高压交流电缆交联聚乙烯绝缘材料配方设计和优化方法与流程

1.本发明属于输电技术领域，更具体属于交联聚乙烯电力电缆绝缘技术领域，涉及高压交流电缆交联聚乙烯绝缘材料配方设计和优化方法。


背景技术：

2.对于城市供电来说，不宜采用高压架空线，xlpe(cross linked polyethylene，交联聚乙烯)绝缘高压电缆具有占地面积小、安全性高、不易受天气影响等优点，因此，xlpe绝缘高压交流电缆成为目前最重要的电能传输载体之一。高压xlpe绝缘材料配方主要由ldpe(low density polyethylene，低密度聚乙烯)基础树脂、交联剂和抗氧剂构成。
3.35kv及以上电压等级xlpe绝缘材料为保障优异的绝缘性能，通常采用过氧化物dcp(dicumyl peroxide，过氧化二异丙苯)作为交联剂，在热的作用下引发并完成交联反应。在基础树脂不变的前提下，交联剂dcp含量对于高压电缆xlpe绝缘材料的性能有显著影响。若交联剂含量过少，则无法满足材料交联生产效率，可能造成材料交联度不足，进而对材料机械性能和长期耐温性能产生负面影响。为了达到国际常用xlpe电缆绝缘材料的各项性能指标，国内xlpe电缆绝缘材料交联过程中添加的过氧化物的量是国外的1-1.5倍，国产35kv xlpe绝缘材料的dcp用量有时会高达2～2.2phr。而dcp添加量过高，亦会引起一系列问题，其一，将会导致材料过度交联，机械性能下降；其二，交联副产物如苯乙酮、枯基醇等的量增加，会对电缆绝缘层脱气工艺提出更严苛要求，进而对电缆实际生产效率具有显著影响，从而增加生产成本；其三，部分交联副产物无法通过脱气工艺排出或排尽，致使电缆绝缘材料中出现微孔，会显著降低电缆绝缘层的综合性能。因此，在保证xlpe电缆绝缘料优异性能的前提下，减少dcp的添加量是改进xlpe电缆绝缘料的重要途径。
4.xlpe作为电缆的主要绝缘材料，其在生产和使用过程中均不可避免地工作于高温环境中，因此极易在热和氧的作用下发生老化，从而影响其电气性能、机械性能和热稳定性，并会降低电缆的使用寿命。抗氧剂作为聚合物材料常用的添加剂，其能延缓聚合物的氧化老化，是xlpe电缆绝缘材料必不可少的组分。不同的抗氧剂及其含量对xlpe电缆绝缘材料电气、热、机械性能的影响均不同，其耐热氧老化能力亦有显著差异。同时，由于抗氧剂主要作用机理是清除聚合物中的活性自由基，而xlpe的热交联反应必须在dcp引发的高活性自由基作用下才能完成，因此抗氧剂对于材料交联反应行为也有显著影响。
5.高压交联聚乙烯绝缘材料配方设计主要包括：确定ldpe基础树脂、设计防老化配方、设计交联反应配方等三个大部分。以往为设计出高压交联聚乙烯绝缘材料的配方，通常需要对多种ldpe树脂、多种抗氧剂、多种交联剂在多个组分下开展全面实验，对不同配方的材料性能做全面的对比和分析，之后得到合格的配方。如前文所述，交联后的材料与交联之前的ldpe基础树脂有显著性能差异，同时，交联剂和抗氧剂两种重要的配方添加剂之间从原理上是相互影响的，显然高压交联聚乙烯绝缘材料配方设计是一个复杂问题，对于复杂问题的解决，理论上可以采用正交试验法，正交试验法原理上具有试验次数少、效果好、方法简单、使用方便、效率高等诸多优点。然而，绝缘材料的性能评价存在交联性能、机械性
能、电气性能、老化性能等多个方面，交联剂、抗氧剂、大分子相互作用的机理复杂，采用正交试验法很不精确，无法确定试验规律，也并不能得到可靠的结果。
6.目前，国际上的高压交流电缆绝缘材料仍具有突出优势，国内也已经有多家企业也能自主生产110kv及以下等级交流交联聚乙烯绝缘材料。但是现在国内厂家制造高压交流电缆绝缘材料设计材料配方时，并没有依据确定可行的方法。目前确定材料配方主要有两种形式：一种是依据国家标准，通过大量不系统、不成体系的试验探索得到的初步配方；另一种，则是借鉴了常用的xlpe绝缘材料配方，并未根据其采用的具体材料特性而做配方的优化设计。前一种方法的配方设计由于缺乏系统方法设计，具有明显的盲目性，造成大量的时间、人力、物力的浪费。后者，由于厂家具体采用的基础树脂、抗氧剂、交联剂的牌号和生产厂家不同，材料的性能也有明显不同，若采用其它商用材料的配比，并未考虑原材料差异所致的影响，因此也不能得到最优的材料配方。
