本發(fā)明涉及電纜絕緣材料的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于核級電纜的絕緣材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

核級電纜是核電站核島廠房1E級回路用電纜，其常用的品種有：6/10KV和0.6/1KV電力電纜、0.6/1KV控制電纜、300/500V儀表及熱電偶補償電纜。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展及核電站智能化水平的不斷提高，其電纜品種也在不斷擴大，新建核電站又增加了光纖電纜、數(shù)字電纜、通信電纜及廣播電纜等品種。而按照法國核電標準《壓水堆核島機械設(shè)計和建造規(guī)則》(簡稱RCC-E)則可以將核級電纜分為以下三級：K1級：安裝在安全殼內(nèi)，要求在正常工況、事故和事故后環(huán)境條件及地震載荷下保持功能的電纜；K2級：安裝在安全殼內(nèi)，要求在正常工況和地震載荷下能執(zhí)行其功能的電纜；K3級：安裝在安全殼外，要求在正常工況和地震載荷下能執(zhí)行其功能的電纜。

在目前“電荒、煤荒、油荒”能源短缺的背景下，利用核能發(fā)電已成為中國解決能源短缺和環(huán)境問題的重要途徑之一。在國家的“十一五”規(guī)劃中已明確將核電發(fā)展戰(zhàn)略由“適度發(fā)展”調(diào)整為“積極發(fā)展”。核電的繁榮為核電站用電纜帶來了廣闊的發(fā)展空間。而目前核級電纜絕緣芯線通常采用單層交聯(lián)聚烯烴或單層阻燃型聚烯烴材料，或者采用雙層復合結(jié)構(gòu)，即內(nèi)層采用交聯(lián)聚烯烴絕緣材料、外層采用低煙無鹵阻燃聚烯烴材料，但是由這些材料生產(chǎn)的核級電纜絕緣芯線是很難全面滿足核電纜的工作溫度、短路溫度、壽命周期、絕緣電阻、阻燃特性以及結(jié)構(gòu)尺寸等要求的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種用于核級電纜的絕緣材料及其制備方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中生產(chǎn)核級電纜絕緣芯線的材料很難滿足核電纜的特性需求的問題。

本發(fā)明的一個方面是提供一種用于核級電纜的絕緣材料，包括以下重量百分比的組分：10％～20％的三元乙丙橡膠、45％～65％的預處理阻燃劑、1％～5％的相容劑、1％～3％的安定劑、1％～3％的硅酮母粒以及1％～2％的硅烷偶聯(lián)劑。

進一步的，還包括以下重量百分比的組分：5％以下的熱塑性彈性體以及10％以下的聚乙烯。

進一步的，三元乙丙橡膠由以下重量百分比的組分組成：60％～70％的乙烯、40％～30％的丙烯以及1％～3％的乙叉冰片烯。

進一步的，預處理阻燃劑為活性氫氧化鋁或由重量百分比為60％～80％的氫氧化鋁和20％～40％的氫氧化鎂組成的組分。

進一步的，相容劑為馬來酸酐接枝聚乙烯，接枝率為1～2％。

進一步的，安定劑由以下重量百分比的組分組成：35％～55％的硬脂酸鈣、5％～35％的硬脂酸鋅以及35％～60％的四[β-(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸酯]季戊四醇酯。

采用上述本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果是：本發(fā)明通過采用三元乙丙橡膠作為核級電纜絕緣材料的主要基材，從而使得絕緣材料具有優(yōu)異的耐天候老化性、耐臭氧性、耐熱老化性、良好的電絕緣性和耐化學介質(zhì)腐蝕性，而且相對密度低，填充量大且具有良好的耐輻照性能。通過加入預處理阻燃劑，從而可以改善高填充時材料的力學性能和加工性，使單層結(jié)構(gòu)的電纜絕緣芯線能通過單根垂直燃燒試驗。通過對材料加入1％～2％的硅烷偶聯(lián)劑進行預 處理，從而使得絕緣材料的抗吸水性加強，因此材料在浸水過程中，吸水量減少，使材料吸水很快達到飽和狀態(tài)，使得絕緣電阻常數(shù)k能夠達到標準所規(guī)定的值。

