[发明专利]能量电缆

说明书

发明背景

本发明涉及能量电缆。特别地，本发明涉及用于传输或分配电能，尤其是中压或高压电能的电缆，所述电缆具有至少一个聚丙烯纳米复合层。所述电缆可用于直流电(DC)或交流电(AC)传输或分配。

用于传输电能的电缆通常包括至少一个电缆芯。电缆芯通常由：至少一个依次被具有半导体性能的内聚合物层、具有电绝缘性能的中间聚合物层、具有半导体性能的外聚合物层覆盖的导体形成。用于传输中压或高压电能的电缆通常包括被至少一个屏蔽层包围的至少一个电缆芯，所述屏蔽层一般由金属或者金属和聚合物材料制成。屏蔽层可以线（编织物）、螺旋缠绕在电缆芯周围的带或者纵向包围电缆芯的片材的形式制成。包围所述至少一个导体的聚合物层通常由聚烯烃-基交联聚合物，特别是交联的聚乙烯(XLPE)，或者也交联的弹性乙烯/丙烯(EPR)或者乙烯/丙烯/二烯烃(EPDM)共聚物制成，例如WO98/52197中公开。在聚合物材料挤出于导体上之后进行的交联步骤，即使在高温下在连续使用期间和伴随着电流超负荷的情况下，也赋予材料令人满意的机械和电性能。

为了应对对于材料的在制备期间和在使用期间将对环境无害，并且在电缆寿命末期将可回收的要求，近来开发了具有电缆芯的能量电缆，所述电缆芯由热塑性材料，即未交联并且因此在电缆寿命的末期可回收的聚合物材料制成。

在这方面，包括至少一个涂层，例如基于与介电液紧密混合的聚丙烯基质的绝缘层的电缆是已知的，并且公开于WO 02/03398、WO02/27731、WO 04/066318、WO 07/048422和WO 08/058572中。可用于这类电缆的聚丙烯基质包括聚丙烯均聚物或共聚物或者两者，其特征在于相对低的结晶度以提供具有合适的柔性，但在电缆工作和超负荷温度下不削弱机械性能和耐热压性的电缆。电缆涂料，尤其是电缆绝缘层的性能还受到与所述聚丙烯基质紧密混合的介电液存在的影响。介电液应该不影响所述的机械性能和耐热压性并且应该与聚合物基质紧密和均匀地混合。

已经提出加入无机纳米填料的聚合物材料的电性能改进。例如，Montanari等，IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，第11卷，第5期，2004年10月公开了纳米复合绝缘材料的电性能。特别地，报导了关于加入纳米填料的全同立构聚丙烯（iPP）的研究，所述纳米填料由亲有机物的层状硅酸盐，特别是通过质子化十八胺（ODA）、NH₃⁺的层间钠阳离子交换改性的合成氟锂蒙脱石组成。聚丙烯需要加入由iPP+3.5%接枝在iPP链的主链上的马来酸酐组成的相容剂（20%）。

Reichert等，Macromol.Mater. Eng.275，8-17(2000)报导了尽管发现各向异性纳米填料当与聚丙烯配混时提供了有吸引力的刚性和韧性的组合，但有限的商业获得性和由于纳米填料强的粒间相互作用的分散问题限制了它们的应用。在马来酸酐接枝的聚丙烯（PP-g-MA）的存在下，在通过与质子化胺离子交换使得亲有机物的氟云母的存在下熔融配混聚丙烯而制备纳米复合材料。

发明内容

申请人面临着改进具有基于聚丙烯的热塑性涂料作为电绝缘层的能量电缆的性能的问题。电缆涂层，尤其是绝缘层必须满足许多要求，包括安全的电性能，即使在高的工作温度比如90℃至最高110℃连续使用，以及在电流超负荷情况下直到最高130℃也不会损坏，同时具有可接受的机械性能。

为了改进所述电性能，考虑使用填料，特别是无机纳米填料。然而，由于均匀性削弱，因此纳米填料在聚丙烯组合物中的使用造成聚合物材料的机械和绝缘性能降低，除非使用相容剂。

使用相容剂是指聚合物基材改性，例如通过加入用马来酸酐接枝的聚烯烃，和/或纳米填料的表面处理，例如通过施加表面处理剂如硅烷或脂肪酸或者其衍生物，这些通常用作矿物填料与聚合物材料之间的偶联剂。

用于改进聚合物/无机填料混合物的均匀性的相容剂一般具有极性基团。在聚丙烯与纳米填料之间需要相容剂被认为归因于在聚丙烯与纳米填料之间缺乏内聚力，由于例如微孔或者不连续界面形成的可能性增加，因此绝缘性能削弱。

然而，电性能，特别是就介电刚性（介电击穿强度）和空间电荷积聚而言，可能被极性基团加入绝缘材料而不利地影响。