7.近十年来，城市化进程的推进导致交联聚乙烯绝缘材料的需求量大，多家材料制造或电缆制造企业正筹备新建交联聚乙烯绝缘材料生产线，此时材料配方设计缺失，将导致研发成本和研发周期的增大。另外，虽然已投产的绝缘材料制造企业都具有可应用的配方，但仍然面临以下三种情况，需要对配方进行优化：(1)国内制造的材料依然没有达到国际上同级别材料的性能水平，未来对于材料配方升级仍有强烈需求。(2)当研发更高电压等级交联聚乙烯绝缘材料时，需要将低电压等级材料升级为更高电压等级的材料，此时需要对材料进行配方优化。(3)由于基础树脂生产厂家会面临改变生产工艺或改变型号等情况，当石化企业产能调整时，基础树脂材料供应可能出现变化，需要采用新牌号的基础树脂进行替换，此时材料的性能发生变化，配方需要重新优化。
8.综上，交联聚乙烯绝缘材料配方设计和优化是改善材料性能和产品升级的关键。然而，目前缺乏系统性的配方设计和优化方法。现有技术多是盲目性、大体量的试验，极不利于缩短研发周期和提升绝缘材料性能。


技术实现要素：

9.为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种设计和优化高压交流电缆交联聚乙烯绝缘材料的方法，旨在解决现有高压交流电缆交联聚乙烯绝缘材料配方设计和优化存在的问题：(1)缺乏目标性和系统性；(2)实验周期长、实验工作量大；(3)配方设计仅参考基本相关标准，欠缺对关键性能的评价和优化。
10.本发明采用如下的技术方案。一种高压交流电缆xlpe绝缘材料配方设计和优化的方法，包括以下步骤：
11.步骤1：确定初始配方要素，包括基础树脂、抗氧剂、交联剂的种类；
12.步骤2：基于步骤1中选择的基础树脂，对纯基础树脂热压成型制成的试样进行测试，依次通过两级指标进行优选：定性评价指标i，定量评价指标i；获得优选基础树脂；
13.步骤3：准备多组交联剂/抗氧剂/基础树脂共混物，其中多组抗氧剂和基础树脂的质量份数保持不变，多组交联剂的质量份数呈从小到大设定序列排序，对每组共混物的试样进行测试，依次通过两级指标进行优选：定性评价指标ii，定量评价指标ii；获得优化交联剂配方；
14.步骤4：准备多组交联剂/抗氧剂/基础树脂共混物，其中多组交联剂和基础树脂的
质量份数保持不变，多组抗氧剂的质量份数呈从小到大设定序列排序，对每组共混物的试样进行测试，依次通过两级指标进行优选：定性评价指标iii，定量评价指标iii；获得优化抗氧剂配方；
15.步骤5：电气性能校验，测试结果参数全部满足要求时，该材料配方视为优化配方；否则返回对备选待测进行测试。
16.步骤2、3或4中，定性评价是指判断测试结果参数满足定性评价指标i、ii或iii，若满足视为合格，若不满足，则放弃该材料，进入下一种备选材料的定性评价，直到所有备选材料完成定性评价指标i、ii或iii的测试，筛得满足定性评价指标的材料，然后进入定量评价指标i、ii或iii。
17.优选地，定性评价指标i包括：基于旋转流变仪测得的流变性能参数，基于应力-应变测试获得的拉伸强度参数和断裂伸长率参数，基于高压西林电桥测得的介质损耗角正切和相对介电常数参数。
18.优选地，定量评价指标i包括：基于圆柱状电极测得的交流击穿场强的二参数威布尔分布参数；
19.以特征击穿强度作为第一参数a，以形状参数作为第二参数b，以a大小，对不同树脂做优先级排序，a越大优先级越高，若a一致，则以b对优先级做细分排序，a相同材料中b越小者优先级越高；
20.对所有待优选树脂完成优先级排序，以排序第一者，优先进入步骤3；优先级处于次位者作为备选待测。
21.优选地，步骤3中，对xphr交联剂/0.3phr抗氧剂300/基础树脂共混物制成的试样进行测试，通过两级指标进行优选：定性评价指标ii；定量评价指标ii；
22.其中，x为自定义变量序列：x1、x2、x3、x4……
x
n1
，代表交联剂的质量份数，x≥0，n1表示序列长度，即共混物的组数。
23.优选地，定性评价指标ii包括：表征交联程度的凝胶含量和热延伸率两个参数，以及基于应力-应变测试获得的拉伸强度参数和断裂伸长率参数。
24.优选地，定量评价指标ii包括：交联产气特性参数，对所有组分的材料进行优先级排序，产气特性更优者，脱气残余量越小，优先级越高，脱气残余量相等时，x值越小者，优先级越高，对所有待优化组分材料完成优先级排序：x1、x2、x3、x4……
x
n1
，n1表示序列长度，以排序第一者，优先进入步骤4，优先级处于次位者作为备选待测。
25.优选地，步骤4中，抗氧剂基于其作用机理及协同作用，单独使用，或选择两种抗氧剂配合使用。
