CC BY
16
УДК 679.7:678:544
БОТ: 10.15587/2312-8372.2019.161856
РЕГУЛЮВАННЯ ЕЛЕКТРОФ1ЗИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ
ПОЖЕЖОБЕЗПЕЧНИХ ПОЛ1МЕРНИХ КОМПОЗИЦ1Й, НАПОВНЕНИХ Г1ДРОМАГНЕЗИТОМ, ДЛЯ КАБЕЛЬНО1 ПРОДУКЦП
Чулеева О. В., Золотарьов В. М.
1. Вступ
Освоения промислового виробництва пожежобезпечних кабелiв вимагае застосування полшерних композицш з високими електрофiзичиими характеристиками [1, 2]. З метою зниження горючост пожежобезпечних композицiй використовують неоргашчш наповнювачi-антипирени [3-5]. Вплив наповнювачь антипирешв на властивостi полшерних композицш показано в [6, 7]. Вивчали вплив модифiкаторiв на полiпшення фiзико-механiчних та реолопчних властивостей полiмерних композицш [8, 9]. Властивосп полшерних композицiй залежать вщ к складу. Рiвень електрофiзичних властиростей пожежобезпечних полiмерних композицш в залежносп вiд впливу iнгредiентiр недостатньо дослiджено. Особливо це стосуеться впливу модифкатора на властивостi iзоляцii та оболонки кабельно! продукцii. Тому об'ектом дослгдження е електрофiзичнi властивостi пожежобезпечних композицшних матерiалiв кополiмеру етилену з вштацетатом, наповнених гiдромагиезитом. А метою роботи е вивчення впливу фiзико-хiмiчних властивостей i концентрацii модифiкаторiв та полшерно! матрицi на електрофiзичнi властивосп пожежобезпечних композицiйних матерiалiв кополiмеру етилену з вштацетатом, наповнених пдромагнезитом. Це дасть можливють обгрунтовано пiдходити до визначення типу полiмеру i модифкатора. Це також дозволить швидко скорегувати рецептуру композицii в залежиостi вщ наявно! сировини або вщ бажаних електрофiзичних властивостей кшцевого продукту.
2. Методика проведення дослщжень
Дослiджували кополiмери етилену з вiнiлацетатом КЕВ-1 з показником плинносп розплаву 2,5 г/10 хв та КЕВ-2 з показником плинносп розплаву 5,0 г/10 хв. А також гщромагнезит з середтм дiаметром часточок 1,4 мкм; модифкатор 1 - аминосилан з динашчною в'язкiстю 2,0 мПас та модифкатор 2 -аминосилан з динашчною в'язкiстю 2,5 мПас ■
Методи, як використовувалися у процесi дослщжень електрофiзичних властивостей пожежобезпечних полiмерних композицш, наведенi в роботi [10].
3. Результати дослщжень та обговорення
Вимiрювання електрично! мiцностi полiмерних композицiй проводили змшною напругою до 50 кВ при частой 50 Гц. Результати дослщжень наведено на рис. 1, 2. Дослщження залежностей показникiв електрично! мiцностi полiмерних композицiй вiд фiзико-хiмiчних властивостей полiмерноi матрицi,
модифiкаторiв та пдромагнезиту (антипiрен 5) демонструе вплив кожного iз них на 11 величину.
40,0
35,0
30,0
25,0
20,0
15,0
* * ''' Г 3 г''
1 4 2
С Л^^
""^Модифкатор 1 Модифкатор 2 Сумiш модифiкаторiв 2:1 ""^Сумш модифiкаторiв 1:2
Р<!
0
1. у = 21,12е0,418х
R2 = 0,972
2. у = 21,28е0,319х
R2 = 0,932
3. у = 20,61е°,419х
Я2 = 0,991
4. у = 20,57е0,384х
Я2 = 0,990
1,5
Рис.
0,5 1
Вмкт модифкатору, %
1. Залежнiсть електрично! мщност вiд вмiсту модифiкатору для полiмерних композицiй на основi КЕВ-1 та антитрену 5: 1 - модифкатор 1; 2 - модифкатор 2; 3 - сумш модифiкаторiв, де £1=0,67; £2=0,33; 4 - сумш модифiкаторiв, де £1=0,33; £2=0,67
45.0
£ 30.
«
<и
^ 25 т 25.
I 40.0 --
и £
35.
