ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
POLYMER COMPOUND FOR REGULATING ELECTRIC FIELD STRENGTH

Изобретение относится к полимерной композиции, обладающей свойствами регулирования напряженности электрического поля, и ее применению в производстве изделий, предназначенных для оконцевания и соединения силовых электрических кабелей.
Надежность и эффективность работы кабельной арматуры во многом определяются ее конструкцией и технологией монтажа, используемыми изоляционными материалами и средствами выравнивания электрического поля.
В электротехнике для регулирования напряженности электрического поля известно применение полимерных композиций, содержащих неорганические диэлектрические наполнители с высокой диэлектрической проницаемостью (оксид цинка, диоксид титана, титанат бария, титанат кальция и др.), а также применение неорганических диэлектрических наполнителей с высокой диэлектрической проницаемостью в сочетании с токопроводящими наполнителями.
)
Известен диэлектрический материал с нелинейной диэлектрической проницаемостью, содержащий полимерный материал, материал наполнителя, диспергированный в полимерном материале, при этом материал наполнителя содержит неорганические частицы и дискретно распределенный проводящий материал. Полимерный материал представляет собой силикон. Неорганические частицы выбраны из группы, содержащей частицы BaTiO3, BaSrTiO3, CaCu3Тi4O12, SrTiO3 и их смесей. Проводящий материал выбран из группы, состоящей из угольной сажи, углеродных нанотрубок, кластеров углеродных частиц, графита, изоляционных частиц, имеющих проводящие покрытия, металлов, таких как серебро, золото, палладий и алюминий, и сплавов таких металлов, и их комбинаций (см. RU Патент №2540412 C2  публ.27.01.2014. Композиция обладает высокими механическими и электрическими свойствами, но не обладает маслостойкостью для защиты изоляции от проникновения масла и его паров в муфтах, соединяющих кабели с бумажно-пропитанной изоляцией, а технология ее изготовления достаточная сложная и дорогая.
.
2
Известен полимерный композиционный материал по патенту РФ № 2111568 публ. 20.05.1998Данный полимерный композиционный материал содержит термопластичный сополимер, сажистый углерод в качестве токопроводящего наполнителя и двуокись титана и/или спек титаната бария с удельной поверхностью не менее 2300 см/г в качестве неорганического наполнителя с высокой диэлектрической проницаемостью. Полимерный композиционный материал используется как электроизоляционный материал при изготовлении изделий, предназначенных для оконцевания и соединения силовых электрических кабелей. Данный полимерный композиционный материал имеет ряд важных существенных качеств: обладает высоким электрическим сопротивлением и равномерно распределяет электрическое напряжение. Однако, композиция обладает высокой материалоемкостью и не обладает маслостойкостью.
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полимерной композиции является полимерная композиция по патенту РФ № 2721173 публ. 18.05.2020. Данная полимерная композиция на основе бутадиен-нитрильного каучука, содержит в качестве токопроводящего наполнителя измельченный ильменитовый концентрат, в качестве неорганического диэлектрического наполнителя с высокой диэлектрической проницаемостью диоксид титана, пластификатор и адгезионную добавку. Полимерная композиция используется как электроизоляционный материал при изготовлении изделий, предназначенных для оконцевания и соединения силовых электрических кабелей. Данный полимерный композиционный материал имеет ряд важных существенных качеств: обладает высоким электрическим сопротивлением и равномерно распределяет электрическое напряжение, позволяет повысить защиту от проникновения масла и его паров в муфтах, соединяющих кабели с бумажно-пропитанной изоляцией. Недостаками данной полимерной композиции, принятого за прототип, являются высокая трудоемкость, материалоемкость и себестоимость продукции.
Технической задачей изобретения является совершенствование состава полимерной композиции для регулирования напряженности электрического поля, связанное со снижением уровня трудоемкости, материалоемкости, себестоимости композиции, повышением ее технологичности.
Технический результат достигается за счет того, что полимерная композиция для регулирования напряженности электрического поля, содержащая бутадиен-нитрильный каучук, измельченный ильменитовый концентрат в качестве токопроводящего наполнителя, эфир фталевой кислоты из ряда диоктилфталат, диметилфталат, или диоктилсебацинат в качестве пластификатора, нефтеполимерную смолу фракции С9 в качестве адгезионной добавки, согласно изобретению дополнительно в качестве дисперсного наполнителя содержит мел природный и в качестве технологической добавки содержит стеариновую кислоту при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Бутадиен-нитрильный каучук
18-25
Ильменитовый концентрат
40-60
Мел природный
4-21
Пластификатор
11-15
Нефтеполимерная смола фракции С9
5-7
Стеариновая кислота                                      0,5-0,7
Технический результат заключается в получении полимерной композиции для регулирования напряженности электрического поля, обладающей маслостойкостью, высокими адгезионными свойствами к комплектующим муфты, самослипаемостью, с улучшенными технико-экономическими показателями, связанными со снижением уровня трудоемкости, материалоемкости, себестоимости полимерной композиции, повышением ее технологичности.