26.优选地，定性评价指标iii包括：表征交联程度的凝胶含量和热延伸率两个参数，基于空气老化性能测试获得的老化前后拉伸强度参数和断裂伸长率参数。
27.优选地，定量评价指标iii包括：基于交联反应动力学曲线的特征参数，对所有组分的材料进行优先级排序，交联反应动力学曲线峰值点越偏右者，优先级越高，交联反应动力学曲线重合时，定性评价指标iii中凝胶含量越高者，优先级越高，交联反应动力学曲线重合且定性评价指标iii中凝胶含量相等者，定性评价指标iii中断裂伸长率越高者优先级越高，对所有待优化组分材料完成优先级排序，以排序第一者，优先进入步骤5。
28.本发明的有益效果在于，与现有技术相比，如前文所述，本发明对于基础树脂的关
键性能提出具体要求，提供明确指导性方法，以电学性能对基础树脂的杂质含量、凝胶点含量、极性基团做充分限定，避免基础树脂选择的盲目性，避免了关键性能欠缺考核导致的配方失效，避免了后续实验工作量的浪费，配方设计成功率大幅度提高。
29.依据发明人的长期试验探索基础，优化交联剂配方的过程中，不能不考虑抗氧剂的附加影响，本发明优化交联剂配方过程以0.3phr抗氧剂300作为配合抗氧剂，该抗氧剂特殊的分子结构使其兼具了主抗氧剂和辅抗氧剂的功能，具有功能上的代表性和兼容性，交联剂优化环节因此也更具有普适性，为后续抗氧剂配方优化提供了较为可靠的交联剂配方优化结构基础，从而减少了可能产生的人力、物力、时间浪费。
30.本发明设计的三个级别定量评价指标，分别对基础树脂、交联剂配方、防老化配方做了优化，从而以权重的优先性，促进了配方设计向着高耐电性能、易脱气、抗焦烧、抗老化等方向倾斜，提高了高压交流电缆绝缘材料研发领域普遍关注的关键性能，有利于实现更高电压等级交流交联聚乙烯绝缘材料的研发，也有利于实现固定等级交流交联聚乙烯绝缘材料的迭代升级。
附图说明
31.图1为本发明方法的流程图。
具体实施方式
32.下面结合附图对本技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本技术的保护范围。
33.如图1所示，本发明的实施例1提供了一种高压交流电缆xlpe绝缘材料配方设计和优化的方法，包括以下步骤：
34.步骤1：确定初始配方要素，包括基础树脂、抗氧剂、交联剂的种类。
35.具体包括确定待优选的基础树脂牌号、确定抗氧剂的牌号、确定交联剂dcp的牌号，树脂分别记为l1、l2、l3……
，抗氧剂分别记为ao1、ao2、ao3……
，交联剂分别记为d1、d2、d3、
……
。
36.步骤2：优选基础树脂，基于步骤1中选择的基础树脂，对纯基础树脂热压成型制成的试样进行测试，依次通过两级指标进行优选：定性评价指标i；定量评价指标i。
37.定性评价是指判断测试结果参数满足定性评价指标i，若满足视为合格，若不满足，则放弃该材料，进入下一种备选树脂材料的定性评价，直到所有备选树脂材料完成定性评价指标i的测试，筛得满足定性评价指标i的树脂材料，然后进入定量评价指标i。
38.在本发明优选但非限制性的实施方式中，定性评价指标i包括：基于旋转流变仪测得的流变性能参数，基于应力-应变测试获得的拉伸强度参数和断裂伸长率参数，基于高压西林电桥测得的介质损耗角正切和相对介电常数参数。同时满足上述指标视为合格，进入定量评价指标i。
39.值得注意的是，上述定性评价指标i作为一种优选的实施方式在本发明的技术方案中进行介绍，所属领域技术人员可以根据设计要求设置更加严格的定性评价指标i，例如但不限于，在定性评价指标i中增加更多的判断条件，或提升每项具体指标的合格标准等。同样可以理解的是，在本发明后续的技术方案中，所有的定性评价指标和定量评价指标都
作为一种优选的实施方式在本发明的技术方案中进行介绍，所属领域技术人员可以对其进行适应性调整。
40.定性评价指标i具体要求如下：
[0041][0042]
定量评价指标i包括：基于圆柱状电极测得的交流击穿场强的二参数威布尔分布参数。对不同待优选树脂分别展开测试，以特征击穿强度(尺度参数)作为第一参数a，以形状参数作为第二参数b。以a大小，对不同树脂做优先级排序。a越大优先级越高。若a一致，则以b对优先级做细分排序，a相同材料中b越小者优先级越高。对所有待优选树脂完成优先级排序，以排序第一者，优先进入步骤3。优先级处于次位者作为备选待测。
[0043]
