三元乙丙橡膠/氯化聚乙烯并用膠在輸電線路阻尼間隔棒中的應(yīng)用

徐 鵬，何 紅，杜繼紅

（1．北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029；2.四平線路器材廠，吉林 四平 136001）

我國地域廣闊，東西部經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均衡。將西部欠發(fā)達(dá)地區(qū)的煤炭、水力資源輸送到東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，是我國生產(chǎn)力發(fā)展布局的客觀要求。高壓輸電具有線損低、占地少、距離遠(yuǎn)、容量大的優(yōu)勢(shì)，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。阻尼間隔棒應(yīng)用于多分裂導(dǎo)線高壓輸電線路，能夠抑制導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)和次檔距（分裂導(dǎo)線兩間隔棒之間）振蕩，保障高壓輸電線路的安全運(yùn)行，是不可缺少的關(guān)鍵防護(hù)金具[1]。目前，我國正處在高壓輸電線路建設(shè)的高峰期，阻尼間隔棒年需求量達(dá)幾十萬套，與之配套的橡膠件用量巨大。

20世紀(jì)六七十年代，發(fā)達(dá)國家對(duì)阻尼間隔棒配套橡膠件進(jìn)行了集中研究開發(fā)，但橡膠件的組成成分和制造方法都是保密的。由于電力行業(yè)與橡膠行業(yè)跨距大，技術(shù)銜接性差，導(dǎo)致我國對(duì)阻尼間隔棒配套橡膠件配方和性能研究不多。

目前，常用的阻尼橡膠件原材料主要為三元乙丙橡膠（EPDM）和丁基橡膠并用膠，其硫化膠具有良好的阻尼性能、物理性能和耐臭氧老化性能，但也存在不足之處，如膠料的硫化速率小、生產(chǎn)成本高等。因此，研制新型膠種，縮短硫化時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，對(duì)提高橡膠產(chǎn)品使用性能、降低生產(chǎn)成本具有重要意義。

本工作研究EPDM/氯化聚乙烯并用膠在高壓輸電線路阻尼間隔棒中的應(yīng)用。

1 EPDM/氯化聚乙烯并用膠的研制

文獻(xiàn)[2-3]介紹了EPDM及其并用膠的種類和性能，其中電線電纜行業(yè)使用的EPDM/氯化聚乙烯并用膠與輸電線路間隔棒用橡膠的使用條件和使用性能相近[4-5]。

EPDM主鏈?zhǔn)秋柡吞兼?，具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性、良好的耐候性能和耐臭氧性能、優(yōu)良的耐熱性能。由于分子鏈上無極性取代基，分子間內(nèi)聚能較低，因而EPDM存在自粘性和互粘性較差、硫化速率小等缺點(diǎn)。

氯化聚乙烯是含氯的飽和碳鏈高分子，具有優(yōu)良的耐臭氧性能、耐候性能、耐老化性能和耐化學(xué)藥品性能，優(yōu)異的高填充性和化學(xué)特性，價(jià)格低廉，與EPDM相容性較好[6]。

1.1 氯化聚乙烯品種的選擇

氯化聚乙烯品種較多，常用的3個(gè)品種分別為氯化聚乙烯CPE-135A、橡膠型氯化聚乙烯（粉狀）CM-352L和橡膠型氯化聚乙烯（膠狀）CM-352LF。將3種氯化聚乙烯分別與EPDM進(jìn)行混煉、硫化后測(cè)試其基本性能，除配方所用氯化聚乙烯品種不同，其他條件均相同。試驗(yàn)設(shè)備采用廣州廣材試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的XLD-2500E型電力拉力機(jī)和上海六菱儀器廠生產(chǎn)的LX-A型邵式橡膠硬度計(jì)，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 EPDM與不同品種氯化聚乙烯并用膠的物理性能

由表1可知，在混煉條件相同的情況下，EPDM/氯化聚乙烯并用膠均具有更好的物理性能。后續(xù)試驗(yàn)氯化聚乙烯的品種選用CM-352LF。

1.2 試驗(yàn)配方的確定

1.2.1 EPDM/氯化聚乙烯并用比

在配方其他組分和用量相同情況下，制備不同并用比EPDM/氯化聚乙烯并用膠，以相同條件混煉、硫化后，利用美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司生產(chǎn)的CMT4204型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試硫化膠的力學(xué)性能，結(jié)果見表2。

