Компаунд электроизоляционный на основе этиленпропилендиенового каучука Российский патент 2023 года по МПК C08L23/16 C08K3/01 H01B3/28 

1. Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к полимерным компаундам на основе этиленпропилендиенового каучука, применяемым в кабельной промышленности, в частности, в качестве изоляции при изготовлении кабеля силового с экструдированной изоляцией на номинальное напряжение от 6 до 35 кВ включительно.

2. Уровень техники

Известна композиция на основе этиленпропиленового каучука, используемая в качестве междужильного заполнителя в электрических кабелях и проводах (RU 2 225651). Композиция на основе этиленпропиленового каучука содержит, мас.%: этиленпропиленовый каучук - 100,0, парафин - 34,0-84,0, стеариновая кислота - 4,0-6,0, дибутилфталат - 4,0-13,3, мел - 328,0-751,7, тальк - 27,0-45,0. Техническим результатом предложенного технического решения является устранение адгезии к изоляции, обеспечение пожаробезопасности электрического кабеля.

Сочетание вышеуказанных ингредиентов в заявленном интервале устраняет адгезию композиции к материалу изоляции и оболочки кабеля, позволяет достичь пожаробезопасности электрического кабеля, а также дает возможность легко, без повреждения изоляции жил осуществлять разделку кабеля при монтаже.

Недостатком известной композиции, является то, что композиция на основе этиленпропиленового каучука обладает низкими электрическими и механическими показателями.

Известна композиция на основе этиленпропиленового или этиленпропилендиенового каучука и сополимера этилена и октина, используемая в качестве междужильного заполнителя в электрических кабелях и проводах. (RU 2 256 676). Данная резиновая смесь представляет собой композицию, включающую, мас.ч.: каучук - 100, сополимер этилена и октина - 25-55, парафин - 50-170, стеариновую кислоту - 4-30, дибутилфталат - 4-25, мел - 500-1600. Композиция может содержать дополнительно тригидрат алюминия - 180-270 мас.ч. на 100 мас.ч. каучука.

Сочетание вышеуказанных ингредиентов в заявленном интервале устраняет адгезию композиции к материалу изоляции и оболочки кабеля, а также решает задачу по повышению электрических, физических и технологических характеристик материалов для заполнения кабельных изделий.

Недостатком известной композиции, является то, что композиция на основе этиленпропиленового каучука обладает низкими электрическими и механическими показателями.

Известен способ получения полимерного материала путем приготовления композиции, включающей этиленпропиленовый диеновый каучук для изготовления изоляции электрического кабеля (RU 2 644 896). Получают полимерный электроизоляционный материал путем приготовления композиции, включающей этиленпропиленовый диеновый каучук, содержащий, мол.%: этилен - 60-77, этилиденнорборнен - 0,9-6, пропилен - остальное, вулканизирующую систему, содержащую органический пероксид и соагент вулканизации - 1,2-полибутадиен, наполнитель - технический углерод с размером частиц 250-403 нм, высокодисперсный диоксид кремния, оксид цинка, свинцовый сурик, бифункциональный винилсилан, парафиновое масло, антиоксидант, кальцинированный каолин с влажностью менее 0,4% и технологические добавки, перемешиванием компонентов и ее вулканизацией.

Полученный заявленным способом электроизоляционный материал обеспечивает необходимую электрическую прочность токопроводящих жил, является термостойким, агрессивно-стойким, благодаря чему нет нарушения целостности изоляции, нет утечек тока и пробоев.

Получаемая из указанного полимерного электроизоляционного материала изоляция для электрического кабеля обладает хорошими физико-механическими свойствами, однако недостатком указанной композиции, принятой за прототип, является то, что композиция обладает низкой эластичностью, характеризуемой показателем «относительное удлинение при разрыве», также композиция обладает низкой устойчивостью к термическому старению, характеризуемой показателем «изменение относительного удлинения после старения в воздухе при 150°С в течение 168 часов».

Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности является полимерный электроизоляционный материал (RU 2 644 896).