可以理解的是，在工程实践当中，步骤1中选取的基础树脂、抗氧剂和交联剂的种类可以是一种或多种，不影响实施后续步骤，例如但不限于，若步骤1选取的基础树脂仅包括一种，在步骤2定量评价排序过程默认直接越过，直接进入后续步骤。
[0044]
值得注意的是，现有高压交联聚乙烯绝缘材料的具体指标，主要是行业通用的标准，然而标准中仅对有限的几项性能提出了要求。而对于流变特性、产气特性、交联动力学曲线这些直接取决于材料配方的关键特性，标准中未做规定。其中，流变特性决定材料的挤出加工特性以及绝缘结构的均匀性；产气特性决定材料交联后脱气所需的时间以及脱气效果，并最终对于材料的长期运行稳定产生影响；交联动力学曲线决定材料的抗焦烧特性，并对电缆绝缘最大挤出长度产生限制。
[0045]
此外，现有的行业通用标准，仅对交联后材料的性能做明确要求，对于基础树脂没有提出具体要求，当前也缺乏指导性方法，由于基础树脂的杂质含量、凝胶点含量对于交联聚乙烯绝缘材料的电气性能起决定作用，这导致材料配方设计初始就存在盲目性，作为本发明对于现有技术做出的其中一项改进在于，本发明对于这些关键的基础树脂性能均做出要求。从而避免了关键性能欠缺考核导致的配方失效，配方设计成功率大幅度提高。
[0046]
更具体地，本发明突出的实质性特点及其带来的显著有益效果之一在于，本发明的定性评价指标i中，本发明采用基于旋转流变仪测得的流变性能对基础树脂做出定性评价，比常规的基础树脂性能指标(密度、熔融指数)等更具体，充分考虑了电缆绝缘材料制造、电缆绝缘层制造过程对于基础树脂的要求，低剪切频率下的粘度用于限定材料的零切粘度，避免材料零切粘度不足导致的挤出后偏芯，高剪切频率下的粘度用于限定材料的挤出加工性能，避免挤出量过大或过低以及挤出质量差的问题。拉伸强度和断裂伸长率的限定，是避免材料交联后拉伸强度断裂伸长率无法满足要求的问题，进一步对基础树脂的大分子结构做出限定。
[0047]
本发明的定性指标i中，击穿场强的威布尔分布参数，是对材料的纯净度做进一步
要求，避免大尺寸的杂质或凝胶点的存在，从多种待选择树脂中，基于电气性能优先选出其中纯净度较高者，同时介质损耗角正切值是对材料的分子结构纯净度做进一步限制，避免大分子中存在大量极性基团，保障基础树脂在介质损耗角正切上留有充足裕度，避免基础树脂后续加入抗氧剂和交联剂等极性分子之后，介质损耗角正切超出要求的问题。
[0048]
步骤3：优化交联剂配方，准备多组交联剂/抗氧剂/基础树脂共混物，其中多组抗氧剂和基础树脂的质量份数保持不变，多组交联剂的质量份数呈从小到大设定序列排序，对每组共混物的试样进行测试，依次通过两级指标进行优选：定性评价指标ii；定量评价指标ii。
[0049]
在本发明一个优选但非限制性的实施方式中，具体分两步对x phr交联剂/0.3phr抗氧剂300/基础树脂共混物制成的试样进行测试，通过两级指标进行优选：定性评价指标ii；定量评价指标ii。其中，x为自定义变量序列：x1、x2、x3、x4……
x
n1
，代表交联剂的质量份数，x≥0，n1表示序列长度，即共混物的组数。一个优选但非限制性的实施方式为，每个x值形成等差数列，最小等差值不低于0.01phr不大于0.2phr。
[0050]
值得注意是，由于抗氧剂种类本就繁多，若采用主抗氧剂和辅助抗氧剂配合的技术方案时，其待选配方种类更为繁杂。作为本发明对于现有技术的改进之一，选用抗氧剂300的考量以及能够取得的有益技术效果至少在于，抗氧剂的选择对于dcp含量的优选过程及后续流程都有影响，因此，当对dcp含量进行优化时，作为配合的抗氧剂配方应具有代表性和可行性，这样才能在减少工作量和简化配方优化流程的同时，确保dcp含量优选结果的可靠性。
[0051]
抗氧剂300是xlpe绝缘中常用的添加剂，其在功能上兼具了主抗氧剂和辅助抗氧剂的功能性，同时0.3phr抗氧剂300的抗氧剂配方是工程经验证明可行的成熟方案，以0.3phr抗氧剂300配合，旨在简化设计流程，并得出可靠的dcp含量。相比之下，若以待选配方的任一抗氧剂配方为配合，对dcp含量进行优化，由于待选配方很可能不具有代表性，甚至无法满足使用条件，因此其得出的结果很可能不具有普适性，对dcp含量的设计以及进一步的抗氧剂配方优化设计都会造成很大偏差。
[0052]
在更进一步优选的实施方式中，定性评价指标ii包括：表征交联程度的凝胶含量和热延伸率两个参数，基于应力-应变测试获得的拉伸强度参数和断裂伸长率参数。定性评价指标的测试方法与具体参数要求，均只需对照满足目标电压等级交联聚乙烯绝缘材料相关通用标准即可。同时满足上述指标视为合格。若不满足，则放弃该配方，进入下一种备选交联剂配方材料的定性评价。直到完成所有待选配方完成定性评价指标ii的测试，筛得满足定性评价指标ii的配方，进入定量评价指标ii。