本發(fā)明的另一個方面是提供一種用于核級電纜的絕緣材料的制備方法，包括如下步驟：

步驟一，將重量百分比為45％～65％的阻燃劑、1％～2％的硅烷偶聯(lián)劑通過高攪機攪拌5～10分鐘，以對組分進行預處理；

步驟二，加入重量百分比為10％～20％的三元乙丙橡膠、1％～5％的相容劑、1％～3％的安定劑以及1％～3％的硅酮母粒進行混合；

步驟三，將混合后的組分通過密煉機熔融共混，然后通過單螺桿擠出機制成顆粒；

步驟四，將顆粒通過線材擠出機制成線材，由電子加速器對所述線材進行輻照交聯(lián)。

進一步的，密煉機熔融的溫度為160～175℃、時間為15～25分鐘。

進一步的，單螺桿擠出機包括依次連接的第一區(qū)、第二區(qū)、第三區(qū)、第四區(qū)、第五區(qū)、第六區(qū)和第七區(qū)，通過密煉機熔融共混后的組分依次通過各區(qū)，其中，第一區(qū)的工作溫度為110～115℃，第二區(qū)的工作溫度為115～120℃，第三區(qū)的工作溫度為115～120℃，第四區(qū)的工作溫度為120～125℃，第五區(qū)的工作溫度為120～125℃，第六區(qū)的工作溫度為120～130℃，第七區(qū)的工作溫度為125～130℃。

進一步的，線材擠出機包括依次連接的A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)以及D區(qū)，顆粒依次通過A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)和D區(qū)，其中，A區(qū)的工作溫度為150～160℃，B區(qū)的工作溫度為165～175℃，C區(qū)的工作溫度為165～175℃，D區(qū)的工作溫度為170～180℃。

采用上述本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果是：通過本發(fā)明上述方法生產(chǎn)的用于核級電纜的絕緣材料，其柔軟性好，具有良好抗撕裂性、抗吸水性、優(yōu)異的絕緣電阻、高阻燃性、熱壽命老化試驗后不開裂和耐輻照性好，采用單層結(jié)構(gòu)的成品電纜的機械性能、電氣性能和核級電纜的特殊性能都能滿足標準要求。因此，本發(fā)明實施例提供的用于核級電纜的絕緣材料采用單層結(jié)構(gòu)，在生產(chǎn)電纜時只需要擠出包覆一層即可。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。

本發(fā)明實施例公開了一種用于核級電纜的絕緣材料，可以包括以下重量百分比的組分：10％～20％的三元乙丙橡膠、45％～65％的預處理阻燃劑、1％～5％的相容劑、1％～3％的安定劑、1％～3％的硅酮母粒以及1％～2％的硅烷偶聯(lián)劑。在本實施例中，該絕緣材料還可以包括以下重量百分比的組分：5％以下的熱塑性彈性體以及10％以下的聚乙烯。其中，熱塑性彈性體(Thermoplastic Elastomer，簡稱TPE)其乙烯-丙烯共聚物分子量在10～20萬，門尼粘度(100℃)30～60，硬度邵氏A30～60，熔融指數(shù)(190℃，2.16kg)1～5g/10min；聚乙烯為高密度聚乙烯，分子量5～15萬，熔融指數(shù)(190℃，2.16kg)1～5g/10min。

