中压橡套电缆用半导电屏蔽料导电性能的研究

罗晓锋， 康春梅， 刘春昉， 刘永红， 宋明明

（特变电工（德阳）电缆股份有限公司，四川德阳618000）

中压橡套电缆用半导电屏蔽料导电性能的研究

罗晓锋， 康春梅， 刘春昉， 刘永红， 宋明明

（特变电工（德阳）电缆股份有限公司，四川德阳618000）

为了研究各种参数对中压橡套电缆用半导电屏蔽料导电性能的影响，从而更好地提升材料的性能，控制材料的成本，更有依据地对材料配方进行调整，考察了导电炭黑用量、不同基体材料、不同测试温度以及导电炭黑的种类对半导电屏蔽料导电性能的影响。

导电炭黑；半导电屏蔽；橡套电缆；导电性能

0 引 言

对于中压电缆来说，由于外部施加电压较高，主绝缘层承受的电场应力大，沿主绝缘层内壁的电场分布不均，易产生电晕放电，导致绝缘层击穿。为了保护绝缘层，主绝缘层的内外必须用半导电层进行屏蔽，其主要作用是使电场分布均匀，防止局部放电，降低电场强度，从而提高电缆的电气强度（介电强度），减少导体与绝缘层交界面上的气隙，提高电缆起始电晕放电电压和电缆耐游离放电性能，并在一定程度上降低绝缘层升温，保护主绝缘，延长电缆的使用寿命［1］。

电性能（体积电阻率）是表征半导电屏蔽料的主要性能指标，根据JB/T 10738-2007的要求以及其它文献所述［2］，半导电屏蔽料的体积电阻率应小于100Ω·cm。因此，为了进一步提升半导电屏蔽料的电性能，控制材料的生产成本，我们研究了主体材料的种类、导电炭黑的种类和用量、使用环境温度等因素对半导电材料电性能的影响。

1 试 验

1.1 主要原材料

三元乙丙橡胶（KEP210），韩国锦湖聚合物化学有限公司；氯化聚乙烯（CPE3610），杭州科利化工股份有限公司；导电炭黑（7067），美国哥伦比亚化学公司；超导电炭黑（F900），天津亿博瑞化工有限公司；石墨粉，青岛百川石墨有限公司；其它，市售。

1.2 主要仪器和设备

密炼机，XMY-5；开炼机，XK-60；平板硫化机，上海轻工机械股份有限公司上海第一橡胶机械厂；半导电橡塑电阻测试仪，DB-4，上海虹运检测仪器有限公司。

1.3 试样制备

将基体橡胶加入密炼机中塑炼30 s，然后加入1/ 2填充补强体系、导电炭黑、防老剂混炼30 s，再加入剩余1/2填充补强体系、导电炭黑和增塑剂进行混炼，110℃卸料。将混炼胶在开炼机上加入硫化体系，混炼均匀后下片。在平板硫化机中180℃下热压12 min，水冷下冷压5 min成1 mm左右的片状材料。

2 结果与讨论

2.1 导电炭黑的用量对材料导电性能的影响

在基体材料中添加导电炭黑是使材料具有良好导电性能的最有效、最经济的方式之一，目前所使用的半导电屏蔽料均是在基体材料中添加导电炭黑，而导电炭黑的用量直接关系到材料的导电性能，在这种情况下，我们考察了导电炭黑7067用量对材料导电性能的影响，结果如图1所示。图1中导电炭黑的用量为导电炭黑占整个材料的质量百分比。

图1 室温下导电炭黑的用量对材料体积电阻率的影响

我们选用KEP210作为基体材料，在其它条件不变的情况下，逐渐改变导电炭黑7067的用量。从图1中可以看出，在室温下，当不含有7067时，材料的体积电阻率达到1015Ω·cm。随着7067用量的增加，材料的体积电阻率逐渐呈指数形式降低，其变化规律符合y=14.2exp（-x/7.5）+1，即导电炭黑含量较低时，材料的体积电阻率随着导电炭黑含量的增加而锐减；而在导电炭黑增加到一定量时，继续增加导电炭黑的含量，曲线便越来越趋于平缓。当7067的含量增加到32%时，材料的体积电阻率降低到7Ω·cm，与不含7067时相差将近15个数量级，这种现象称为渗滤效应［3］。

随着炭黑含量的增加，材料中形成的导电通路或网络逐渐增多，材料的体积电阻率迅速下降。而当导电炭黑增加到一定量的时候（本文中为24%），材料中已经形成连续的导电通路或网络，导电炭黑含量的继续增加对体积电阻率的影响不大，因此曲线下降趋于平缓。