[0053]
定量评价指标ii包括：交联产气特性参数。对所有组分的材料进行优先级排序，产气特性更优者，脱气残余量越小，优先级越高。脱气残余量相等时，x值越小者，优先级越高。对所有待优化组分材料完成优先级排序：x1、x2、x3、x4……
x
n1
，n1表示序列长度。以排序第一者，优先进入步骤4。优先级处于次位者作为备选待测。
[0054]
在更进一步优选的实施方式中，定性指标ii交联产气特性测试方法：用精密天平称取约5～10g待测配方材料，反应前精确称重，在平板硫化机中经热压成型和交联反应后放入-0.1mpa、80℃的真空烘箱脱气处理72h，得到不同脱气时间的产气量，首先计算得到理论产气量，即所添加dcp占共混物质量的百分比，产气量即交联和脱气后材料损失治疗占共
混物初始总质量的百分比，以如下公式表示脱气余量，
[0055][0056]
本发明另一突出的实质性特点及其带来的显著有益效果之一在于，本发明优化交联剂配方步骤中，以定性评价指标ii限定材料的交联性能和机械性能，以此限制交联剂用量的下限，同时，设立交联产气定量评价指标ii，以此优选低产气量或优脱气效率的配方，从效果上可视为探索交联剂用量的上限，从而可以借助这一配方优化步骤解决材料交联剂用量大导致的诸多问题。
[0057]
步骤4：优化抗氧剂配方，准备多组交联剂/抗氧剂/基础树脂共混物，其中多组交联剂和基础树脂的质量份数保持不变，多组抗氧剂的质量份数呈从小到大设定序列排序，对每组共混物的试样进行测试，依次通过两级指标进行优选：定性评价指标iii；定量评价指标iii。
[0058]
在本发明一个优选但非限制性的实施方式中，抗氧剂基于其作用机理及协同作用，可以单独使用，也可以选择两种抗氧剂配合使用，以两种抗氧剂配合使用为例，具体分两步对y phr抗氧剂ao1/z phr抗氧剂ao2/x
n phr交联剂/基础树脂共混物，其中，xn为步骤3获得的交联剂质量份数，y为第一种抗氧剂自定义变量序列：y1、y2、y3、
……yn2
，z为第二种抗氧剂自定义变量序列：z1、z2、z3、
……zn3
，y和z代表交联剂的质量份数，y和z都大于等于0，且不同时为0制成的试样进行测试，n2和n3表示序列长度，通过两级指标进行优选：定性评价指标iii；定量评价指标iii。在进一步优选但非限制性的实施方式中，y和z为等差数列，最小等差值不低于0.01phr且不大于0.3phr。
[0059]
在更进一步优选的实施方式中，定性评价指标iii包括：表征交联程度的凝胶含量和热延伸率两个参数，基于空气老化性能测试获得的老化前后拉伸强度参数和断裂伸长率参数。同时满足上述指标视为合格，若不满足，则放弃该配方，进入下一种备选抗氧剂配方材料的定性评价。直到所有待选配方完成定性评价指标iii的测试，筛得满足定性评价指标iii的配方，进入定量评价指标iii。
[0060]
定量评价指标iii包括：基于交联反应动力学曲线的特征参数。对所有组分的材料进行优先级排序，交联反应动力学曲线峰值点越偏右(以时间为横轴)者，优先级越高。交联反应动力学曲线重合时，定性评价指标iii中凝胶含量越高者，优先级越高，交联反应动力学曲线重合且定性评价指标iii中凝胶含量相等者，定性评价指标iii中断裂伸长率越高者优先级越高。对所有待优化组分材料完成优先级排序，以排序第一者，优先进入步骤5。优先级处于次位者作为备选待测。
[0061]
本发明另一突出的实质性特点及其带来的显著有益效果之一在于，本发明根据这些关键性能对于材料配方(抗氧剂或交联剂)的侧重依赖性，将性能测试环节定位于筛选方法流程中最优位置，大幅度缩减了往复测试次数、减少了不必要的重复测试，进而不仅减少了整体工作量，也提高了配方设计和优化效率。比如，交联反应动力学曲线对于抗氧剂和交联剂都有依赖性，但本发明将交联反应动力学曲线作为定量评价指标iii内容，在定量评价指标ii中不做考虑，从而减少了工作量。
[0062]
步骤5：电气性能校验，测试结果参数全部满足要求时，该材料配方视为优化配方；否则返回对备选待测进行测试。
[0063]
在本发明一个优选但非限制性的实施方式中，电气性能校验为定性评价，具体包括：电导率、介质损耗因数、相对介电常数、交流击穿强度。
