中壓橡套電纜用半導電屏蔽料導電性能的研究

羅曉鋒， 康春梅， 劉春昉， 劉永紅， 宋明明

（特變電工（德陽）電纜股份有限公司，四川德陽618000）

中壓橡套電纜用半導電屏蔽料導電性能的研究

羅曉鋒， 康春梅， 劉春昉， 劉永紅， 宋明明

（特變電工（德陽）電纜股份有限公司，四川德陽618000）

為了研究各種參數(shù)對中壓橡套電纜用半導電屏蔽料導電性能的影響，從而更好地提升材料的性能，控制材料的成本，更有依據(jù)地對材料配方進行調(diào)整，考察了導電炭黑用量、不同基體材料、不同測試溫度以及導電炭黑的種類對半導電屏蔽料導電性能的影響。

導電炭黑；半導電屏蔽；橡套電纜；導電性能

0 引 言

對于中壓電纜來說，由于外部施加電壓較高，主絕緣層承受的電場應力大，沿主絕緣層內(nèi)壁的電場分布不均，易產(chǎn)生電暈放電，導致絕緣層擊穿。為了保護絕緣層，主絕緣層的內(nèi)外必須用半導電層進行屏蔽，其主要作用是使電場分布均勻，防止局部放電，降低電場強度，從而提高電纜的電氣強度（介電強度），減少導體與絕緣層交界面上的氣隙，提高電纜起始電暈放電電壓和電纜耐游離放電性能，并在一定程度上降低絕緣層升溫，保護主絕緣，延長電纜的使用壽命［1］。

電性能（體積電阻率）是表征半導電屏蔽料的主要性能指標，根據(jù)JB/T 10738-2007的要求以及其它文獻所述［2］，半導電屏蔽料的體積電阻率應小于100Ω·cm。因此，為了進一步提升半導電屏蔽料的電性能，控制材料的生產(chǎn)成本，我們研究了主體材料的種類、導電炭黑的種類和用量、使用環(huán)境溫度等因素對半導電材料電性能的影響。

1 試 驗

1.1 主要原材料

三元乙丙橡膠（KEP210），韓國錦湖聚合物化學有限公司；氯化聚乙烯（CPE3610），杭州科利化工股份有限公司；導電炭黑（7067），美國哥倫比亞化學公司；超導電炭黑（F900），天津億博瑞化工有限公司；石墨粉，青島百川石墨有限公司；其它，市售。

1.2 主要儀器和設備

密煉機，XMY-5；開煉機，XK-60；平板硫化機，上海輕工機械股份有限公司上海第一橡膠機械廠；半導電橡塑電阻測試儀，DB-4，上海虹運檢測儀器有限公司。

1.3 試樣制備

將基體橡膠加入密煉機中塑煉30 s，然后加入1/ 2填充補強體系、導電炭黑、防老劑混煉30 s，再加入剩余1/2填充補強體系、導電炭黑和增塑劑進行混煉，110℃卸料。將混煉膠在開煉機上加入硫化體系，混煉均勻后下片。在平板硫化機中180℃下熱壓12 min，水冷下冷壓5 min成1 mm左右的片狀材料。

2 結(jié)果與討論

2.1 導電炭黑的用量對材料導電性能的影響

在基體材料中添加導電炭黑是使材料具有良好導電性能的最有效、最經(jīng)濟的方式之一，目前所使用的半導電屏蔽料均是在基體材料中添加導電炭黑，而導電炭黑的用量直接關系到材料的導電性能，在這種情況下，我們考察了導電炭黑7067用量對材料導電性能的影響，結(jié)果如圖1所示。圖1中導電炭黑的用量為導電炭黑占整個材料的質(zhì)量百分比。

圖1 室溫下導電炭黑的用量對材料體積電阻率的影響

我們選用KEP210作為基體材料，在其它條件不變的情況下，逐漸改變導電炭黑7067的用量。從圖1中可以看出，在室溫下，當不含有7067時，材料的體積電阻率達到1015Ω·cm。隨著7067用量的增加，材料的體積電阻率逐漸呈指數(shù)形式降低，其變化規(guī)律符合y=14.2exp（-x/7.5）+1，即導電炭黑含量較低時，材料的體積電阻率隨著導電炭黑含量的增加而銳減；而在導電炭黑增加到一定量時，繼續(xù)增加導電炭黑的含量，曲線便越來越趨于平緩。當7067的含量增加到32%時，材料的體積電阻率降低到7Ω·cm，與不含7067時相差將近15個數(shù)量級，這種現(xiàn)象稱為滲濾效應［3］。

隨著炭黑含量的增加，材料中形成的導電通路或網(wǎng)絡逐漸增多，材料的體積電阻率迅速下降。而當導電炭黑增加到一定量的時候（本文中為24%），材料中已經(jīng)形成連續(xù)的導電通路或網(wǎng)絡，導電炭黑含量的繼續(xù)增加對體積電阻率的影響不大，因此曲線下降趨于平緩。

