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JP7812605B2 - Insulating resin composition for DC power cables - Google Patents
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JP7812605B2 - Insulating resin composition for DC power cables - Google Patents

Insulating resin composition for DC power cables

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JP7812605B2 JP2022027524A JP2022027524A JP7812605B2 JP 7812605 B2 JP7812605 B2 JP 7812605B2 JP 2022027524 A JP2022027524 A JP 2022027524A JP 2022027524 A JP2022027524 A JP 2022027524A JP 7812605 B2 JP7812605 B2 JP 7812605B2
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Description

本発明は、直流電力ケーブル用絶縁性樹脂組成物に関し、また、この樹脂組成物を架橋して得られる樹脂架橋体、この樹脂架橋体からなる絶縁層を備えた直流電力ケーブル、直流電力ケーブルどうしを接続するにあたり使用する直流電力ケーブル接続部の補強絶縁層形成用部材、樹脂架橋体からなる補強絶縁層が形成されてなる直流電力ケーブル接続部に関する。 The present invention relates to an insulating resin composition for DC power cables, a crosslinked resin obtained by crosslinking this resin composition, a DC power cable having an insulating layer made of this crosslinked resin, a member for forming a reinforcing insulating layer at a DC power cable joint used when connecting DC power cables, and a DC power cable joint having a reinforcing insulating layer made of the crosslinked resin.

従来、メンテナンスが容易で、油漏えいの危険性がない直流電力ケーブルとして、絶縁性樹脂組成物によって形成される絶縁層を備えた直流電力ケーブルが紹介されている(下記特許文献1参照)。 Conventionally, DC power cables with an insulating layer formed from an insulating resin composition have been introduced as DC power cables that are easy to maintain and do not pose a risk of oil leakage (see Patent Document 1 below).

また、押出加工する際のトルクが適正で押出加工性に優れ、押出成形体において、ケーブル絶縁体の真円率の低下を招くサグが生じにくく、耐スコーチ性が良好であるとともに、ケーブルどうしを接続する際の再加熱時に発生する二次分解水量が少なく、良好な直流電気特性を安定して発揮する絶縁層を形成することができるとともに、押出加工する際の樹脂圧力が安定していて、押出安定性に優れ、厚みのバラツキが小さい絶縁層を形成することができる直流電力ケーブル用絶縁性樹脂組成物として、(A)130℃、周波数100rad/sにおける複素粘度η* 100 が600~1300Pa・sであり、かつ130℃、周波数0.1rad/sにおける複素粘度η* 0.1 と、複素粘度η* 100 との比(η* 0.1 /η* 100 )が4以上である低密度ポリエチレン100質量部と、(B)不飽和有機酸およびその誘導体から選ばれた少なくとも1種の変性モノマーがポリエチレンにグラフトされた変性ポリエチレン5~12質量部と、(C)ヒンダードフェノール系酸化防止剤40~60重量%とチオエーテル系酸化防止剤60~40重量%との混合物からなる安定剤0.01~0.8質量部とを有する樹脂組成物であって、(A)成分、(B)成分および(C)成分の合計質量に対する、(B)成分により樹脂組成物中に導入されたカルボニル基の量が7~13μmol/gである樹脂組成物が、本出願人により紹介されている(下記特許文献2参照)。 Furthermore, as an insulating resin composition for a DC power cable, the torque during extrusion is appropriate and the extrusion processability is excellent, and in the extrusion molded product, sagging that reduces the roundness of the cable insulation is unlikely to occur, the scorch resistance is good, and the amount of secondary decomposition water generated during reheating when connecting cables is small, making it possible to form an insulating layer that stably exhibits good DC electrical characteristics, and the resin pressure during extrusion is stable and the extrusion stability is excellent, making it possible to form an insulating layer with small thickness variation. The insulating resin composition further includes: (A) a complex viscosity η * 100 at 130°C and a frequency of 100 rad/s of 600 to 1300 Pa·s, and a ratio of the complex viscosity η * 0.1 at 130°C and a frequency of 0.1 rad/s to the complex viscosity η * 100* 0.1* 100 The applicant has introduced a resin composition comprising: 100 parts by mass of a low-density polyethylene having a molecular weight (Mw) of 4 or more; (B) 5 to 12 parts by mass of a modified polyethylene in which at least one modifying monomer selected from unsaturated organic acids and derivatives thereof has been grafted onto polyethylene; and (C) 0.01 to 0.8 parts by mass of a stabilizer consisting of a mixture of 40 to 60% by weight of a hindered phenol-based antioxidant and 60 to 40% by weight of a thioether-based antioxidant, wherein the amount of carbonyl groups introduced into the resin composition by component (B) is 7 to 13 μmol/g relative to the total mass of components (A), (B), and (C) (see Patent Document 2 listed below).