[0064]
在更进一步优选的实施方式中，当以上参数全部满足要求时，该材料配方视为优化配方，当有任一参数不满足要求时，放弃该配方，返回定量评价指标iii，按优先级继续电气性能校验测试，校验测试过程中，对前一个配方所不满足要求的参数优先测试，其次测试其它参数。若定性评价指标iii中所有配方均不能通过电气性能校验，则返回定量评价指标ii，按优先级继续进行测试。若定量评价指标ii所有配方均不能得到最终配方，则返回定量评价指标i，若定量评价指标i所有配方均不能得到最终配方，则重新定义初始配方要素，重新按步骤进行配方设计和优化。步骤5所述的电气性能参数要求，为本配方设计和优化的指向目标，可以依据自定义的具体要求，也可以依据行业标准。
[0065]
本发明更进一步的突出的实质性特点及其带来的显著有益效果之一在于，电气性能全面测试仅作为各个配方的最终校核，也避免了反复的、低参考价值的电学性能测试。
[0066]
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，如前文所述，本发明对于基础树脂的关键性能提出具体要求，提供明确指导性方法，以电学性能对基础树脂的杂质含量、凝胶点含量、极性基团做充分限定，避免基础树脂选择的盲目性，避免了关键性能欠缺考核导致的配方失效，避免了后续实验工作量的浪费，配方设计成功率大幅度提高。
[0067]
依据发明人的长期试验探索基础，优化交联剂配方的过程中，不能不考虑抗氧剂的附加影响，本发明优化交联剂配方过程以0.3phr抗氧剂300作为配合抗氧剂，该抗氧剂特殊的分子结构使其兼具了主抗氧剂和辅抗氧剂的功能，具有功能上的代表性和兼容性，交联剂优化环节因此也更具有普适性，为后续抗氧剂配方优化提供了较为可靠的交联剂配方优化结构基础，从而减少了可能产生的人力、物力、时间浪费。
[0068]
本发明设计的三个级别定量评价指标，分别对基础树脂、交联剂配方、防老化配方做了优化，从而以权重的优先性，促进了配方设计向着高耐电性能、易脱气、抗焦烧、抗老化等方向倾斜，提高了高压交流电缆绝缘材料研发领域普遍关注的关键性能，有利于实现更高电压等级交流交联聚乙烯绝缘材料的研发，也有利于实现固定等级交流交联聚乙烯绝缘材料的迭代升级。
[0069]
为了更加清楚地介绍本发明的实施步骤以及能够取得的有益技术效果，以下介绍一个具体实例。
[0070]
一种高压交流电缆xlpe绝缘材料配方设计和优化的方法，包括以下步骤：
[0071]
步骤1：确定初始配方要素，包括基础树脂ldpe一种，记为l1，抗氧剂两种，分别是抗氧剂1010和抗氧剂1035，记为ao1、ao2，交联剂的种类为dcp，记为d1。
[0072]
步骤2：优选基础树脂，本例不含多种树脂，因此只进行定性评价指标i的环节，无需进行定量评价指标i的环节。
[0073]
本例的l1树脂定性评价指标i具体测试结果如下：
[0074][0075]
定性评价指标i全部满足，越过定量评价指标i的环节，进入步骤3。
[0076]
步骤3：优化交联剂d1含量。
[0077]
在温度为110℃、转速为50r/min的密炼机中加入ldpe颗粒混炼至完全熔融，将抗氧剂300加入密炼机中混炼5min，然后加入一定量的dcp混炼3min，制备得到可交联聚乙烯。将一定量的可交联聚乙烯在110℃的平板硫化机中热压15min成型后，转移至175℃的平板硫化机中加压至15mpa交联30min，取出转移至同等压力下的水冷平板硫化机中冷却，制备成不同规格的xlpe试样。具体分两步对x phr交联剂/0.3phr抗氧剂300/基础树脂共混物制成的试样进行测试。x为自定义变量序列：x1＝1.6、x2＝1.7、x3＝1.8、x4＝1.9。
[0078]
通过两级指标进行优选：定性评价指标ii；定量评价指标ii。
[0079]
定性评价指标ii包括：表征交联程度的凝胶含量和热延伸率两个参数，基于应力-应变测试获得的拉伸强度参数和断裂伸长率参数。定性评价指标的测试方法具体依据标准jb/t10437-2004。要求凝胶含量≥82％，负载伸长率≤80％，拉伸强度≥20mpa，断裂伸长率≥500％。
[0080][0081]
经过测试，x3＝1.8、x4＝1.9时，同时满足上述指标，视为合格，进入定量评价指标ii。
[0082]
定性指标ii交联产气特性测试方法：用精密天平称取约5g待测配方材料，反应前精确称重，在平板硫化机中经热压成型和交联反应后放入-0.1mpa、80℃的真空烘箱脱气处理72h，再精确称重，得到产气量、理论产气量、脱气余量。