2.2 基體材料的種類對材料導電性能的影響

不同極性的基體材料，導電炭黑在其中的分散情況和存在狀態(tài)不同，進而會導致整個材料的導電性能不同。為了選擇合適的基體材料，保證半導電材料更經(jīng)濟、更有效，我們考察了在相同導電炭黑的情況下，不同基體材料對材料導電性能的影響，如圖2所示。圖2中CPE含量為CPE占CPE與KEP210之和的質(zhì)量百分比。

圖2 室溫下不同基體材料對半導電材料導電性能的影響

我們選擇KEP210和CPE3610作為基體材料，由于KEP210與CPE3610的極性不同，在一定程度上互不相容，研究結(jié)果表明：采用不相容的兩相聚合物作為基體，可以有效地降低復合型導電聚合物中炭黑的填充量［4］。保持導電炭黑7067的含量為32%，改變基體材料中KEP210和CPE3610的比例，在室溫下考察材料的體積電阻率。從圖2中可以看出，當基體材料為KEP210時，材料的體積電阻率為7Ω·cm。當基體材料中添加CPE3610時，材料的體積電阻率變大。隨著CPE3610含量的增加，材料的體積電阻率又逐漸降低，而當基體材料全為CPE3610時，材料的體積電阻率迅速增加到63 Ω·cm，比KEP210為基體材料時高1個數(shù)量級。

KEP210作為基體材料時的體積電阻率比添加CPE3610時低，主要是因為導電炭黑表面含有羥基、羧基等極性基團［5］，而KEP210是非極性材料，因此導電炭黑在KEP210中分散性不好，導致它們在KEP210中形成聚集體，炭黑粒子相互之間的距離很近，更容易形成導電通路或網(wǎng)絡。而只有CPE3610作為基體材料時，CPE3610的極性基團與炭黑具有較強的親和力，炭黑極易分散在CPE3610中，炭黑粒子相互之間的距離相對較遠，因此能夠形成的導電通路或網(wǎng)絡也較少，體積電阻率也比較大。而在KEP210/CPE3610所形成的復合基體材料體系中，炭黑極易選擇性地分散于 CPE3610中，在KEP210中含量極少，而CPE3610相在KEP210基體中可能呈類似棒狀伸長形狀，較大的分散相尺寸以及條狀的分散性結(jié)構有利于炭黑通過分散相形成相互連接的導電通路，從而有效降低體系的體積電阻率［4］，因此KEP210/CPE3610體系的體積電阻率小于CPE3610體系。

隨著CPE3610含量的增加，CPE3610相所承載炭黑粒子的聚集體在KEP210基體中形成更多更長的棒狀伸長分散相結(jié)構，這種較大長度的棒狀結(jié)構分散狀態(tài)更有利于它們之間相互搭接，以形成更多連續(xù)的或網(wǎng)絡狀導電通道，從而降低復合體系的體積電阻率，使材料獲得更優(yōu)越的導電性能。

2.3 測試溫度對材料導電性能的影響

電纜在使用過程中，導體的運行溫度和環(huán)境溫度會發(fā)生改變，將會影響導電炭黑在材料體系中的分散狀態(tài)，從而影響導電通路或網(wǎng)絡的形成，導致材料的導電性能發(fā)生改變。為了更好地了解半導電屏蔽料在不同溫度下的使用狀態(tài)，以便在材料配方設計中能夠更好地調(diào)整和控制其體積電阻率，我們在不同溫度下考察了半導電屏蔽料的體積電阻率，如圖3所示。

圖3 不同測試溫度下半導電屏蔽料的體積電阻率

本文考察了KEP210體系、KEP210/CPE3610（30/70）體系以及CPE3610體系在不同測試溫度下體積電阻率的變化，其中導電炭黑7067的含量均為32%。從圖3a中可以看出，隨著測試溫度的升高，KEP210體系的體積電阻率隨之逐漸降低。而圖3b和圖3c中，KEP210/CPE3610（30/70）體系和CPE3610體系的體積電阻率先隨著溫度升高逐漸增加，在80～90℃之間達到最大值，然后隨著溫度的升高又逐漸降低。

半導電材料的導電機理比較復雜，一般認為，半導電層的導電的載流子有兩類：一類是電子或空穴；另一類是離子［6］。電子電導的過程是電子在導電網(wǎng)絡中通過導帶傳導，而在各導電網(wǎng)絡之間的電導是通過隧道效應實現(xiàn)的；離子電導是通過離子在勢壘間受熱作用發(fā)生躍遷而實現(xiàn)的。

對于 KEP210/CPE3610（30/70）體系和CPE3610體系，導電炭黑的分散性相對較好，在溫度較低時，從室溫到電阻達到最大值的這段溫度區(qū)域，雖然電導是由電子電導和離子電導構成，但是由于溫度相對較低，離子受熱的作用而發(fā)生躍遷的幾率較小，所以以電子電導為主，在這段溫度區(qū)域，隨著溫度升高，導電網(wǎng)絡之間的距離增大，電導降低，當溫度從最大電阻值開始繼續(xù)升溫，此時溫度較高，離子受熱作用，活化能增大，有更多的離子參與電導，載流子濃度變大，電導變大。而在KEP210體系中，導電炭黑分散性不好，從而聚集在一起，即使溫度升高，導電網(wǎng)絡之間的距離變化也不大，因此溫度對電子電導的影響不大，主要是對離子電導產(chǎn)生影響，因此隨著溫度的升高離子受熱作用，更多的離子參與電導，所以體積電阻率下降。但由于在100℃以內(nèi)，溫度較低，離子躍遷的幾率相對較小，所以體積電阻率下降的速度緩慢，而超過該溫度，隨著溫度的升高，離子躍遷的幾率增加，所以體積電阻率下降得很快。