Для решения поставленной задачи в отличие от прототипа,  содержащего бутадиен-нитрильный каучук, пластификатор, адгезионную добавку, токопроводящий наполнитель в виде измельченного ильменитового концентрата, диэлектрический наполнитель с высокой диэлектрической проницаемостью в виде диоксида титана, предлагаемая  полимерная композиция содержит один функциональный наполнитель, отвечающий за электрофизические свойства композиции, в виде измельченного ильменитового концентрата в количестве 40-60%, гранулометрический состав которого на 98 % представлен фракцией менее 0,045 мм, в химическом составе которого не менее 63,0 мас.% диоксида титана, дополнительно, в качестве дисперсного инертного наполнителя содержит мел природный, в качестве технологической добавки содержит стеариновую кислоту  при следующем соотношении компонентов масс. %.:
Бутадиен-нитрильный каучук                               18-25
Ильменитовый концентрат                                  40-60
Мел природный                                            4-21
Пластификатор                                            11-15
Нефтеполимерная смола фракции С9                     5-7
Стеариновая кислота                                  0,5-0,7
Полярный бутадиен-нитрильный каучук марки БНКС обеспечивает высокую маслостойкость и повышенную диэлектрическую проницаемость в сравнении с другими известными полимерами.
Пластификатор повышает пластичность и морозостойкость полимерной композиции, облегчает условия ее переработки. В качестве пластификатора применяются эфиры фталевой кислоты из ряда диоктилфталат, диметилфталат, или диоктилсебацинат. Нефтеполимерная смола фракции С9 применяется в качестве адгезионной добавки, которая улучшает поверхностный контакт, адгезию и технологичность композиции при применении.
2
3
2
2
2
3.
2
3
2
2
3
v
9
Для достижения основной цели - получения полимерной композиции для регулирования напряженности электрического поля, в качестве функционального наполнителя применяется измельченный ильменитовый концентрат. Химический состав ильменитовых концентратов с различных месторождений практически на 95 % представлен тремя основными компонентами - FeO, FeO и TiO. Концентраты отличаются друг от друга содержанием TiO2, которое может изменяться в диапазоне от 40 до 66 %, соотношением основных компонентов концентрата и набором примесей. Гранулометрический состав измельченного ильменитового концентрата предлагаемой полимерной композиции на 98 % представлен мелкозернистым материалом фракцией менее 0,045 мм, а химический состав практически более, чем на 90 % представлен двумя основными компонентами - диоксидом титана TiO и оксидом железа FeO По результатам химического анализа измельченный ильменитовый концентрат содержит не менее 63,0 мас.% диоксида титана, AlO не более 3,0; SiO не более 2,0; FeО≈ 30,0, прочие 2,0 %.. Установлено, что применение в предлагаемой полимерной композиции измельченного ильменитового концентрата в количестве 40-60 масс. % вышеназванного химического состава и дисперсности позволяет получить композиционный материал с требуемыми электрофизическими свойствами, а именно с высокой диэлектрической проницаемостью, не менее 10, удельным объемным электрическим сопротивлением ρ = 10 Ом•см. Отличительной особенностью заявляемой полимерной композиции является то, что введение одного функционального наполнителя в виде измельченного ильменитового концентрата указанного количества,  химического состава и дисперсности взамен двух функциональных наполнителей прототипа в виде ильменитового концентрата и диоксида титана, привело неожиданно к сохранению основных электрических свойств полимерной композиции, что ранее никем не было замечено, и данный технический результат обусловлен неизвестными до настоящего времени свойствами компонентов этой композиции и связей между ними. Впервые экспериментально подтверждена возможность применения одного функционального наполнителя, отвечающего за электрофизические свойства композиции, в виде измельченного ильменитового концентрата в составе электроизоляционных полимерных материалов, регулирующих напряженность электрического поля. Следует также отметить, что себестоимость предлагаемой полимерной композиции значительно снизилась с исключением из состава дорогостоящего диэлектрического компонента в виде диоксида титана.