[0083][0084]
步骤4：优化抗氧剂配方。
[0085]
两种抗氧剂可以单独使用，也可以配合使用，具体分两步对y phr抗氧剂ao1/z phr抗氧剂ao2/x
n phr交联剂/基础树脂共混物制成的试样进行测试，制样方法同前述步骤3一致，y为自定义变量序列：y1＝0.3、y2＝0.15、y3＝0，z为自定义变量序列：z1＝0、z2＝0.15、
z3＝0.3，通过两级指标进行优选：定性评价指标iii；定量评价指标iii。
[0086]
定性评价指标iii包括：表征交联程度的凝胶含量和热延伸率两个参数，基于空气老化性能测试获得的老化前后拉伸强度参数和断裂伸长率参数。测试方法具体依据标准jb/t10437-2004。要求凝胶含量≥82％，负载伸长率≤80％，老化前，拉伸强度≥20mpa，断裂伸长率≥500％，且老化后的拉伸强度变化率、断裂伸长率变化率都小于
±
20％。
[0087][0088]
y2＝0.15z2＝0.15以及y3＝0z3＝0.3两个材料能同时满足上述指标，视为合格，进入定量评价指标iii。交联反应动力学曲线显示，材料(y2＝0.15z2＝0.15)优先级高。材料(y3＝0z3＝0.3)优先级处于次位，作为备选待测。
[0089]
步骤5：电气性能校验。
[0090]
电气性能校验为定性评价，具体包括：电导率、介质损耗因数、相对介电常数、交流击穿强度。测试方法具体依据标准jb/t 10437-2004，要求如下表：
[0091][0092]
材料(y2＝0.15z2＝0.15)以上参数全部满足要求，得到最终配方：基础树脂为l1，交联剂为d1，含量为1.8phr，抗氧剂为抗氧剂ao1和抗氧剂ao2共同使用，含量均为0.15phr。
[0093]
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，如前文所述，本发明对于基础树脂的关键性能提出具体要求，提供明确指导性方法，以电学性能对基础树脂的杂质含量、凝胶点含量、极性基团做充分限定，避免基础树脂选择的盲目性，避免了关键性能欠缺考核导致的配方失效，避免了后续实验工作量的浪费，配方设计成功率大幅度提高。
[0094]
依据发明人的长期试验探索基础，优化交联剂配方的过程中，不能不考虑抗氧剂的附加影响，本发明优化交联剂配方过程以0.3phr抗氧剂300作为配合抗氧剂，该抗氧剂特殊的分子结构使其兼具了主抗氧剂和辅抗氧剂的功能，具有功能上的代表性和兼容性，交联剂优化环节因此也更具有普适性，为后续抗氧剂配方优化提供了较为可靠的交联剂配方优化结构基础，从而减少了可能产生的人力、物力、时间浪费。
[0095]
本发明设计的三个级别定量评价指标，分别对基础树脂、交联剂配方、防老化配方做了优化，从而以权重的优先性，促进了配方设计向着高耐电性能、易脱气、抗焦烧、抗老化
等方向倾斜，提高了高压交流电缆绝缘材料研发领域普遍关注的关键性能，有利于实现更高电压等级交流交联聚乙烯绝缘材料的研发，也有利于实现固定等级交流交联聚乙烯绝缘材料的迭代升级。本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种高压交流电缆xlpe绝缘材料配方设计和优化的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：确定初始配方要素，包括基础树脂、抗氧剂、交联剂的种类；步骤2：基于步骤1中选择的基础树脂，对纯基础树脂热压成型制成的试样进行测试，依次通过两级指标进行优选：定性评价指标i，定量评价指标i；获得优选基础树脂；步骤3：准备多组交联剂/抗氧剂/基础树脂共混物，其中多组抗氧剂和基础树脂的质量份数保持不变，多组交联剂的质量份数呈从小到大设定序列排序，对每组共混物的试样进行测试，依次通过两级指标进行优选：定性评价指标ii，定量评价指标ii；获得优化交联剂配方；步骤4：准备多组交联剂/抗氧剂/基础树脂共混物，其中多组交联剂和基础树脂的质量份数保持不变，多组抗氧剂的质量份数呈从小到大设定序列排序，对每组共混物的试样进行测试，依次通过两级指标进行优选：定性评价指标iii，定量评价指标iii；获得优化抗氧剂配方；步骤5：电气性能校验，测试结果参数全部满足要求时，该材料配方视为优化配方；否则返回对备选待测进行测试。2.