2.2 基体材料的种类对材料导电性能的影响

不同极性的基体材料，导电炭黑在其中的分散情况和存在状态不同，进而会导致整个材料的导电性能不同。为了选择合适的基体材料，保证半导电材料更经济、更有效，我们考察了在相同导电炭黑的情况下，不同基体材料对材料导电性能的影响，如图2所示。图2中CPE含量为CPE占CPE与KEP210之和的质量百分比。

图2 室温下不同基体材料对半导电材料导电性能的影响

我们选择KEP210和CPE3610作为基体材料，由于KEP210与CPE3610的极性不同，在一定程度上互不相容，研究结果表明：采用不相容的两相聚合物作为基体，可以有效地降低复合型导电聚合物中炭黑的填充量［4］。保持导电炭黑7067的含量为32%，改变基体材料中KEP210和CPE3610的比例，在室温下考察材料的体积电阻率。从图2中可以看出，当基体材料为KEP210时，材料的体积电阻率为7Ω·cm。当基体材料中添加CPE3610时，材料的体积电阻率变大。随着CPE3610含量的增加，材料的体积电阻率又逐渐降低，而当基体材料全为CPE3610时，材料的体积电阻率迅速增加到63 Ω·cm，比KEP210为基体材料时高1个数量级。

KEP210作为基体材料时的体积电阻率比添加CPE3610时低，主要是因为导电炭黑表面含有羟基、羧基等极性基团［5］，而KEP210是非极性材料，因此导电炭黑在KEP210中分散性不好，导致它们在KEP210中形成聚集体，炭黑粒子相互之间的距离很近，更容易形成导电通路或网络。而只有CPE3610作为基体材料时，CPE3610的极性基团与炭黑具有较强的亲和力，炭黑极易分散在CPE3610中，炭黑粒子相互之间的距离相对较远，因此能够形成的导电通路或网络也较少，体积电阻率也比较大。而在KEP210/CPE3610所形成的复合基体材料体系中，炭黑极易选择性地分散于 CPE3610中，在KEP210中含量极少，而CPE3610相在KEP210基体中可能呈类似棒状伸长形状，较大的分散相尺寸以及条状的分散性结构有利于炭黑通过分散相形成相互连接的导电通路，从而有效降低体系的体积电阻率［4］，因此KEP210/CPE3610体系的体积电阻率小于CPE3610体系。

随着CPE3610含量的增加，CPE3610相所承载炭黑粒子的聚集体在KEP210基体中形成更多更长的棒状伸长分散相结构，这种较大长度的棒状结构分散状态更有利于它们之间相互搭接，以形成更多连续的或网络状导电通道，从而降低复合体系的体积电阻率，使材料获得更优越的导电性能。

2.3 测试温度对材料导电性能的影响

电缆在使用过程中，导体的运行温度和环境温度会发生改变，将会影响导电炭黑在材料体系中的分散状态，从而影响导电通路或网络的形成，导致材料的导电性能发生改变。为了更好地了解半导电屏蔽料在不同温度下的使用状态，以便在材料配方设计中能够更好地调整和控制其体积电阻率，我们在不同温度下考察了半导电屏蔽料的体积电阻率，如图3所示。

图3 不同测试温度下半导电屏蔽料的体积电阻率

本文考察了KEP210体系、KEP210/CPE3610（30/70）体系以及CPE3610体系在不同测试温度下体积电阻率的变化，其中导电炭黑7067的含量均为32%。从图3a中可以看出，随着测试温度的升高，KEP210体系的体积电阻率随之逐渐降低。而图3b和图3c中，KEP210/CPE3610（30/70）体系和CPE3610体系的体积电阻率先随着温度升高逐渐增加，在80～90℃之间达到最大值，然后随着温度的升高又逐渐降低。

半导电材料的导电机理比较复杂，一般认为，半导电层的导电的载流子有两类：一类是电子或空穴；另一类是离子［6］。电子电导的过程是电子在导电网络中通过导带传导，而在各导电网络之间的电导是通过隧道效应实现的；离子电导是通过离子在势垒间受热作用发生跃迁而实现的。