к а
■Модификатор 1 ■Модификатор 2 Сумш модифжаторш 2:1 *Сумш моди(|нкатор1в 1:2
20.0
1. у = 21,28е0,217х
R2 = 0,990
2. у = 22,83е0,404х
R2 = 0,949
3. у = 21,73е0,372х
R2 = 0,995
4. у = 21,48е0,299х
R2 = 0,998
1.5
0 0.5 1
Вмют модифшатору, %
Рис. 2. Залежтсть електрично! мщносл вiд вмiсту модифiкатору для полiмерних композицiй на основi КЕВ-2 та антитрену 5: 1 - модифкатор 1; 2 - модифкатор 2; 3 - сумш модифiкаторiв, де £1=0,67; £2=0,33; 4 - сумш модифiкаторiв, де £1=0,33; £2=0,67
0
0
0
Анаиз отриманих результатiв показуе, що електрична мщшсть наповнених гiдромагнезитом та модифшованих полiмерних композицiй шдвишуеться. При використанш полiмерноi матрицi КЕВ-1 та модифшатору 1 вiд 21 до 40 кВ/мм. При використаннi полiмерноi матриц КЕВ-2 та модифiкатору - вщ 22,5 до 42 кВ/мм. Тобто значне тдвищення цього показника спостериаеться при використаннi полiмерноi матрицi з бшьшим показником плинностi розплаву (5 г/10 хв) та модифжатору з бшьшою динамiчною в'язкiстю (2,5 МПа-с).
Для врахування вкладу кожного iз модифiкаторiв складаемо рiвняння регресii модифiкаторiв 1 та 2:
у = (21,12е0Л18л) -к\ + (21,28е°'319х ) • ¿2; у = (21,28е0,217х )-М + (22,83е0/104л") • ¿2,
де к1 - кiлькiсть модифшатору 1 у вагових частинах; к2 - кшьюсть модифiкатору 2 у вагових частинах.
Змшою кiлькостi модифiкаторiв в iх сумiшах одержували оптимальш значення кiлькостi модифiкованоi сумiшi (рис. 1, крива 3, 4; рис. 2, крива 3, 4)
Розрахунок питомого об'емного електричного опору проводили так само, як i у робот [10]. Результати дослщжень наведено на рис. 3.
(1) (2)
1,0Е+15 п
О
'с о
X
ш Ю О
о н
С
1,0Е+14
1,0Е+13
1,0Е+12
1 1 3
__^— 4 4
II
^Модифжатор 1 Модифжатор 2 ♦ Сумiш модифiкаторiв 2:1 • Сумiш модифiкаторiв 1:2
1. у = 9Е+12е2,708х
R2 = 0,960
2. у = 9Е+12е1,176х
R2 = 0,923
3. у = 1Е+13е1,900х
Я2 = 0,926
4. у = 1Е+13е1,379х
Я2 = 0,884
0,5 1
Вмкт модифкатору, %
1,5
Рис. 3. Залежнiсть питомого об'емного опору вщ вмiсту модифшатору полiмерних композицiй на основi КЕВ-1 з антитреном 5: 1 - модифшатор 1; 2 - модифжатор 2; 3 - сумш модифiкаторiв, де ^1=0,67; £2=0,33; 4 - сумш
модифiкаторiв, де к1=0,33; £2=0,67
0
З пiдвищeнням питoмoгo oб'eмнoгo eлeктpичнoгo oropy пoкpaщyються eлeктpoiзoляцiйнi влaстивoстi мaтepiaлy. Питомий oб'eмний eлeктpичний oпip знaчнo тдвищуеться для пoлiмepних кoмпoзицiй нaпoвнeних гiдpoмaгнeзитoм пpи викopистaннi пoлiмepнoï мaтpицi КЕВ-l тa мoдифiкaтopy l. Знaчeння шго збшьшуеться вiд Ы013 дo 6,6-l014 Ом^см.
Рiвняння peгpeсiï з ypaхyвaнням BRnaAiB кoжнoгo i3 мoдифiкaтopiв в сумш:
у = (9Е +12е2'708л )-kl + (9E + í2eul76x )-k% (3}
дe kl - кшькють мoдифiкaтopy l y вaгoвих 4acrarax; k2 - кiлькiсть мoдифiкaтopy 2 y вaгoвиx чaстинax.
Осoбливий вплив нa змiнy питoмoгo oб'eмнoгo eлeктpичнoгo oпopy мae вoлoгiсть, тaк як нaпoвнeнi aнтипipeнaми пoлiмepнi кoмпoзицiï мaють здaтнiсть дo вoлoгoпpoникнoстi. Дoслiджeнo змши питoмoгo oб'eмнoгo eлeктpичнoгo oпopy вщ вoлoгoстi пoлiмepниx кoмпoзицiй. Рeзyльтaти дoслiджeнь нaвeдeнo нa pис. 4.