Для повышения технико-экономических показателей полимерной композициив качестве дисперсного инертного наполнителя применяется дополнительно мел природный, как наиболее распространенный наполнитель полимерно-композиционных материалов и в качестве технологической добавки применяется стеариновая кислота для предотвращения агрегации и лучшего распределения частиц наполнителя, создания прочной связи между наполнителем и полимерной матрицей, снижения вязкости и улучшения качества композиции, ускорения процесса ее изготовления, снижения нагрузки на оборудование. Введение в полимерную композицию одного функционального наполнителя в виде измельченного  ильменитового концентрата, природного мела и стеариновой кислоты привело к снижению материалоемкости, трудоемкости, себестоимости полимерной композиции, повышению ее технологичности.
Все компоненты, входящие в состав полимерной композиции, являются продуктами, выпускаемыми в промышленном объеме.
Изготовление и переработка полимерной композициипроводятся на стандартном оборудовании и не вызывает трудностей.
Полимерная композиция изготавливается в смесителе лопастного типа путем механического смешения всех компонентов, а затем подается в экструдер для формования композиции в виде ленты или пластин заданных геометрических размеров.
Полимерная композиция испытана по следующим показателям:
1. Диэлектрическая проницаемость;
2. Электрическая прочность, кВ/мм;
3. Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом*см;
4. Прочность связи с алюминием при отслаивании, Н/м;
5. Характер разрушения образца;
6.  Маслостойкость при температуре 100°С в течение 24 часов, %;
7. Самослипаемость;
3
8. Плотность, г/см;
9. Пенетрация, ус.ед.
Испытания проводились по стандартным методикам для полимерных электроизоляционных материалов. Самослипаемость и характер разрушения полимерной композиции оценивалась визуально.
В таблице представлены варианты и свойства предлагаемой полимерной композиции и прототипа.
Таблица. Примеры и свойства предлагаемой  полимерной композиции и прототипа
Компоненты
Примеры составов полимерной композиции, масс. %
Прототип,масс. %
1
2
3
4
5
6
7
Бутадиен-нитрильный каучук
10
18
20
25
18
25
15
Ильменитовый концентрат
30
60
40
50
68
15
15
Нефтеполимерная смола фракции С9
3
7
5
5
3
7
5
Пластификатор
16
11
13
15
10,2
13
5
Мел природный
40,7
3,5
21,4
4,3
-
-
Стеариновая кислота
0,3
0,5
0,6
0,7
0,8
-
-
Диоксид титана
-
-
-
-
-
40
60
Технические характеристики
Относительная диэлектрическая проницаемость при частоте 50Гц
8
17
13
15
18
10
18
Электрическая прочность при частоте 50Гц, кВ/мм
-
10
9,8
9,6
9,9
17
15
Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом*м
10<sup>10</sup>
2,7х10<sup>9</sup>
7,55х10<sup>9</sup>
8,45х10<sup>9</sup>
1,35 х10<sup>9</sup>
10<sup>12</sup>
10<sup>10</sup>
Прочность связи с алюминием при отслаивании, Н/м
800АK
2100К
2500К
2300К
952А
2300К
2600 К
Маслостойкость при температуре 100 °С, 24ч, %
-2,7
-3,4
- 3,4
- 3,3
- 4
-2
-4
Самослипаемость
+
+
+
+
отсутствует
+
+
Плотность, г/см<sup>3</sup>
1,46
1,73
1,57
1,68
1,86
1,62
2,06
Пенетрация
55
51
47
45
42
38
17
v
9
Как видно из представленных данных, полимерная композиция с измельченным ильменитовым концентратом в качестве функционального наполнителя в количестве от 40 до 60 масс.%, примеры 2-4, обладает электроизолирующими, адгезионными, и маслостойкими свойствами. Диэлектрическая проницаемость полимерных композиций более 10, удельное объемное электрическое сопротивление составляет ρ=10Ом•см, электрическая прочность более 9 кВ/мм. Полимерная композиция во всех представленных примерах обладает высокой маслостойкостью, не более 5 % при 100°С. Увеличение массовой доли измельченного ильменитового концентрата приводит к ухудшению адгезионных характеристик, самослипаемости и снижению маслостойкости композиции, пример 5. Снижение массовой доли измельченного ильменитового концентрата, пример 1, приводит к снижению диэлектрической проницаемости.