Кабели силовые с экструдированной изоляцией предназначены для передачи и распределения электрической энергии в стационарных установках на номинальное переменное напряжение 6, 10, 20 и 35 кВ номинальной частотой 50 Гц для сетей с заземленной и изолированной нейтралью, предназначенные для применения в распределительных сетях и при комплектации инфраструктуры объектов нефтегазовой и нефтеперерабатывающей, химической и горно-добывающей отраслей, транспортировки нефти и газа, объектов метрополитена, в том числе во взрывоопасных зонах всех классов.

Эластичность изоляции силовых кабелей на номинальное напряжение от 6 до 35 кВ и стойкость к термическому старению являются необходимыми свойствами, обеспечивающими силовым кабелям способность работать в условиях знакопеременных нагрузок и повышенных температур.

Задачей заявленного изобретения является необходимость в разработке компаунда электроизоляционного на основе этиленпропилендиенового каучука (далее именуемое компаунд), обеспечивающего высокую эластичность, более высокую стойкость к термическому старению, стойкость к воздействию пониженной температуры окружающей среды до минус 60°С, что позволит использовать заявляемый компаунд в качестве изоляции при изготовлении кабеля силового.

Техническим результатом заявленного компаунда является повышение физико-механических параметров, включая упруго-прочностных показателей в сочетании с высокой стойкостью в условиях знакопеременных нагрузок в условиях повышенных температур, высокой стойкостью к термическому старению, высоким сопротивлением при разрыве.

3. Раскрытие сущности изобретения

Сущность изобретения заключается в достижении упомянутого технического результата путем разработки компаунда для силовых кабелей с экструдированной изоляцией на основе тройного этиленпропиленового каучука, содержащего небольшое количество мономера этилиденнорборнена (далее - ЭНБ) (для придания ненасыщенности полимеру). Выбранный каучук содержит этилен в количестве (от 59 до 65) % пропилена (от 35 до 41) % и 6 % ЭНБ с сшивающим органическим пероксидом, содержащего активного кислорода 3,7-3,9 %, позволяющему смеси находится в вязкотекучем состоянии при экструдировании.

При этом заявленный компаунд содержит силикатный наполнитель, двуокись титана, сульфат бария, обладающие хорошей красящей способностью, гидроксид алюминия, повышающий огнестойкость.

Для повышения технологичности предлагаемого компаунда применен парафин, полиэтилен высокого давления, канифоль, оксид кальция, в роли противоутомителя выступает неокисленный полиэтиленовый воск, антиоксидант (продукт конденсации ацетона с анилином).

Технический результат достигается тем, что в состав заявленного компаунда входят ингредиенты, отличающие заявленное изобретение от прототипа:

- диоксид титана, сульфат бария, гидроксид алюминия;

- полиэтиленовый воск;

- парафин;

- оксид кальция;

- полиэтилен высокого давления;

- канифоль.

Вулканизацию образцов в виде пластин размером (150х200) толщиной (2,0 ± 0,2) мм и (150х200) мм толщиной 6 мм для контроля качества компаунда производят на прессе вулканизационном гидравлическом 100-400 2Э при температуре 180°С, давлении 10-12 МПа в течение 10 мин.

Изготовление заявленного компаунда происходит в одну стадию.

При осуществлении заявляемого технического решения используют следующий количественный состав заявляемого компаунда, мас.ч:

- этиленпропилендиеновый каучук - 100

- органический пероксид - 5-11

- каолин -50-150

- диоксид титана - 5-12

- оксид цинка - 2-8

- сульфат бария - 2-8

- антиоксидант (продукт конденсации ацетона с анилином) - 0,5-2

- гидроксид алюминия - 3-9

- полиэтиленовый воск - 1-6

- парафин -2-8

- оксид кальция - 3-9

- полиэтилен высокого давления - 8-18

- канифоль - 2-8.

Выбранный состав заявленного компаунда позволяет улучшить физико-механические параметры, в максимальной степени обеспечить одновременно высокую эластичность, более высокую стойкость к термическому старению, стойкость к воздействию пониженной температуры окружающей среды до минус 60°С.

Сравнительные характеристики прототипа и заявленного компаунда приведены в Таблице 1.

