一种中压电力电缆及应用的制作方法

本发明涉及电缆，具体为一种中压电力电缆及应用。

背景技术：

1、中压电力电缆是城市输配电、隧道、管廊及竖井等场合的重要电力传输载体。此类使用环境通常具有潮湿、密闭、通风条件差甚至长期浸水等特点，对电缆外护套的阻燃性、阻水性、环保性及长期运行可靠性提出了较高要求。外护套不仅需要在火灾条件下延缓火焰蔓延、降低热释放和烟密度，还应在正常运行及破损情况下阻止水分沿电缆纵向或径向侵入，避免绝缘性能下降。随着无卤化、低烟、低毒要求的不断提高，传统含卤阻燃护套材料已逐渐被无卤阻燃聚烯烃材料替代。

2、目前，无卤阻燃聚烯烃护套通常采用氢氧化镁、氢氧化铝等金属氢氧化物作为阻燃剂。这类阻燃剂只有在较高填充量下才能达到较理想的阻燃效果，而高填充量往往导致护套材料的拉伸强度、断裂伸长率等力学性能明显下降，限制了其在电缆外护套中的应用。为降低金属氢氧化物用量，现有技术引入二乙基次膦酸铝等有机磷系阻燃剂与金属氢氧化物复配，利用磷-镁协同作用提高阻燃效率。但有机磷系阻燃剂在长期湿热作用下存在从护套基体中逐渐向外迁移、析出的倾向，不仅降低阻燃持久性，还可能影响电缆表面状态和其他层结构。针对该问题，已有技术尝试对阻燃剂进行包覆或微胶囊化处理，例如采用聚合物壳层、无机氧化物壳层或水滑石阻隔层等来抑制阻燃剂迁移。然而，这些包覆结构大多以单一阻隔功能为主，在阻燃剂有效释放、与聚烯烃基体相容性以及综合性能平衡方面仍存在不足。

3、另一方面，中压电力电缆通常设置阻水层以阻止水分沿电缆纵向渗透，常见的阻水层为含高吸水性树脂的阻水带。但在外护套层发生机械破损后，水分仍可能透过破损点进入电缆内部，而现有外护套材料本身通常不具备遇水自密封能力，难以在破损后主动阻断水分侵入。此外，现有部分含亲水性有机组分的改性材料与聚烯烃基体的相容性存在一定问题，限制了其在电缆外护套中的实际应用。

4、综上，现有中压电力电缆在采用含磷阻燃剂和金属氢氧化物提高无卤阻燃性能时，仍可能存在含磷组分在高温潮湿条件下浸出、护套高填充后力学性能下降以及外护套产生机械裂口后水分易沿裂口和电缆纵向扩散等问题。因此，有必要提供一种中压电力电缆，在降低高温潮湿条件下含磷组分浸出的同时，改善护套破损后的径向封堵和电缆纵向阻水能力。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供了一种中压电力电缆，包括由内到外依次设置的导体、导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、半导电阻水带、金属屏蔽层、内护层、铠装层、阻水层和外护套层，所述外护套层包括由内到外依次设置的阻燃功能层和外保护层。

2、以线性低密度聚乙烯（lldpe）与乙烯-醋酸乙烯共聚物（eva）合计100重量份为基准，所述阻燃功能层包括：58～62份lldpe，余量为eva；阻燃粒子30～38份，经kh-550表面改性氢氧化镁45～52份，马来酸酐接枝聚乙烯5.5～6.5份，抗氧剂1010 0.25～0.35份；抗氧剂168 0.25～0.4份，硬脂酸钙0.5～0.8份，炭黑母粒2～3份。

3、所述阻燃粒子包括二乙基次膦酸铝（adp）核、包覆于所述adp核表面的聚多巴胺（pda）中间层、在所述pda中间层表面沉积形成的mgal-ldh（镁铝层状双氢氧化物）层、以及在mgal-ldh层表面原位聚合形成并结合于其表面的、由预先部分中和的丙烯酸（aa）与甲基丙烯酸羟乙酯（hema）共聚形成的aa-hema聚合物层。

4、所述pda中间层经京尼平交联；所述mgal-ldh层经kh-570表面功能化处理。

5、所述阻燃功能层的厚度占外护套层总厚度的68%～75%。

6、所述阻水层为含聚丙烯酸钠系高吸水性树脂的阻水带。

7、优选的，所述eva的醋酸乙烯含量为18%～28%，在190℃、2.16kg条件下的熔体质量流动速率为3～8g/10min；所述lldpe在190℃、2.16kg条件下的熔体质量流动速率为1～3g/10min；所述马来酸酐接枝聚乙烯的接枝率为0.8%～1.2%；所述炭黑母粒中炭黑质量分数为40%～50%。

8、优选的，所述adp核的d50为5～10μm；所述mgal-ldh层中mg与al的摩尔比为(2.4～2.6):1；所述aa-hema聚合物层的aa中和度为48%～52%，以中和前的aa质量计，aa与hema的质量比为1:(0.6～0.8)，并用质量为aa和hema总质量1.5%～2.0%的聚乙二醇二丙烯酸酯（pegda）进行交联。