本發(fā)明實施例還公開了一種用于核級電纜的絕緣材料的制備方法，該方法可以包括如下步驟：

步驟一，將重量百分比為45％～65％的阻燃劑、1％～2％的硅烷偶聯(lián)劑通過高攪機攪拌5～10分鐘，以對組分進行預處理；

步驟二，加入重量百分比為10％～20％的三元乙丙橡膠、1％～5％的相容 劑、1％～3％的安定劑以及1％～3％的硅酮母粒進行混合；

步驟三，將混合后的組分通過密煉機熔融共混，然后通過單螺桿擠出機制成顆粒；

步驟四，將所述顆粒通過線材擠出機制成線材，由電子加速器對所述線材進行輻照交聯(lián)。

在本發(fā)明上述實施例中，密煉機熔融的溫度為160～175℃、時間為15～25分鐘。單螺桿擠出機包括依次連接的第一區(qū)、第二區(qū)、第三區(qū)、第四區(qū)、第五區(qū)、第六區(qū)和第七區(qū)，通過密煉機熔融共混后的組分依次通過各區(qū)，其中，第一區(qū)的工作溫度為110～115℃，第二區(qū)的工作溫度為115～120℃，第三區(qū)的工作溫度為115～120℃，第四區(qū)的工作溫度為120～125℃，第五區(qū)的工作溫度為120～125℃，第六區(qū)的工作溫度為120～130℃，第七區(qū)的工作溫度為125～130℃。

線材擠出機包括依次連接的A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)以及D區(qū)，使得顆?？梢砸来瓮ㄟ^A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)和D區(qū)，其中，A區(qū)的工作溫度為150～160℃，B區(qū)的工作溫度為165～175℃，C區(qū)的工作溫度為165～175℃，D區(qū)的工作溫度為170～180℃。

以下通過具體實施例進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案：

實施例一

1、將重量百分比為65％的阻燃劑、1％的硅烷偶聯(lián)劑通過高攪機攪拌10分鐘以對組分進行預處理；

2、加入重量百分比為10％的三元乙丙橡膠、5％的相容劑、2％的安定劑、2％的硅酮母粒、10％的聚乙烯以及5％熱塑性彈性體進行混合；

3、將混合后的組分通過密煉機熔融共混，其中，密煉機熔融的溫度為160℃、時間為25分鐘；然后通過單螺桿擠出機制成顆粒；其中，單螺桿擠出機第一區(qū)的工作溫度為110℃，第二區(qū)的工作溫度為115℃，第三區(qū)的工作 溫度為115℃，第四區(qū)的工作溫度為120℃，第五區(qū)的工作溫度為120℃，第六區(qū)的工作溫度為120℃，第七區(qū)的工作溫度為125℃。

4、將顆粒通過線材擠出機制成線材，由電子加速器對線材進行輻照交聯(lián)，從而完成生產(chǎn)過程。其中，線材擠出機A區(qū)的工作溫度為150℃，B區(qū)的工作溫度為165℃，C區(qū)的工作溫度為165℃，D區(qū)的工作溫度為170℃。

實施例二

1、將重量百分比為60％的阻燃劑、1.5％的硅烷偶聯(lián)劑通過高攪機攪拌7.5分鐘以對組分進行預處理；

2、加入重量百分比為15％的三元乙丙橡膠、2.5％的相容劑、3％的安定劑、3％的硅酮母粒、10％的聚乙烯以及5％熱塑性彈性體進行混合；

3、將混合后的組分通過密煉機熔融共混，其中，密煉機熔融的溫度為170℃、時間為20分鐘；然后通過單螺桿擠出機制成顆粒；其中，單螺桿擠出機第一區(qū)的工作溫度為112.5℃，第二區(qū)的工作溫度為117.5℃，第三區(qū)的工作溫度為117.5℃，第四區(qū)的工作溫度為122.5℃，第五區(qū)的工作溫度為122.5℃，第六區(qū)的工作溫度為125℃，第七區(qū)的工作溫度為127.5℃。

4、將顆粒通過線材擠出機制成線材，由電子加速器對線材進行輻照交聯(lián)，從而完成生產(chǎn)過程。其中，線材擠出機A區(qū)的工作溫度為155℃，B區(qū)的工作溫度為170℃，C區(qū)的工作溫度為170℃，D區(qū)的工作溫度為175℃。

