導(dǎo)電塑料的電阻率與壓力關(guān)系研究
發(fā)布時(shí)間：2016/7/14 訪問人數(shù)：1242次
核心提示：聚偏二氟乙烯（PVDF）是結(jié)晶性塑料，具有較好的耐熱性，在PVDF中填充適當(dāng)?shù)奶亢诘葘?dǎo)電助劑，可在塑料基體中形成導(dǎo)電鏈路，使塑料M現(xiàn)導(dǎo)電性，因?yàn)樗芰蠠崦浵禂?shù)大于炭黑的熱脹系數(shù)，當(dāng)溫度升高時(shí)，塑料基
聚偏二氟乙烯（PVDF）是結(jié)晶性塑料，具有較好的耐熱性，在PVDF中填充適當(dāng)?shù)奶亢诘葘?dǎo)電助劑，可在塑料基體中形成導(dǎo)電鏈路，使塑料M現(xiàn)導(dǎo)電性，因?yàn)樗芰蠠崦浵禂?shù)大于炭黑的熱脹系數(shù)，當(dāng)溫度升高時(shí)，塑料基體膨脹使內(nèi)部導(dǎo)電助劑的導(dǎo)電鏈路部分?jǐn)嚅_，使導(dǎo)電塑料的電阻率升高而呈現(xiàn)熱敏性，且熱敏性強(qiáng)弱隨基體塑料和填充的導(dǎo)電助劑性能不同而不同。
使用具有熱敏性的導(dǎo)電塑料作為發(fā)熱體，可以制成各種形狀和用途的自控溫電熱產(chǎn)品，如自控溫伴熱電纜、自控溫電暖氣等，前者廣泛應(yīng)用于石油、化工等需要管道伴熱的行業(yè)。當(dāng)自控溫伴熱電纜用于油井時(shí)，敷設(shè)在井筒環(huán)空或空心抽油桿中，其性能會(huì)受到環(huán)境壓力的影響。這種伴熱電纜下人深度一般為1000m，受到的最大壓力約為10MPa，因?yàn)樗芰匣w的壓縮系數(shù)與導(dǎo)電助劑炭黑的壓縮系數(shù)不間，當(dāng)環(huán)境壓力變化時(shí)，其內(nèi)部導(dǎo)電鏈路可能會(huì)發(fā)生變化，如果由此造成的電阻率變化較大，會(huì)影響其在環(huán)境壓力變化的情況下使用，因此，在研制這種導(dǎo)電塑料的同時(shí)，應(yīng)檢測其電阻率隨壓力的變化，以優(yōu)選出熱敏性好，電阻率隨環(huán)境壓力變化小的導(dǎo)電塑料。
我們選用結(jié)晶度較高的PVDF，調(diào)整高導(dǎo)電炭黑與高耐磨炭黑呈適當(dāng)比例，制得電阻溫度系數(shù)較大的熱敏塑料，并在0.112MPa范圍內(nèi)測試了壓力與電阻率的變化關(guān)系。結(jié)果表明，該導(dǎo)電塑料的電阻率在0.1~12MPa范圍內(nèi)呈線性變化，且變化在4%以內(nèi)，可以在石油油井等有圍壓環(huán)境條件下使用。
1實(shí)驗(yàn)部分1.1主要原材料高導(dǎo)電炭黑：HG-1B，山東淄博華光化工廠；高耐磨炭黑：N330，山東青州第二化工廠。
1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器35，同向旋轉(zhuǎn)，上海化工機(jī)械四廠；-65，漸變螺桿，長徑比為25：1，山東塑料橡膠機(jī)械總廠；~12MPa靜水壓，自制；-60，測量范圍。1~60MPa，河北滄州市試驗(yàn)機(jī)廠。
1.3試樣制備將高導(dǎo)電炭黑和高耐磨炭黑按5：4的比例混合，制成混合炭黑；將PVDF和混合炭黑分別裝人雙螺桿擠出機(jī)的兩個(gè)喂料斗中，按91：9的比例喂料，共混造粒。將所得粒料用單螺桿擠出機(jī)擠出，經(jīng)電纜機(jī)頭拉制成形似電視扁平饋線的伴熱電纜發(fā)熱線芯，其橫截面尺寸為11.8mmx2.6mm，兩平行銅導(dǎo)線中心距為9mnu1.4性能測試壓力用壓力表校驗(yàn)器打壓，并用其測壓。
2結(jié)果與討論2.1低電壓下電阻率與壓力的變化關(guān)系從所得發(fā)熱線芯試樣截取1in，用氟塑料纏繞絕緣，放人自制的擬井筒圍壓裝置，用導(dǎo)線將發(fā)熱線芯的兩導(dǎo)線接出，作為測量電阻、電壓、電流的電極。
擬井筒圍壓裝置中充滿變壓器油后，再用壓力表校驗(yàn)器向其充油，使其油壓從0.1MPa逐漸升高至12MPa.同時(shí)測量記錄壓力每升高IMPa時(shí)的電阻，然后再使壓力從2MPa逐漸降低到0.1MPa，測量相試數(shù)據(jù)重復(fù)性，其結(jié)果見表1.應(yīng)壓力下的電阻。如此多次重復(fù)升降壓，觀測其測由表1可看出，壓力從0.IMPa升至12MPa過表1低電壓下圍壓與電阻的變化關(guān)系壓力/MPa巧iH電阻/n（升壓）電阻/fi（降壓）程中，伴熱電纜的電阻呈線性降低，在常壓下電阻為1320Q，在12MPa下電阻減至1266a變化了變化率為4%；當(dāng)壓力由12MPa降低到0.1MPa過程中，電阻又從1266n增加到13200.多次加壓實(shí)驗(yàn)證明，循環(huán)加壓中電阻均在上述范圍內(nèi)重復(fù)變化。