表2 不同并用比EPDM/氯化聚乙烯并用膠的力學(xué)性能

由表2可知，隨著氯化聚乙烯用量增大，硫化膠的300%定伸應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度減小。考慮配方經(jīng)濟(jì)性，氯化聚乙烯用量越大越好，但由于本配方產(chǎn)品性能應(yīng)符合DL/T 1098《間隔棒技術(shù)條件和試驗(yàn)方法》中的合成橡膠元件性能指標(biāo)要求，300%定伸應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度不能過小，綜合各種因素，確定EPDM/氯化聚乙烯并用比為70/30。

1.2.2 硫化體系

EPDM/丁基橡膠并用膠的硫化體系為硫黃/促進(jìn)劑TMTD的低硫高促硫化體系，與之不同的是，EPDM和氯化聚乙烯具有共硫化特性，均可采用過氧化物進(jìn)行硫化。EPDM/氯化聚乙烯并用膠硫化時(shí)，交聯(lián)和斷裂反應(yīng)同時(shí)發(fā)生，為抑制斷裂反應(yīng)同時(shí)加大硫化速率，配方中需添加具有官能團(tuán)的共硫化劑[3]。本試驗(yàn)選用過氧化物DCP。

1.2.3 補(bǔ)強(qiáng)體系和其他助劑

EPDM屬于非結(jié)晶型橡膠，本身強(qiáng)度并不高，需加入補(bǔ)強(qiáng)填料才能使膠料具有較好的物理性能。高耐磨炭黑N330粒徑較小，結(jié)構(gòu)度高，活性點(diǎn)多，比表面積大，具有良好的補(bǔ)強(qiáng)效果，可提高膠料的模量、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率、撕裂強(qiáng)度和耐磨性能，降低壓縮永久變形和口型膨脹率，但會(huì)使膠料的門尼粘度增大，因此用量不宜過大[7]。本試驗(yàn)確定炭黑N330用量為50份。

其他助劑（軟化劑、防老劑等）根據(jù)實(shí)際情況酌情少量添加。當(dāng)主體材料用量為100份時(shí)，補(bǔ)強(qiáng)劑和其他助劑的總用量不超過70份。

綜上所述，本試驗(yàn)配方確定為：EPDM/氯化聚乙烯 70/30，炭黑N330 50，氧化鋅 4，過氧化物DCP 4，硫黃 1，其他（軟化劑、防老劑等）

11。

1.3 硫化工藝條件的確定

硫化工藝條件主要包括壓力、溫度和時(shí)間。硫化壓力越大，硫化膠質(zhì)量越好，但過大的硫化壓力會(huì)造成能源浪費(fèi)。依據(jù)阻尼橡膠件生產(chǎn)實(shí)際情況，硫化壓力以10 MPa為宜。根據(jù)時(shí)溫等效原理，硫化溫度越高，硫化時(shí)間越短。為縮短硫化時(shí)間，宜采用高硫化溫度，但溫度過高會(huì)引起氯化聚乙烯分解，因此，硫化溫度不宜超過175 ℃。根據(jù)試驗(yàn)配方制備的EPDM/氯化聚乙烯混煉膠停放后，采用北京瑞達(dá)宇辰有限公司生產(chǎn)的MR-C3型無轉(zhuǎn)子硫化儀測(cè)定其165，170和175 ℃下的硫化曲線[8]，如圖1所示。

圖1 不同溫度下EPDM/氯化聚乙烯混煉膠的硫化曲線

從圖1可以看出，硫化曲線符合時(shí)溫等效原理，隨著硫化溫度升高，硫化時(shí)間縮短。根據(jù)硫化曲線，并綜合各種因素，確定硫化工藝條件為：硫化壓力 10 MPa，硫化溫度 175 ℃，硫化時(shí)間8 min。

2 阻尼間隔棒配套橡膠的性能

阻尼間隔棒是利用關(guān)節(jié)橡膠作阻尼材料來消耗導(dǎo)線振動(dòng)能量，對(duì)導(dǎo)線振動(dòng)產(chǎn)生阻尼作用，從而降低導(dǎo)線振動(dòng)水平。阻尼橡膠的基本性能要求主要針對(duì)于關(guān)節(jié)橡膠（不包括間隔棒線夾內(nèi)襯墊）[9]，體現(xiàn)在阻尼性能、物理性能和耐臭氧老化性能等方面。按照電力標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1098中常用合成橡膠元件主要性能要求的檢驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)EPDM/氯化聚乙烯并用膠進(jìn)行基本性能測(cè)試。

2.1 阻尼性能

阻尼間隔棒利用關(guān)節(jié)橡膠件的彈性獲得所需剛度，以便在具有充分活動(dòng)性的使用條件下保持分裂導(dǎo)線的幾何尺寸。利用關(guān)節(jié)橡膠件的粘性在交變應(yīng)力下消耗足夠能量，以達(dá)到抑制次檔距振蕩和微風(fēng)振動(dòng)的目的[1]。