實施例三

1、將重量百分比為65％的阻燃劑、2％的硅烷偶聯(lián)劑通過高攪機攪拌5分鐘以對組分進行預處理；

2、加入重量百分比為20％的三元乙丙橡膠、1％的相容劑、1％的安定劑、1％的硅酮母粒以及10％的聚乙烯進行混合；

3、將混合后的組分通過密煉機熔融共混，其中，密煉機熔融的溫度為175℃、時間為15分鐘；然后通過單螺桿擠出機制成顆粒；其中，單螺桿擠出機第一區(qū)的工作溫度為115℃，第二區(qū)的工作溫度為120℃，第三區(qū)的工作溫度為120℃，第四區(qū)的工作溫度為125℃，第五區(qū)的工作溫度為125℃，第六區(qū)的工作溫度為130℃，第七區(qū)的工作溫度為130℃。

4、將顆粒通過線材擠出機制成線材，由電子加速器對線材進行輻照交聯(lián)，從而完成生產(chǎn)過程。其中，線材擠出機A區(qū)的工作溫度為160℃，B區(qū)的工作溫度為175℃，C區(qū)的工作溫度為175℃，D區(qū)的工作溫度為180℃。

實施例四

1、將重量百分比為55％的阻燃劑、2％的硅烷偶聯(lián)劑通過高攪機攪拌7分鐘以對組分進行預處理；

2、加入重量百分比為20％的三元乙丙橡膠、5％的相容劑、3％的安定劑、3％的硅酮母粒、7％的聚乙烯以及5％的熱塑性彈性體進行混合；

3、將混合后的組分通過密煉機熔融共混，其中，密煉機熔融的溫度為165℃、時間為22分鐘；然后通過單螺桿擠出機制成顆粒；其中，單螺桿擠出機第一區(qū)的工作溫度為112℃，第二區(qū)的工作溫度為116℃，第三區(qū)的工作溫度為116℃，第四區(qū)的工作溫度為123℃，第五區(qū)的工作溫度為123℃，第六區(qū)的工作溫度為128℃，第七區(qū)的工作溫度為128℃。

4、將顆粒通過線材擠出機制成線材，由電子加速器對線材進行輻照交聯(lián)，從而完成生產(chǎn)過程。其中，線材擠出機A區(qū)的工作溫度為152℃，B區(qū)的工作溫度為168℃，C區(qū)的工作溫度為168℃，D區(qū)的工作溫度為172℃。

實施例五

1、將重量百分比為52％的阻燃劑、2％的硅烷偶聯(lián)劑通過高攪機攪拌8 分鐘以對組分進行預處理；

2、加入重量百分比為20％的三元乙丙橡膠、5％的相容劑、3％的安定劑、3％的硅酮母粒、10％的聚乙烯以及5％的熱塑性彈性體進行混合；

3、將混合后的組分通過密煉機熔融共混，其中，密煉機熔融的溫度為172℃、時間為18分鐘；然后通過單螺桿擠出機制成顆粒；其中，單螺桿擠出機第一區(qū)的工作溫度為114℃，第二區(qū)的工作溫度為118℃，第三區(qū)的工作溫度為118℃，第四區(qū)的工作溫度為123℃，第五區(qū)的工作溫度為123℃，第六區(qū)的工作溫度為128℃，第七區(qū)的工作溫度為128℃。

4、將顆粒通過線材擠出機制成線材，由電子加速器對線材進行輻照交聯(lián)，從而完成生產(chǎn)過程。其中，線材擠出機A區(qū)的工作溫度為158℃，B區(qū)的工作溫度為172℃，C區(qū)的工作溫度為172℃，D區(qū)的工作溫度為178℃。

具體的，在本發(fā)明實施例中，三元乙丙橡膠(Ethylene Propylene Diene Monomer，簡稱EPDM)可以采用由以下重量百分比組成的組分：60％～70％的乙烯、40％～30％的丙烯以及1％～3％的乙叉冰片烯。其分子量為5～15萬，門尼粘度(100℃)30～70，硬度邵氏A20～50。由于三元乙丙橡膠是一種非晶體的乙烯類共聚物，具有優(yōu)異的耐天候老化性、耐臭氧性、耐熱老化性、良好的電絕緣性和耐化學介質(zhì)腐蝕性，而且相對密度低，填充量大且具有良好的耐輻照性能。因此，本發(fā)明采用三元乙丙橡膠作為核級電纜絕緣材料的主要基材。