1,0E+16
с
о JS
s
X
tr s а
ь
<о JS
s
X
ю о JS
s s
о
H
s
с
1,0E+15
1,0E+14
1,0E+13
1,0E+12
* Бeз мoдифiкaтopy
♦ Мoдифiкaтop l ■ Мoдифiкaтop 2
' Сyмiш мoдифiкaтopy 2: l Сумш мoдифiкaтopy l:2
1. y = 2E+18e-38-8x
R2 = 0,923
2. y = 4E+17e-39'9x
R2 = 0,962
3. y = 7E+23e-115-x
R2 = 0,995
4. y = 1E+17e-25'5x
R2 = 0,907
5. y = 1E+16e-20,0x
R2 = 0,953
6. y = 2E+16e-23,3x
R2 = 0,974
7. y = 7E+16e-27'1x
R2 = 0,920
0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 Boлoгiсть, %
0,3
0,35
Рис. 4. Зaлeжнiсть питoмoгo oб'eмнoгo eлeктpичнoгo oпopy вщ вoлoгoстi пoлiмepниx кoмпoзицiй нa oснoвi КЕВ-l тa aнтипipeнy зpaзoк 5 i мoдифiкaтopiв: 1 - бeз мoдифiкaтopy; 2 - 0,6 % мoдифiкaтopy 1; 3 - 1,5 % мoдифiкaтopy l; 4 - 0,6 % мoдифiкaтopy 2; 5 - 1,5 % мoдифiкaтopy 2; 6 - сумш мoдифiкaтopiв, дe kl=0,67; k2=0,33; 7 - сумш мoдифiкaтopiв, дe kl=0,33; k2=0,67
Пoкaзaнo знижeння питoмoгo oб'eмнoгo eлeктpичнoгo oпopy для пoлiмepниx кoмпoзицiй. Рiвняння peгpeсiï для сyмiшeй мoдифiкaтopiв:
y = (4E + í 7e~39,9x ) • kl + (iE +17e"25'5"1' ) • k2,
(4)
де £1 - кшьюсть модифшатору 1 у вагових частинах; к2 - кшьюсть модифшатору 2 у вагових частинах.
Вимiрювання тангенсу кута дiелектричних втрат i електрично! емност здшснювали таким же чином, як i у роботi [10]. Результати дослщжень наведено на рис. 5.
4,2
л &
53 и
X О
а х
а х сг
а
Ё о
4,1
4,0
(=1 3,9
3,8
с_ *
6
** Ж >
® Модифжатор 1 • Модифжатор 2 5 И Сумш модифжаторш 1:2 Сумш модифжаторш 2:1 Ж Тангенс модифжатор 1 Тангенс модифжатор 2 _Тангенс сумгш модифжаторш 2:1 _ Тангенс сумгш модифжаторш 1:2
2,0Е-02
1,5Е-02
1,0Е-02
5,0Е-03
Й а
н ►
х
53
А <
-р
1. у = 4
R2 =
2. у = 4
R2 =
3. у = 4
R2 =
4. у = 4,
R2 =
5. у = 0
R2 =
6. у = 0
R2 =
7. у = 0
R2 =
8. у = 0
R2 =
115е0,011х
0,956
089е-0,02х
0,907
107е0,005х
0,973
103е-0,01х
0,978
013е-0,71х
0,914
014е-0,29х
0,939
014е-0,59х
0,982
014е-0,44х
0,979
0,0Е+00
0,0
0,5 1,0
Вмкт модифкатору, %
1,5
Рис. 5. Задежтсть дiелектричноi проникностi та тангенсу кута вщ вмiсту модифiкаторiв, для полiмерних композицiй на основi КЕВ-2 та антитрену 5: 1, 5 - модифжатор 1; 2, 6 - модифшатор 2; 3, 7 - сумш модифiкаторiв, де £1=0,67; £2=0,33; 4, 8 - сумш модифiкаторiв, де £1=0,33; £2=0,67
Рiвняння регресп з урахуванням вкладiв сумiшi модифiкаторiв 1 та 2 будуть мати вигляд:
- для дiелектричноi проникностi:
у = (4,115еШ1лг) - И + (4,089е"0,02л") • ¿2;
- для тангенсу кута дiелектричних втрат:
у = (0,01 Зе~°'71х ) И ■+ (0,014е~°'29х ) • ¿2, (6)
де £1 - кiлькiсть модифшатору 1 у вагових частинах; £2 - кшьюсть модифшатору 2 у вагових частинах.