Полимерная композиция с нефтеполимерной смолой фракции С9 в качестве адгезионной добавки, в количестве от 5 до 7 мас.%, примеры 2-4, обладает хорошими адгезионными свойствами к алюминию. Прочность связи с алюминием при отслаивании не менее 2100 Н/м, характер разрушения образца когезионный. Снижение массовой долинефтеполимерной смолы фракции С9, пример 1, приводит к снижению адгезии полимерной композиции к алюминию и адгезионно-когезионному характеру разрушения образца. Увеличение массовой доли нефтеполимерной смолы фракции С9 нецелесообразно в связи с увеличением материалоемкости и себестоимости полимерной композиции.
Полимерная композиция во всех представленных примерах обладает высокой маслостойкостью при температуре до 100 °С. Однако, снижение массовой доли бутадиен-нитрильного каучука, пример 1, приводит наряду со снижением массовой доли нефтеполимерной смолы фракции С9 к снижению адгезии полимерной композиции к алюминию и адгезионно-когезионному характеру разрушения образца. Увеличение массовой доли бутадиен-нитрильного каучука нецелесообразно в связи с увеличением материалоемкости и себестоимости полимерной композиции.
Пластификатор в полимерной композиции облегчает условия ее переработки.Пенетрация полимерной композиции с массовой долей пластификатора в количестве от 11 до 15 мас.% находится на оптимальном уровне, примеры 2-4, и составляет 45-51 ед. Уменьшение массовой доли пластификатора, пример 5, приводит к снижению пенетрации и отсутствию самослипаемости полимерной композиции. Увеличение массовой доли пластификатора более 15 мас.%, пример 1, приводит к увеличению пенетрации, однако при этом ухудшается адгезия к алюминию.
Введение природного мела в полимерную композицию в качестве дисперсного наполнителя позволяет снизить плотность полимерной композиции и расход дорогостоящих компонентов композиции. Как видно из примеров 2-4 конкретного выполнения заявляемой полимерной композиции, плотность композиции ниже плотности прототипа на ~ 10%, что соответственно приводит к снижению производственных и транспортных затрат. Однако, увеличение массовой доли мела природного, пример 1, приводит к снижению диэлектрической проницаемости. Уменьшение массовой доли мела природного нецелесообразно в связи с увеличением материалоемкости, себестоимости полимерной композиции.
Введение в полимерную композицию стеариновой кислоты обеспечивает оптимальный уровень технологических и эксплуатационных свойств полимерной композиции, улучшает качество ее смешения. Пенетрация и адгезионные характеристики полимерной композиции с массовой долей стеариновой кислоты в количестве 0,5-0,7 мас.%, примеры 2-4, находится на оптимальном уровне. Введение стеариновой кислоты менее 0,5 мас.%, пример 1, снижает качество смешения полимерной композиции, т.к. приводит к снижению ее адгезионных характеристик. Увеличение массовой доли стеариновой кислоты до 0,8 мас.%, пример 5, также не приводит к улучшению качества полимерной композиции, т.к. пенетрация композиции снизилась, самослипаемость ее отсутствует и характер разрушения образца при отслаивании от алюминия становится адгезионным, что не соответствует техническим требованиям.
Оптимальными характеристиками для регулирования и выравнивания  напряженности электрического поля кабельной арматуры в местах склеек и концевых заделов обладают композиции примеры 2, 3 и 4, в которых электрофизические характеристики соответствуют требуемым, а адгезия к алюминию не менее 2000 Н/м, маслостойкость, плотность и пенетрация на оптимальном уровне. Предлагаемая полимерная композиция обладает хорошей самослипаемостью и самоклеящей способностью к материалам в конструкции кабельной арматуры.
Предлагаемая композиция была проверена в промышленных условиях. Испытания подтвердили ожидаемые свойства, а именно:
-диэлектрическая проницаемость не менее 10;
- электрическая прочность не менее 9 кВ/мм;
- прочность связи с алюминием при отслаивании не менее 2000 Н/м;
- характер разрушения когезионный;
9
-удельное объемное электрическое сопротивление 10 Ом*см;
- маслостойкость при температуре 100 °С в течение 24 ч не более 12 %;
- самослипаемость маслостойкой полимерной композиции.
Перечисленные признаки отличают предлагаемое техническое решение от прототипа и обуславливают соответствие этого решения требованиям изобретения.
Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного электроизоляционного материала, отсутствуют. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна». Результаты поиска известных решений в данной области техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от ближайшего аналога признаками заявляемого технического решения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявляемого технического решения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствуют условию патентоспособности «изобретательский уровень».