在本發(fā)明實施例中，預處理阻燃劑可以采用氫氧化鋁或者可以采用由重量百分比為60％～80％的氫氧化鋁和20％～40％的氫氧化鎂組成的組分。本實施例為了使電纜絕緣芯線通過單根垂直燃燒試驗，成品電纜通過IEC60332-3B類成束燃燒試驗，同時實現(xiàn)低煙無鹵，從而采用了以氫氧化鋁、氫氧化鎂為主的阻燃體系，并添加少量的協(xié)同高效阻燃劑，同時提高氫氧化 鋁、氫氧化鎂等常規(guī)阻燃劑與基材的相容性和分散性，以改善高填充時材料的力學性能和加工性，使單層結(jié)構(gòu)的電纜絕緣芯線能通過單根垂直燃燒試驗，其氧指數(shù)OI≥32，煙密度透光率≥92％。

相容劑可以采用馬來酸酐接枝聚乙烯，接枝率為1～2％。安定劑可以采用由以下重量百分比組成的組分：35％～55％的硬脂酸鈣、5％～35％的硬脂酸鋅以及35％～60％的四[β-(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸酯]季戊四醇酯。

由于RCC-E中對K3級核級電纜的絕緣電阻性能指標即絕緣電阻常數(shù)k值的要求為：20℃環(huán)境溫度時≥3670MΩ·KM；90℃最高工作溫度時≥3.67MΩ·KM。對于非阻燃交聯(lián)聚烯烴材料而言，絕緣常數(shù)k值很容易達到上述規(guī)定，但是大多數(shù)阻燃聚烯烴絕緣材料的體積電阻率僅為1.0×1013Ω·cm左右，在浸水狀態(tài)下絕緣電阻常數(shù)k值是很難達到上述要求的。因此，在本實施例中，為了達到絕緣電阻常數(shù)k值的標準要求，可以對相關(guān)材料進行預處理，即加入1％～2％的硅烷偶聯(lián)劑，通過高攪機攪拌5-10分鐘，從而使得絕緣材料的抗吸水性加強，因此材料在浸水過程中，吸水量減少，使材料吸水很快達到飽和狀態(tài)，使得絕緣電阻常數(shù)k值在20℃時≥6000MΩ·KM，90℃最高工作溫度時≥20MΩ·KM。

核電站用電纜受到大量γ射線時，會使電纜絕緣材料變脆，機械性能變差。因此，作為核電站電纜用的絕緣材料，必須具有良好的耐輻照性。電纜材料中基礎(chǔ)聚合物的分子結(jié)構(gòu)，對于電纜材料的耐輻照性能的好壞起著決定性的作用，不同的基礎(chǔ)聚合物隨著輻照劑量的增加，其伸長率會下降。因此，在配方研究中選擇合適的基礎(chǔ)材料對耐輻照性尤為重要。乙丙橡膠的抗輻照性比聚乙烯類共聚物的抗輻照性要好很多，同時為了防止乙丙橡膠聚合物材料受到放射線照射后發(fā)生老化，可以在配方中添加抗輻照劑，以進一步改進絕緣材料的耐輻照性。還可以在對絕緣材料進行模擬輻照老化試驗中，每隔24 小時在電子加速器上輻照2Mrad，共計輻照86Mard，輻照老化后伸長率殘率仍有56％，并且不開裂。

通過本發(fā)明上述方法生產(chǎn)的用于核級電纜的絕緣材料，其柔軟性好，具有良好抗撕裂性、抗吸水性、優(yōu)異的絕緣電阻、高阻燃性、熱壽命老化試驗后不開裂和耐輻照性好，采用單層結(jié)構(gòu)的成品電纜的機械性能、電氣性能和核級電纜的特殊性能都能滿足標準要求。因此，本發(fā)明實施例提供的用于核級電纜的絕緣材料采用單層結(jié)構(gòu)，在生產(chǎn)電纜時只需要擠出包覆一層即可。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的范圍。