橡膠動(dòng)態(tài)粘彈行為表現(xiàn)為滯后現(xiàn)象，應(yīng)變響應(yīng)落后于應(yīng)力一個(gè)相位角（δ），δ越大，橡膠材料的滯后損失越大，阻尼性能越好，消耗導(dǎo)線的振動(dòng)能量越多，抑制導(dǎo)線次檔距振蕩和微風(fēng)振動(dòng)的能力越強(qiáng)。這種力學(xué)損耗也稱滯后損失或內(nèi)耗，通常以特征參數(shù)tanδ值的大小表征[10]。

阻尼橡膠件在交變力場(chǎng)作用下，應(yīng)變響應(yīng)滯后于應(yīng)力變化的現(xiàn)象即為滯后現(xiàn)象，此時(shí)的模量為復(fù)數(shù)模量（E*），即：

式中，σ0為最大應(yīng)力，ε0為最大應(yīng)變是實(shí)數(shù)部分，稱為儲(chǔ)能模量，反映彈性，是能量的儲(chǔ)存部分，簡(jiǎn)稱實(shí)模量；是虛數(shù)部分，稱為損耗模量，反映粘性，是能量的耗損部分，簡(jiǎn)稱虛模量。

用于描述每一周期內(nèi)能量損耗與最大彈性變形能關(guān)系的表征量稱為損耗因子（tanδ），即tanδ＝E″/E′。

由于應(yīng)變滯后于應(yīng)力，則每一個(gè)振動(dòng)周期（形變周期），應(yīng)力-應(yīng)變的拉伸和回縮曲線（見圖2）將包圍成“滯后環(huán)”。這個(gè)遲滯回線（滯后環(huán)）所包含的面積（ABCA）表示在一個(gè)振動(dòng)周期中單位體積的能量損耗（ΔW）。ΔW與tanδ正相關(guān)，公式如下：

圖2 橡膠拉伸和回縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

利用法國01dB-Metravib公司生產(chǎn)的VA3000型動(dòng)態(tài)機(jī)械分析儀（DMA）測(cè)定EPDM/氯化聚乙烯并用膠在－40～＋40 ℃、25 Hz條件下的tanδ，結(jié)果見圖3。

圖3 EPDM/氯化聚乙烯并用膠的tan δ

從圖3可以看出，tanδ值隨著溫度升高而減小，在－18～0 ℃出現(xiàn)區(qū)域阻尼損耗峰，數(shù)值范圍為0.4～0.18，高于電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍（0.4～0.1）。

2.2 物理性能

物理性能反映橡膠材質(zhì)的好壞，EPDM/氯化聚乙烯并用膠的物理性能見表3。

由表3可知，EPDM/氯化聚乙烯并用膠的物理性能達(dá)到電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 EPDM/氯化聚乙烯并用膠的物理性能

2.3 耐臭氧老化性能

高壓輸電線路易于發(fā)生電暈放電現(xiàn)象，產(chǎn)生臭氧、氮的氧化物等有害物質(zhì)。臭氧是橡膠龜裂的主要因素，因此要求阻尼橡膠有很好的耐臭氧老化性能。通過人工模擬強(qiáng)化臭氧條件進(jìn)行臭氧老化試驗(yàn)，可以檢驗(yàn)橡膠的耐臭氧老化性能。利用高鐵檢測(cè)儀器公司生產(chǎn)OZ-0500AH型臭氧試驗(yàn)機(jī)，按GB/T 7762—2014《硫化橡膠或熱塑性橡膠耐臭氧龜裂 靜態(tài)拉伸試驗(yàn)》相關(guān)要求，在溫度25 ℃、臭氧體積分?jǐn)?shù) 50 10-8、拉伸率 20%的試驗(yàn)條件下測(cè)試EPDM/氯化聚乙烯并用膠的耐臭氧老化性能，老化時(shí)間為72 h，測(cè)試結(jié)果見圖4。

由圖4可見，老化前后3個(gè)啞鈴狀EPDM/氯化聚乙烯并用膠試樣均未出現(xiàn)裂紋，表明其具有良好的耐臭氧老化性能。

圖4 EPDM/氯化聚乙烯并用膠的耐臭氧老化性能

3 結(jié)論

采用本試驗(yàn)確定的配方和硫化工藝，膠料的硫化速率增大，硫化時(shí)間縮短；硫化膠的阻尼性能、物理性能和耐臭氧老化性能均達(dá)到電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求；產(chǎn)品的生產(chǎn)成本降低，生產(chǎn)效率提高。