9、优选的，以lldpe与eva合计100重量份为基准，所述外保护层包括：70～85份lldpe，余量为eva；抗氧剂1010 0.2～0.4份，抗氧剂168 0.2～0.4份，硬脂酸钙0.3～0.8份，炭黑母粒5～6份。

10、优选的，所述阻水带的基材为聚酯纤维非织造布，涂层为丙烯酸-丙烯酸钠共聚物，厚度为0.3～0.5mm；所述阻水带在去离子水中的自由吸水倍率为15～40倍，吸水时间为30s时的膨胀高度为1.5～4.0mm，在0.1mpa受压条件下的吸水量不低于8倍干态质量。

11、本发明还提供了一种中压电力电缆的制备方法，包括以下步骤：将阻燃粒子在60～70℃下真空干燥至水分≤0.2%；将经kh-550表面改性氢氧化镁在80～90℃下干燥至水分≤0.3%；以lldpe与eva合计100重量份为基准，将干燥后的阻燃粒子30～38份与10～15份eva、全部马来酸酐接枝聚乙烯、0.1～0.2份抗氧剂1010及0.1～0.2份抗氧剂168预混合，预混后再次真空干燥至水分≤0.05%，得到预分散料；然后将58～62份lldpe、剩余eva、剩余抗氧剂1010、剩余抗氧剂168、0.5～0.8份硬脂酸钙和2～3份炭黑母粒从双螺杆挤出机主喂料口加入，将所述预分散料和干燥后的经kh-550表面改性氢氧化镁从中后段侧喂料口加入，在双螺杆挤出机各区温度130～160℃下熔融共混造粒，实际熔体温度不高于165℃，得到阻燃功能层材料；将70～85份lldpe、15～30份eva、0.2～0.4份抗氧剂1010、0.2～0.4份抗氧剂168、0.3～0.8份硬脂酸钙和5～6份炭黑母粒熔融共混，所述线性低密度聚乙烯与乙烯-醋酸乙烯共聚物合计100份，得到外保护层材料；在导体上依次挤包导体屏蔽层、绝缘层和绝缘屏蔽层，经三层共挤交联形成线芯；在线芯外绕包半导电阻水带后包覆金属屏蔽层，在金属屏蔽层外挤包内护层；在内护层外包覆铠装层，然后在铠装层外绕包阻水层，所述阻水层绕包搭盖率≥15%；最后将所述阻燃功能层材料和外保护层材料共挤形成外护套层，挤出温度140～165℃，所述阻燃功能层位于外保护层内侧，得到所述中压电力电缆。

12、优选的，所述阻燃粒子的制备方法包括以下步骤：s1、以重量份计，将10份adp进行气流粉碎并分级，使d50为5～10μm；用0.15～0.25份kh-550在30～40份乙醇/水混合溶剂中对分级后adp进行表面硅烷化改性，反应后过滤，用乙醇/水混合液洗涤2～4次，于60～70℃真空干燥10～14h，得到adp核。

13、s2、将s1所得adp核分散于180～220份tris缓冲液中；加入0.6～0.8份多巴胺盐酸盐，在20～25℃、与空气接触条件下搅拌12～16h，使多巴胺氧化自聚在adp核表面形成pda中间层，过滤，洗涤至上清液澄清去除游离pda后，将粒子重新分散于180～220份去离子水中，加入0.02～0.03份京尼平交联4～6h，再次洗涤，得到adp@pda粒子。

14、s3、将s2所获adp@pda粒子分散于180～220份去离子水中，得到粒子分散液；将0.9～0.95份al(no3)3·9h2o和按mg/al摩尔比2.4～2.6:1计算的mg(no3)2·6h2o溶于60～80份去离子水中，得到金属盐混合溶液；配制含1～1.5mol/l naoh和0.1～0.2mol/l na2co3的碱液，碱液实际加入量由ph反馈决定；在n2保护、60～65℃条件下，将金属盐混合溶液与碱液并流滴加至粒子分散液中，通过碱液流量使ph稳定在9.3～9.7；滴加完成后老化，洗涤至滤液接近中性，于60～80℃真空干燥，得到adp@pda@mgal-ldh粒子。

15、s4、将s3所得adp@pda@mgal-ldh粒子用0.1～0.15份kh-570进行表面功能化处理后，分散于80～120份除氧水中，通n2除氧20～30min并升至60～65℃；将aa预先用质量浓度为25%～35%的naoh溶液部分中和，使中和度为48%～52%，以部分中和前的aa计，与hema按1:(0.6～0.8)质量比混合，aa和hema总质量为1.2～1.6份，加入aa和hema总质量1.5%～2%的pegda，得到单体液；将所述单体液与过硫酸铵水溶液分别滴加至所述粒子分散液中进行原位聚合反应，滴加时间为1.5～2h，滴加结束后继续反应2～3h；反应结束后过滤、洗涤至洗液ph为6.5～7.5、于60～70℃真空干燥至水分不高于0.2%，得到所述阻燃粒子。