Важливий вплив на електрофiзичнi властивостi пожежобезпечних полiмерних композицш здшснюе формування надмолекулярно! структури
отриманих композицш. Про це свщчать результати до^джень електрично1' мiцностi, питомого об'емного електричного опору, дiелектричноi проникностi та тангенсу кута дiелектричних втрат. Результати дослщжень дають змогу розробляти технологш отримання полiмерних композицiй з керованими електрофiзичними властивостями для iзоляцii i оболонок кабельно! продукцп.
Перевагами даного дослщження е вивчення електрофiзичних властивостей пожежобезпечних полiмерних композицiйних матерiалiв з використанням високоточних сучасних приборiв.
4. Висновки
У ходi дослiдження показано, що електрична мiцнiсть наповнених пдромагнезитом та модифiкованих полiмерних композицiй тдвищуеться. При використанш полiмерноi матрицi КЕВ-1 та модифiкатору 1 вiд 21 до 40 кВ/мм. При використанш полiмерноi матрицi КЕВ-2 та модифшатору 2 вiд 22,5 до 42 кВ/мм. Питомий об'емний електричний отр значно пiдвищуеться для полiмерних композицш наповнених пдромагнезитом при використанш полiмерноi матриц КЕВ-1 та модифiкатору 1. Значення його збшьшуються вiд 11013 до 6,64014 Ом^см. Використання в якостi полiмерноi матрицi КЕВ-1 призводить до зниження дiелектричноi проникностi. Значне зниження цього показника вщ 4,1 до 3,6 спостеркаеться при використанш модифжатору 1 з меншою динамiчною в'язкiстю (2 МПа^с). Тангенс кута дiелектричних втрат знижуеться вiд 0,013 до 0,0046 при використанш модифжатору 1 з динамiчною в'язкiстю 2 МПа-с.
Лiтература
1. Михайлин Ю. А. Показатели огнестойкости полимерных материалов и методы их определения // Полимерные материалы. 2011. № 7. С. 26-31.
2. EN 50363-7:2005. Insulating, sheathing and covering materials for low voltage energy cables. Part 7: Halogen-free, thermoplastic insulating compounds. URL: https://shop.bsigroup.com/ProductDetail/?pid=000000000030065332
3. Чулеева E. В., Золотарев В. М., Чулеев В. Л. Наполнители-антипирены. Теплофизические свойства // Хiмiчна промисловють Укра1ни. 2016. № 3-4 (134135). С. 65-69.
4. Herbiet R. Mineral Flame Retardants: Market Outlook and Latest Developments // High Performance Filler. 2005. Issue 4. P. 20.
5. Mechanical and fire retardant properties of EVA/clay/ATH nanocomposites -Effect of particle size and surface treatment of ATH filler / Cárdenas M. A., García-López D., Gobernado-Mitre I., Merino J. C., Pastor J. M., Martínez J. de D. et. al. // Polymer Degradation and Stability. 2008. Vol. 93, Issue 11. P. 2032-2037. doi: http://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2008.02.015
6. Thermal study of low-grade magnesium hydroxide used as fire retardant and in passive fire protection / Formosa J., Chimenos J. M., Lacasta A. M., Haurie L. // Thermochimica Acta. 2011. Vol. 515, Issue 1-2. P. 43-50. doi: http://doi.org/10.1016/j.tca.2010.12.018
7. Flame retardancy and thermal stability of ethylene-vinyl acetate copolymer nanocomposites with alumina trihydrate and montmorillonite / Chang M.-K., Hwang S.-S.,
Liu S.-P. // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2014. Vol. 20, Issue 4. P. 15961601. doi: http://doi.Org/10.1016/j.jiec.2013.08.004
8. Effect of Amino alcohol functionalized polyethylene as compatibilizer for LDPE/EVA/clay/flame-retardant nanocomposites / Lujan-Acosta R., Sánchez-Valdes S., Ramírez-Vargas E., Ramos-DeValle L. F., Espinoza-Martinez A. B., Rodriguez-Fernandez O. S. et. al. // Materials Chemistry and Physics. 2014. Vol. 146, Issue 3. P. 437-445. doi: http://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2014.03.050
9. Chulieieva O. Development of directed regulation of rheological properties of fire retardant composite materials of ethylene vinyl acetate copolymer // Technology Audit and Production Reserves. 2017. Vol. 2, Issue 1 (40). P. 25-31. doi: http://doi.org/10.15587/2312-8372.2018.129699
10. Chulieieva O., Zolotaryov V. Investigation of electrophysical properties of nanomodified fireproof eva polymer compositions // Technology audit and production reserves. 2019. Vol 1, Issue 1 (45). P. 31-38. doi: http://doi.org/10.15587/2312-8372.2019.157581