Таблица 1 Наименование показателя Результаты испытаний Метод испытания Предлагаемый компаунд Прототип Условная прочность при удлинении, МПа 14,1 12,3-13,8 ГОСТ 60811-501 Относительное удлинение при разрыве, % 510 121 - 134 ГОСТ 60811-501 Изменение относительного удлинения после старения в воздухе при 150 °С в течение 168 часов, % Минус 15,5 Минус 25,6 ГОСТ 9.024-74 Температурный предел хрупкости, °С Минус 60 --- ГОСТ 7912-74 Электрическая прочность при переменном напряжении, кВ/мм 40,12 38,24 ГОСТ 6433.3 Удельное объемное электрическое сопротивление, 1000В, Ом₂см 7,2х10¹⁵ 6,3×10¹⁵ ГОСТ 6433.3

4. Осуществление изобретения

Сущность предлагаемого изобретения подтверждается конкретными примерами выполнения, которые наглядно демонстрируют возможность достижения требуемого технического результата.

Приведем пример получения компаунда электроизоляционного на основе этиленпропилендиенового каучука в заявленном соотношении. Изготовление компаунда осуществляется в цеховых условиях на установленном отечественном и зарубежном оборудовании.

Все компоненты, входящие в состав компаунда, являются продуктами, выпускаемыми в промышленном объеме.

Содержание технологического процесса по изготовлению заявленного компаунда.

Подготовка материалов:

синтетический каучук освобождается от упаковки, режется на куски, соответствующие размерам загрузочного отверстия резиносмесителя, и транспортируется к дозировочным весам. Остальные материалы подаются в упаковке поставщика.

Материалы взвешиваются и дозируются.

Количество подготовленных материалов должно соответствовать рецепту заявленного компаунда, в массовых частях:

- этиленпропилендиеновый каучук - 100

- органический пероксид - 11

- каолин -150

- диоксид титана - 12

- оксид цинка - 8

- сульфат бария - 8

- антиоксидант (продукт конденсации ацетона с анилином) - 2

- гидроксид алюминия - 9

- полиэтиленовый воск - 6

- парафин -8

- оксид кальция - 9

- полиэтилен высокого давления - 18

Изготовление смеси происходит в одну стадию.

Материалы загружаются в резиносмеситель типа РС 40/16-40, где происходит смешение

Начальная температура камеры резиносмесителя - 20-25° С.

Температура выгружаемой смеси - 50-165° С.

Общее время смешения 30 - 35 минут.

Выгруженная из резиносмесителя смесь вальцуется в течение 0,5 - 1 минуты на вальцах См 1500 660/660П, срезается в виде листов, охлаждается на воздухе в течение 20 минут, вылеживается в течение не менее 2-х часов после чего материал перерабатывается в гранулы диаметром 6±1 мм высотой не более 7 мм. на грануляторе марки JYZ 2000-M. Гранулы компаунда обрабатывают антиадгезивом (стеарат цинка или каолин). После изготовления, компаунд в виде гранул, помещают в подготовленные сухие пластиковые бочки.

Как частный случай рассмотрим крайние значения количественного состава заявленного компаунда:

1) при наибольшем содержании этиленпропилендиенового каучука

мас.ч:

- указанный каучук - 100

- органический пероксид - 5

- каолин -50

- диоксид титана - 5

- оксид цинка - 2

- сульфат бария - 2

- антиоксидант (продукт конденсации ацетона с анилином) - 0,5

- гидроксид алюминия - 3

- полиэтиленовый воск - 1

- парафин -2

- оксид кальция - 3

- полиэтилен высокого давления - 8

- канифоль - 2

Результаты испытаний по физико-механическим свойствам указанного компаунда представлены в Таблице 2.

Таблица 2 Наименование показателя Результат испытания Метод испытания Условная прочность при удлинении, МПа 14,3 ГОСТ 60811-501 Относительное удлинение при разрыве, % 610 ГОСТ 60811-501 Изменение относительного удлинения после старения в воздухе при 150 °С в течение 168 часов, % Минус 5,3 ГОСТ 9.024-74 Температурный предел хрупкости, °С Минус 60 ГОСТ 7912-74 Электрическая прочность при переменном напряжении частотой 50 Гц, кВ/мм 39,9 ГОСТ 6433.3 Удельное объемное электрическое сопротивление, 1000 В,Ом ²см 7,0×10¹⁵ ГОСТ 6433.3

2) при наименьшим содержании этиленпропилендиенового каучука

мас.ч:

- указанный каучук - 100

- органический пероксид - 11

- каолин -150

- диоксид титана - 12

- оксид цинка - 8

- сульфат бария - 8

- антиоксидант (продукт конденсации ацетона с анилином) - 2

- гидроксид алюминия - 9

- полиэтиленовый воск - 6

- парафин -8

- оксид кальция - 9

- полиэтилен высокого давления - 18

- канифоль - 8

Результаты испытаний по физико-механическим свойствам указанного компаунда представлены в Таблице 3.