在電壓不變的情況下，功率與電阻成反比，電阻減小使功率變大，因此在井筒有圍壓條件下伴熱電纜的功率將增大。
塑料的壓縮系數(shù)大于炭黑的壓縮系數(shù)，當(dāng)導(dǎo)電塑料受壓后，塑料基體收縮，其內(nèi)部形成導(dǎo)電鏈路的炭黑粒子也收縮，但炭黑的收縮量較塑料基體小，因此使塑料內(nèi)部壓力增大，炭黑粒子間的接觸壓力增大，所以塑料受壓后炭黑本身的電阻率下降，炭黑粒子間接觸電阻也減小，使導(dǎo)電塑料的電阻率下降。當(dāng)壓力降低后，塑料基體膨脹，其內(nèi)部將出現(xiàn)與受壓時(shí)相反的變化，電阻率增大采用結(jié)晶性塑料作為基體，具有記憶功能，重復(fù)循環(huán)加壓，塑料內(nèi)部將重復(fù)出現(xiàn)類似的變化，結(jié)晶度越高，重復(fù)性越好。
我們研制的導(dǎo)電塑料電阻率在0.1圍內(nèi)只有4%的變化，相應(yīng)的功率變化不大，所以可以在有圍壓環(huán)境條件下使用。
2.250V和100V電壓下電阻率與壓力的變化關(guān)系導(dǎo)電塑料的導(dǎo)電機(jī)理決定了其伏安特性是非線性的。導(dǎo)電塑料伏安特性是一個(gè)需要深人研究的課題。伴熱電纜是在100V以上電壓下工作的，因此，其功率與圍壓的變化關(guān)系應(yīng)在其工作電壓下研究，但是，自控溫伴熱電纜是熱敏的，電壓較高時(shí)通電將使導(dǎo)電塑料發(fā)熱，電阻率隨溫度而變化，準(zhǔn)確測量電阻率與圍壓的關(guān)系有一定難度，為此，測試了50V和100V電壓下功率與圍壓的變化關(guān)系，以此來說明其100V以上時(shí)的情況，測試時(shí)圍壓升降壓速度為5MPa/min，結(jié)果見表2和表3.表250v電壓下功率與圍壓的變化關(guān)系功率/W（升壓）功率（降壓）表3100V電壓下功率與圍壓的變化關(guān)系項(xiàng)目壓力/MPa功率/W（殲fi）功率/w（降壓〉由表2可看出，隨著圍壓的升高，伴熱電纜的發(fā)熱功率增大，常壓時(shí)為2.55W，而12MPa時(shí)則為2.70W，功率隨圍壓呈線性增加；降壓時(shí)由于通電加熱，使電纜溫度略有升高，造成功率減小，所以在相應(yīng)壓力時(shí)功率比升壓時(shí)的功率減小，：為了消除溫度造成的影響，降壓時(shí)的部分?jǐn)?shù)據(jù)是斷電待其冷卻后補(bǔ)測的。
由表3可看出，其規(guī)律與表2―樣，由于電壓為100V，電纜的發(fā)熱功率已達(dá)10.81W，所以其通電發(fā)熱造成的影響更加明顯，從0.1MPa升至8MPa過程中，功率是逐漸增大的，到9MPa時(shí)，由于溫度升高造成的影響起作用，使功率反而降低；斷電降低導(dǎo)電塑料和變壓器油溫度后測試10，11MPa時(shí)的功率表明，10MPa時(shí)的功率又高于9MPa時(shí)的功率，而壓力達(dá)到11MPa時(shí)，因?qū)щ娝芰系臏囟扔钟兴撸率蛊涔β时?0MPa時(shí)減小，再次斷電降溫后測試12MPa時(shí)的功率，功率則隨壓力升高而增大。
2.3導(dǎo)電塑料的應(yīng)用用制備試樣的工藝，生產(chǎn)了伴熱電纜發(fā)熱線芯，并經(jīng)擠包絕緣層、護(hù)套層等工序，制成用于稠油油井井筒伴熱的電纜，并在勝利油田某油井中進(jìn)行了試用。該伴熱電纜總長970m，實(shí)際下入深度950m，油井靜液面深320m，也就是電纜下人油液面630m，電纜最下端承受約6MPa的壓力。油井作業(yè)施工完成后在地面對(duì)電纜整體絕緣性和發(fā)熱線芯的電阻進(jìn)行了測量，其結(jié)果與在車間里測試的結(jié)果相似；給電纜通380V電壓后測試電流，并計(jì)算出發(fā)熱功率為26.7kW，與設(shè)計(jì)功率相符。由此應(yīng)用情況表明，發(fā)熱線芯的導(dǎo)電塑料在6MPa環(huán)境壓力下電阻率變化規(guī)律與實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果相同。
3結(jié)論（1）在0.112MPa圍壓范圍內(nèi)，由于塑料基體與炭黑的壓縮系數(shù)不同，致使導(dǎo)電塑料的電阻率隨圍壓升高而呈線性減小。
塑料的電阻率有4%的變化。
用結(jié)晶度較高的塑料作為導(dǎo)電塑料基體，其在圍壓變化的情況下電阻率重復(fù)性較好。
用所研制的伴熱電纜發(fā)熱線芯生產(chǎn)的電纜，經(jīng)在油井下試用，效果良好。