2.4 導電炭黑的種類對材料體積電阻率的影響

不同導電炭黑的導電性能不同，導致半導電屏蔽料的導電性能不一樣。在滿足導電性能的前提下，為了更有效、更經(jīng)濟地選擇導電炭黑，我們考察了不同導電炭黑對半導電屏蔽料體積電阻率的影響，如圖4所示。

對導電炭黑來說，吸碘值越大、比表面積越大、結(jié)構越高，導電性能越好。本文選擇了兩種導電炭黑7067和F900，其吸碘值分別為75和650，F(xiàn)900的導電性能明顯高于7067，另外本文還選擇了導電石墨粉作為比較。選擇基體材料為CPE3610，導電炭黑的含量均保持32%不變。從圖4中可以看出，F(xiàn)900所在體系的體積電阻率最低，比7067所在體系要小，即導電炭黑的電性能越好，其所在體系的導電性能也越好。另外，石墨粉在體系的體積電阻率比其他兩個體系高3個數(shù)量級左右。

圖4 不同導電炭黑對半導電屏蔽料體積電阻率的影響

雖然真正導電性優(yōu)異的是石墨化的碳，石墨化程度越高，導電性越好［7］，但是在聚合物體系中，起導電作用的因素除了所加導電體本身的導電性外，還與導電粒子在聚合物中的分布有關，同等質(zhì)量的炭黑和石墨，由于炭黑比重更小，其在聚合物中占據(jù)了更大的體積份數(shù)，更有利于形成導電網(wǎng)絡，從而獲得了比石墨粉做填料更好的導電效果，因此導電炭黑所在體系的體積電阻率比石墨粉所在體系要小很多。

3 結(jié) 論

本文考察了導電炭黑用量、不同基體材料、不同測試溫度以及導電炭黑的種類對半導電屏蔽料導電性能的影響。從中得出：

（1）隨著導電炭黑用量的增加，半導電屏蔽料的體積電阻率呈指數(shù)形式降低。

（2）KEP210體系比CPE3610體系和KEP210/ CPE3610體系的體積電阻率低；CPE3610體系的體積電阻率最高；在KEP210/CPE3610體系中，隨著CPE3610含量的增加，體系的體積電阻率隨之降低。

（3）在不同的測試溫度下，隨著溫度的逐漸升高，KEP210體系的體積電阻率逐漸降低，而KEP210/CPE3610體系和CPE3610體系的體積電阻率先逐漸增加，到80～90℃之間達到最大值，溫度繼續(xù)升高，體系的體積電阻率隨之降低。

（4）對于不同的導電炭黑，石墨粉所在體系的體積電阻率最高，F(xiàn)900所在體系的體積電阻率最低，即保證材料具有相同導電性能的情況下，F(xiàn)900的用量最少。

［1］ 徐瑞浩，李養(yǎng)珠，汪曉明，等.可交聯(lián)半導電屏蔽料的研究［J］.電線電纜，1987（6）：22-25.

［2］ 李敬武，吳道虎.高壓橡皮絕緣電力電纜用可剝離型半導電絕緣屏蔽料的研制［J］.特種橡膠制品，1996，17（2）：4-10.

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［4］ 楊 波，林聰妹，陳光順，等.導電炭黑在聚丙烯/極性聚合物體系中的選擇性分散及其對導電性能的影響［J］.功能高分子學報，2009，19-20（3）：231-236.

［5］ 楊清芝.現(xiàn)代橡膠工藝學［M］.北京：中國石化出版社，1997.

［6］ 朱永華，萬樹德.關于電纜半導電屏蔽層電阻率試驗的研究［J］.電線電纜，2006（1）：23-26.

［7］ 張福勤，黃啟忠，黃伯云，等.C/C復合材料石墨化度與導電性能的關系［J］.新型炭材料，2001，16（2）：45-48.

Research on Conductive Properties of Sem i-Conductive Shield Rubber Com pound for High Pressure Cable

LUO Xiao-feng，KANG Chun-mei，LIU Chun-fang，LIU Yong-hong，SONG Ming-ming
（TBEA Deyang Cable Co.，Ltd.，Deyang 618000，China）

The effect on the conductive properties of semi-conductive shield rubber compound was studied，which related to the kinds and contents of carbon black，base materials，and test temperature.Therefore，the formula could be designed and adjusted accordingly.And further，the capability and the cost of compound could be controlled better.

carbon black；semi-conductive shield compound；rubber cable；conductive property

TM215.2

A

1672-6901（2014）05-0031-04

2013-12-13

羅曉鋒（1982-），男，工程師.

作者地址：四川德陽市旌陽區(qū)東海路東段 2號［618000］.