Таблица 3 Наименование показателей Результаты испытаний Метод испытаний Условная прочность при удлинении, МПа 13,8 ГОСТ 60811-501 Относительное удлинение при разрыве, % 580 ГОСТ 60811-501 Изменение относительного удлинения после старения в воздухе при 150°С в течение 168 часов, % Минус 12,3 ГОСТ 9.024-74 Температурный предел хрупкости, °С Минус 60 ГОСТ 7912-74 Электрическая прочность при переменном напряжении частотой 50 Гц, кВ/мм 38,30 ГОСТ 6433.3 Удельное объемное электрическое сопротивление, 1000 В,Ом ²см 6,8×10¹⁵ ГОСТ 6433.3

Данные, приведенные в Таблицах 2 и 3, показывают, что заявленный компаунд на основе этиленпропилендиенового каучука, содержащий в своем составе органический пероксид, мягчители, наполнители обладает высокими показателями эластичности материала и обладают стойкостью к воздействию пониженной температуры окружающей среды.

Сочетание в определенном соотношении компонентов позволяет получить нужный комплекс свойств: упруго-прочностные показатели в сочетании с высокой стойкостью в условиях знакопеременных нагрузок в условиях повышенных температур, высокую стойкость к термическому старению, высокое сопротивление при разрыве.

Таким образом, компаунд электроизоляционный на основе этиленпропилендиенового каучука обеспечивает получение всего комплекса свойств: улучшенные физико-механические параметры, наилучшие показатели эластичности материала, высокое сопротивление при разрыве, более высокую стойкость к термическому старению и стойкостью к воздействию пониженной температуры окружающей среды. Указанный комплекс свойств компаунда электроизоляционного в конечном итоге позволяет улучшить характеристики кабельных изделий.

Изобретение относится к полимерным компаундам на основе этиленпропилендиенового каучука для изготовления изоляции кабеля силового с экструдированной изоляцией на номинальное напряжение от 6 до 35 кВ включительно. Предложен компаунд электроизоляционный на основе этиленпропилендиенового каучука, включающий (мас.ч.): этиленпропилендиеновый каучук (100), органический пероксид (5-11), оксид цинка (2-8), каолин (50-150), отличающийся тем, что дополнительно содержит в качестве мягчителя - парафин (2-8), канифоль (2-8), полиэтилен высокого давления (8-18), в качестве наполнителя - оксид кальция (3-9), диоксид титана (5-12), сульфат бария (2-8), гидроксид алюминия (3-9), а также противоутомитель - полиэтиленовый воск (1-6), в качестве антиоксиданта - продукт конденсации ацетона с анилином (0,5-2). Техническим результатом заявленного компаунда является повышение физико-механических параметров, включая упругопрочностные показатели в сочетании с высокой стойкостью в условиях знакопеременных нагрузок в условиях повышенных температур, высокой стойкостью к термическому старению, высоким сопротивлением при разрыве. 3 табл.

Компаунд электроизоляционный на основе этиленпропилендиенового каучука, включающий этиленпропилендиеновый каучук, органический пероксид, оксид цинка, каолин, отличающийся тем, что дополнительно содержит в качестве мягчителя - парафин, канифоль, полиэтилен высокого давления, в качестве наполнителя - оксид кальция, диоксид титана, сульфат бария, гидроксид алюминия, а также противоутомитель - полиэтиленовый воск, в качестве антиоксиданта - продукт конденсации ацетона с анилином при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

этиленпропилендиеновый каучук 100 органический пероксид 5-11 каолин 50-150 диоксид титана 5-12 оксид цинка 2-8 сульфат бария 2-8 антиоксидант - продукт конденсации ацетона с анилином 0,5-2 гидроксид алюминия 3-9 полиэтиленовый воск 1-6 парафин 2-8 оксид кальция 3-9 полиэтилен высокого давления 8-18 канифоль 2-8