中标准值 即为该标 准的要 求值 。3 ． 除 了表 中所列试 验之 外 ， 还进 行 了① 阻燃试 验 ， 要 求 6 0 s 内 自熄 ； ②弯 曲试验 ， 要求护套无损坏及裂痕 ； ③护套耐磨试验 ， 要求 护套经规定磨损时间 内， 不能触及绝缘。以上 3项试验均通过 。 43 2 0 1 1 年第 2期 No． 2 2 01 1 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e＆ Ca bl e 2 0 1 1 年 4月 Ap r ．， 2 01 1 试验 ， 所有试验数据均达到规定的标准值 。表 5及 表 6为试验实测值与标 准值的对照表 ， 而且所有数 据的裕度 都相 当大。其 中， 电缆 阻燃 性能 按 I E C 3 3 3 2 ． 3 A类进行试验 ， 电缆燃烧直到 自然熄灭时， 测 得的喷灯上方最大炭化长度为 0 ． 8 m， 而标准允许 的最大长度为 2 ． 5 m， 说明有较大裕度 。 表 6 C E F ／ S A 0 ． 6 ／ 1 k V 电缆性能试验之二 绝缘 ( E P R) 护套( O R) 项 目名称 标准值 实测值 标准值 实测值 老化前抗张强度／ MP a ≥4 ． 2 7 ． O ≥l 0 ． 0 1 6 ． 2 老化前断裂伸长率／ ％ ≥2 0 0 4 5 7 ≥3 0 0 4 6 7 热老化试验 1 3 5 4 - 2 ℃ ． 7 2 4 h 1 0 0 4-2 ℃ ． 7 X 2 4 h 抗张强度变化率／ ％ ≤ 4-3 0 +1 0 ≤ 土 4 0 一6 断裂伸长率变化率／ ％ ≤ 3 O +1 0 ≤ 士 3 O +7 耐油试验 1 0 0 4- 2 ℃． 2 4 h 抗 张强度变化率／ ％ ≤ 4-4 0 +8 断裂伸长率变化率／ ％ ≤ -I- 4 0 +l 5 热延伸试验 2 5 0 4- 2 ℃ ． 1 5 m i n ． 2 0 MP a 2 0 0 4-2 ℃ ． 1 5 m i n ． 2 0 MP a 载荷下伸长率／ ％ ≤l 7 5 l 5 ≤1 7 5 5 5 冷却后永久变形／ ％ ≤l 5 0 ≤l 5 0 空气弹老化试验 0 ． 5 5 4- 0 ． 0 2 MP a压力下， 1 2 7 4-1 ℃， 4 o h 抗张强度变化率／ ％ ≤ 3 0 + 5 断裂伸长率变化率／ ％ ≤ 3 O + 5 耐臭氧试验 臭氧浓度／ ％ 0 ． 0 2 5 0 ． 0 3 0 0 ． 0 2 5～ 0 ． 3 0 时 间／ h 3 0 3 0 2 4 护套表面变化 不开裂 不开裂 一 注： 产 品试验依据 为 I E C 6 0 0 9 2 - 3 5 1和 I E C 6 0 0 9 2 - 3 5 9， 表中标准值即为该两标 准的要求值。 S 结束语 采用 自行开发的乙丙橡胶绝缘料 ， 配合我公司 的生产工艺和技术于 2 0 0 4年底完成了堆取料机用 电缆的生产。现电缆已在宝山钢铁公司使用 了5年 多 ， 至今仍运行正常， 说明该配方的研制是成功的。 [ 2] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 参考文献： [ 7 ] [1 ] I E C 6 0 0 9 2 - 3 5 1 ： 2 0 0 4[ E ] ． 船用和近海 电力 、 控制 、 仪表 、 通信 和数据电缆的绝缘材料 [ s ] ． I E C 6 0 0 9 2 - 3 5 9 ： 1 9 9 9 船用 电力和通信电缆护套材料 [ s ] ． J I S C 3 3 2 7： 1 9 9 3 橡胶绝缘软电缆[ S ] ． I E C 6 0 3 3 2 ． 2 A： 2 0 0 0 电缆在火焰条件下的燃烧试验[ s ] ． 王春江主编． 电线电缆手册( 第 1 册) [ M] ． 北京： 机械工业出 版社 ， 2 0 0 1 ． 王洪伟编． 最新橡胶的配方设计实用 全书 [ M] ． 北京 ： 中国知 识 出版社 ， 2 0 0 9 ． 张殿荣编． 现代橡胶配 方设计 [ M] ． 北京 ： 化学 工业 出版社 ， 2 0 01 ． ( 上接第 3 4页 ) 通过合理的生产工艺， 保证钢丝生产过程 中不产生 裂纹源或脆性； 在铝包钢线绞制过程中， 保证放线张 力均匀一致， 这样 才能使 铝包钢线 更好地 应用 于 O P G W， 使其质量达到国际一流水平。 参考文献 ： [ 1 ] 戴宝 昌．重要用途线材制品生产新技术[ M] ．北京 ： 冶金工业 4 4 出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 2 ] 王笑天．塑性加工金属学 [ M] ．北京 ： 机械工业 出版社 ， 1 9 9 1 ． [ 3 ] 王运炎． 机械工程材料[ M] ． 北京： 机械工业出版社， 2 0 0 6 ． [ 4 ] 上海交通 大学．金属断 口分 析 [ M] ．北京： 国防工业 出版社 ， 1 9 7 9 ．