根据权利要求1所述的一种高压交流电缆xlpe绝缘材料配方设计和优化的方法，其特征在于：步骤2、3或4中，定性评价是指判断测试结果参数满足定性评价指标i、ii或iii，若满足视为合格，若不满足，则放弃该材料，进入下一种备选材料的定性评价，直到所有备选材料完成定性评价指标i、ii或iii的测试，筛得满足定性评价指标的材料，然后进入定量评价指标i、ii或iii。3.根据权利要求2所述的一种高压交流电缆xlpe绝缘材料配方设计和优化的方法，其特征在于：定性评价指标i包括：基于旋转流变仪测得的流变性能参数，基于应力-应变测试获得的拉伸强度参数和断裂伸长率参数，基于高压西林电桥测得的介质损耗角正切和相对介电常数参数。4.根据权利要求2所述的一种高压交流电缆xlpe绝缘材料配方设计和优化的方法，其特征在于：定量评价指标i包括：基于圆柱状电极测得的交流击穿场强的二参数威布尔分布参数；以特征击穿强度作为第一参数a，以形状参数作为第二参数b，以a大小，对不同树脂做优先级排序，a越大优先级越高，若a一致，则以b对优先级做细分排序，a相同材料中b越小者优先级越高；对所有待优选树脂完成优先级排序，以排序第一者，优先进入步骤3；优先级处于次位者作为备选待测。5.根据权利要求2所述的一种高压交流电缆xlpe绝缘材料配方设计和优化的方法，其特征在于：步骤3中，对x phr交联剂/0.3phr抗氧剂300/基础树脂共混物制成的试样进行测试，通过两级指标进行优选：定性评价指标ii；定量评价指标ii；其中，x为自定义变量序列：x1、x2、x3、x4……
x
n1
，代表交联剂的质量份数，x≥0，n1表示序
列长度，即共混物的组数。6.根据权利要求5所述的一种高压交流电缆xlpe绝缘材料配方设计和优化的方法，其特征在于：定性评价指标ii包括：表征交联程度的凝胶含量和热延伸率两个参数，以及基于应力-应变测试获得的拉伸强度参数和断裂伸长率参数。7.根据权利要求5所述的一种高压交流电缆xlpe绝缘材料配方设计和优化的方法，其特征在于：定量评价指标ii包括：交联产气特性参数，对所有组分的材料进行优先级排序，产气特性更优者，脱气残余量越小，优先级越高，脱气残余量相等时，x值越小者，优先级越高，对所有待优化组分材料完成优先级排序：x1、x2、x3、x4……
x
n1
，n1表示序列长度，以排序第一者，优先进入步骤4，优先级处于次位者作为备选待测。8.根据权利要求2所述的一种高压交流电缆xlpe绝缘材料配方设计和优化的方法，其特征在于：步骤4中，抗氧剂基于其作用机理及协同作用，单独使用，或选择两种抗氧剂配合使用。9.根据权利要求8所述的一种高压交流电缆xlpe绝缘材料配方设计和优化的方法，其特征在于：定性评价指标iii包括：表征交联程度的凝胶含量和热延伸率两个参数，基于空气老化性能测试获得的老化前后拉伸强度参数和断裂伸长率参数。10.根据权利要求8所述的一种高压交流电缆xlpe绝缘材料配方设计和优化的方法，其特征在于：定量评价指标iii包括：基于交联反应动力学曲线的特征参数，对所有组分的材料进行优先级排序，交联反应动力学曲线峰值点越偏右者，优先级越高，交联反应动力学曲线重合时，定性评价指标iii中凝胶含量越高者，优先级越高，交联反应动力学曲线重合且定性评价指标iii中凝胶含量相等者，定性评价指标iii中断裂伸长率越高者优先级越高，对所有待优化组分材料完成优先级排序，以排序第一者，优先进入步骤5。

技术总结
一种高压交流电缆XLPE绝缘材料配方设计和优化的方法，包括以下步骤：步骤1：确定初始配方要素，包括基础树脂、抗氧剂、交联剂的种类；步骤2：对纯基础树脂热压成型制成的试样进行测试，依次通过定性评价指标I，定量评价指标I；获得优选基础树脂；步骤3：准备多组交联剂/抗氧剂/基础树脂共混物，依次通过定性评价指标II，定量评价指标II；获得优化交联剂配方；步骤4：准备多组交联剂/抗氧剂/基础树脂共混物，依次通过定性评价指标III，定量评价指标III；获得优化抗氧剂配方；步骤5：电气性能校验，测试结果参数全部满足要求时，该材料配方视为优化配方；否则返回对备选待测进行测试。本发明提高了高压交流电缆绝缘材料普遍关注的关键性能。性能。性能。


技术研发人员：侯帅 傅明利 黎小林 贾磊 樊灵孟 章彬 伍国兴 朱闻博 徐曙 惠宝军 展云鹏 冯宾 张逸凡 曹宁 李春阳
受保护的技术使用者：深圳供电局有限公司
技术研发日：2022.09.02
技术公布日：2023/8/23