16、优选的，s1中，所述乙醇/水混合溶剂中乙醇与水的质量比为3:1；以稀乙酸调节ph至4.5～5.5，kh-550先预水解20～40min再加入adp，反应温度为50～60℃，反应时间为2～3h；s2中，tris缓冲液为三羟甲基氨基甲烷与盐酸配制而成，浓度为10～30mmol/l，ph为8.3～8.5。

17、优选的，s3中，金属盐混合溶液与碱液分两次并流滴加：第一次沉积滴加50%金属盐混合溶液与碱液，滴加时间1～1.5h，维持ph 9.3～9.7，老化2～3h后洗涤，并将粒子重新分散于180～220份去离子水中；第二次沉积滴加剩余金属盐混合溶液与碱液，滴加时间1～1.5h，维持ph 9.3～9.7，老化4～6h；s4中，kh-570先在ph 4.5～5.5的乙醇/水混合液中预水解20～40 min，再于50～60℃下恒温搅拌3～4h进行表面功能化处理；所述过硫酸铵水溶液质量浓度为5%～15%，过硫酸铵用量为aa和hema总质量的0.5%～1%。

18、优选的，所述中压电力电缆用于隧道、管廊及竖井等潮湿或可能浸水环境，以兼顾阻燃和阻水性能。

19、在弱碱性并与空气接触的条件下，多巴胺可发生氧化自聚并在adp颗粒表面沉积形成pda中间层。pda中间层中的儿茶酚基、醌基和含氮基团可为mg2+和al3+提供一定的吸附或配位位点，有利于mgal-ldh在粒子表面成核和沉积。京尼平可与pda中间层中的含氨基基团发生交联反应，有助于提高pda中间层在后续处理过程中的稳定性。

20、经kh-570处理后，mgal-ldh表面可引入能够参与自由基聚合的碳碳双键。在过硫酸铵引发条件下，部分中和的aa与hema在粒子表面及其邻近区域发生聚合，并在pegda作用下形成结合于粒子表面的交联聚合物包覆层。部分中和aa中的羧酸盐基团赋予聚合物层吸水能力，hema用于调节聚合物层的亲水性和柔韧性，pegda形成的交联结构有助于降低聚合物溶出并限制过度膨胀。马来酸酐接枝聚乙烯作为相容剂，有助于改善该粒子在lldpe/eva基体中的分散及界面结合。

21、在外护套完整时，外保护层能够减少水分与内侧阻燃功能层的直接接触。当外护套形成贯穿裂口后，裂口壁面暴露的阻燃粒子可与进入裂口的水分接触，其外层aa-hema交联聚合物吸水后发生局部膨胀，从而有助于减小裂口局部的有效过水截面并降低渗漏速率。该作用属于裂口处的径向辅助封堵，并不表示外护套的原有结构和力学性能得到完全恢复。位于铠装层外侧的阻水带在水分进入后吸水膨胀，有助于限制水分沿电缆轴向扩散。

22、adp、mgal-ldh和经表面改性的mg(oh)2可通过不同途径共同影响材料的燃烧过程。adp受热后可参与气相自由基抑制及凝聚相含磷残留结构的形成；mg(oh)2受热脱水吸热并形成含镁无机残留物；mgal-ldh受热时可释放水分和含碳酸根体系产生的气体，并形成无机氧化物残留。上述过程有助于降低材料燃烧时的热释放并改善残炭阻隔性能。结合氧指数、垂直燃烧和锥形量热结果，可以认为该复合体系在所述试验条件下改善了阻燃功能层材料的燃烧行为。

23、本发明至少具有如下技术效果之一：1.本发明的阻燃粒子在adp核表面依次形成pda层、mgal-ldh层和aa-hema聚合物层，pda层为后续无机层沉积提供界面，mgal-ldh层与adp和mg(oh)2共同改善阻燃功能层的燃烧行为，外侧交联聚合物层用于在限制含磷组分热水浸出的同时赋予粒子局部吸水膨胀能力，所得阻燃功能层在所述试验条件下表现出一定的阻燃性能和湿热性能保持。

24、2.本发明外护套层采用阻燃功能层和外保护层的双层结构。阻燃功能层位于外保护层内侧，外保护层位于外侧。当外护套层产生贯穿裂口后，阻燃功能层中的亲水聚合物层可吸水膨胀，从而有助于缩小裂口处的有效进水通道。

25、3.本发明铠装层外设置的阻水带在水分进入后吸水膨胀，用于限制水分沿电缆纵向扩散。阻燃功能层的裂口辅助封堵与阻水带的纵向阻水分别作用于不同进水阶段，从而改善中压电力电缆在潮湿或可能浸水环境中的阻燃和阻水性能。