对于 KEP210/CPE3610（30/70）体系和CPE3610体系，导电炭黑的分散性相对较好，在温度较低时，从室温到电阻达到最大值的这段温度区域，虽然电导是由电子电导和离子电导构成，但是由于温度相对较低，离子受热的作用而发生跃迁的几率较小，所以以电子电导为主，在这段温度区域，随着温度升高，导电网络之间的距离增大，电导降低，当温度从最大电阻值开始继续升温，此时温度较高，离子受热作用，活化能增大，有更多的离子参与电导，载流子浓度变大，电导变大。而在KEP210体系中，导电炭黑分散性不好，从而聚集在一起，即使温度升高，导电网络之间的距离变化也不大，因此温度对电子电导的影响不大，主要是对离子电导产生影响，因此随着温度的升高离子受热作用，更多的离子参与电导，所以体积电阻率下降。但由于在100℃以内，温度较低，离子跃迁的几率相对较小，所以体积电阻率下降的速度缓慢，而超过该温度，随着温度的升高，离子跃迁的几率增加，所以体积电阻率下降得很快。

2.4 导电炭黑的种类对材料体积电阻率的影响

不同导电炭黑的导电性能不同，导致半导电屏蔽料的导电性能不一样。在满足导电性能的前提下，为了更有效、更经济地选择导电炭黑，我们考察了不同导电炭黑对半导电屏蔽料体积电阻率的影响，如图4所示。

对导电炭黑来说，吸碘值越大、比表面积越大、结构越高，导电性能越好。本文选择了两种导电炭黑7067和F900，其吸碘值分别为75和650，F900的导电性能明显高于7067，另外本文还选择了导电石墨粉作为比较。选择基体材料为CPE3610，导电炭黑的含量均保持32%不变。从图4中可以看出，F900所在体系的体积电阻率最低，比7067所在体系要小，即导电炭黑的电性能越好，其所在体系的导电性能也越好。另外，石墨粉在体系的体积电阻率比其他两个体系高3个数量级左右。

图4 不同导电炭黑对半导电屏蔽料体积电阻率的影响

虽然真正导电性优异的是石墨化的碳，石墨化程度越高，导电性越好［7］，但是在聚合物体系中，起导电作用的因素除了所加导电体本身的导电性外，还与导电粒子在聚合物中的分布有关，同等质量的炭黑和石墨，由于炭黑比重更小，其在聚合物中占据了更大的体积份数，更有利于形成导电网络，从而获得了比石墨粉做填料更好的导电效果，因此导电炭黑所在体系的体积电阻率比石墨粉所在体系要小很多。

3 结 论

本文考察了导电炭黑用量、不同基体材料、不同测试温度以及导电炭黑的种类对半导电屏蔽料导电性能的影响。从中得出：

（1）随着导电炭黑用量的增加，半导电屏蔽料的体积电阻率呈指数形式降低。

（2）KEP210体系比CPE3610体系和KEP210/ CPE3610体系的体积电阻率低；CPE3610体系的体积电阻率最高；在KEP210/CPE3610体系中，随着CPE3610含量的增加，体系的体积电阻率随之降低。

（3）在不同的测试温度下，随着温度的逐渐升高，KEP210体系的体积电阻率逐渐降低，而KEP210/CPE3610体系和CPE3610体系的体积电阻率先逐渐增加，到80～90℃之间达到最大值，温度继续升高，体系的体积电阻率随之降低。

（4）对于不同的导电炭黑，石墨粉所在体系的体积电阻率最高，F900所在体系的体积电阻率最低，即保证材料具有相同导电性能的情况下，F900的用量最少。

［1］ 徐瑞浩，李养珠，汪晓明，等.可交联半导电屏蔽料的研究［J］.电线电缆，1987（6）：22-25.

［2］ 李敬武，吴道虎.高压橡皮绝缘电力电缆用可剥离型半导电绝缘屏蔽料的研制［J］.特种橡胶制品，1996，17（2）：4-10.

［3］ Huang Janchan.Carbon black filled conducting polymers and polymer blends［J］.Advances in Polymer Technology，2002，21（4）：299-313.

［4］ 杨 波，林聪妹，陈光顺，等.导电炭黑在聚丙烯/极性聚合物体系中的选择性分散及其对导电性能的影响［J］.功能高分子学报，2009，19-20（3）：231-236.

［5］ 杨清芝.现代橡胶工艺学［M］.北京：中国石化出版社，1997.

［6］ 朱永华，万树德.关于电缆半导电屏蔽层电阻率试验的研究［J］.电线电缆，2006（1）：23-26.

［7］ 张福勤，黄启忠，黄伯云，等.C/C复合材料石墨化度与导电性能的关系［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

罗晓锋（1982-），男，工程师.

作者地址：四川德阳市旌阳区东海路东段 2号［618000］.