特許文献2に記載の樹脂組成物において、(B)成分を得るための好適な変性モノマーとして無水マレイン酸(MAH)が記載されている。
無水マレイン酸により変性された変性ポリエチレンを含有させて樹脂組成物を製造することにより、これを架橋して得られる樹脂架橋体は、直流電圧下において空間電荷が蓄積されにくくなり、直流電圧に対して優れた絶縁性を発揮することができる。
樹脂組成物を架橋するための架橋剤としては、有機過酸化物が使用されている。
In the resin composition described in Patent Document 2, maleic anhydride (MAH) is described as a suitable modifying monomer for obtaining component (B).
By producing a resin composition containing modified polyethylene modified with maleic anhydride, the crosslinked resin obtained by crosslinking the resin composition is less likely to accumulate space charge under DC voltage and can exhibit excellent insulating properties against DC voltage.
As a crosslinking agent for crosslinking the resin composition, an organic peroxide is used.

特開平8-7653号公報Japanese Patent Application Publication No. 8-7653 特許第6205032号公報Patent No. 6205032

しかしながら、無水マレイン酸は劇物であり、変性ポリエチレンの調製時において人体への有害性が懸念される。
また、先行技術においてはケーブルによる空間電荷特性測定が必要であったが、絶縁材の評価においては、ケーブルを作製する必要のない、簡易的な方法が求められている。
However, maleic anhydride is a deleterious substance, and there are concerns that it may be harmful to the human body during the preparation of modified polyethylene.
Furthermore, while prior art techniques require measurement of space charge characteristics using a cable, there is a demand for a simple method for evaluating insulating materials that does not require the fabrication of a cable.

本発明は以上のような事情に基いてなされたものである。
本発明の目的は、有害性の低い変性モノマーにより変性された変性ポリエチレンを含有し、直流電圧に対する絶縁性に優れた(無水マレイン酸により変性した変性ポリエチレンを含有する樹脂組成物の架橋体と同等以上の絶縁性を具備する)樹脂架橋体を得ることができる直流電力ケーブル用絶縁性樹脂組成物を提供することにある。
本発明の他の目的は、直流電圧に対する絶縁性に優れた絶縁材であるか否かを簡易的に評価する方法を確立するとともに、当該方法により直流電圧に対する絶縁性に優れていると評価された直流電力ケーブル用絶縁性樹脂組成物を提供することにある。
The present invention has been made based on the above circumstances.
An object of the present invention is to provide an insulating resin composition for DC power cables, which contains modified polyethylene modified with a less harmful modifying monomer and which can give a crosslinked resin product having excellent insulating properties against DC voltage (having insulating properties equal to or greater than those of a crosslinked resin product of a resin composition containing modified polyethylene modified with maleic anhydride).
Another object of the present invention is to establish a method for simply evaluating whether an insulating material has excellent insulating properties against DC voltage, and to provide an insulating resin composition for DC power cables that has been evaluated by this method as having excellent insulating properties against DC voltage.

上記の目的を達成するために本発明者が鋭意研究を重ねたところ、特許文献2に記載の無水マレイン酸により変性した変性ポリエチレンを含有する樹脂組成物の架橋体と同等以上の絶縁性を具備することを簡易的に評価する方法を見出すとともに、有機過酸化物架橋剤の分解残渣であるアセトフェノンに水素イオンが結合された正イオンに対する結合エネルギーが高い極性基が導入(グラフト)された変性ポリエチレンを含有させることにより、得られる樹脂組成物の架橋体における空間電荷の移動が抑制されてその蓄積が抑制されることを見出し、かかる知見に基づいて本発明を完成するに至った。 In order to achieve the above objective, the inventors conducted extensive research and discovered a simple method for evaluating whether a resin composition containing modified polyethylene modified with maleic anhydride, as described in Patent Document 2, has insulating properties equivalent to or greater than those of a crosslinked resin composition. They also discovered that by incorporating modified polyethylene into acetophenone, a decomposition residue of an organic peroxide crosslinking agent, into which polar groups with high binding energy to positive ions formed by bonding hydrogen ions have been introduced (grafted), the movement of space charges in the resulting crosslinked resin composition is suppressed, thereby inhibiting their accumulation. Based on these findings, the present invention was completed.

(1)すなわち、本発明の直流電力ケーブル用絶縁性樹脂組成物は、パルス静電応力法(PEA法)による空間電荷特性評価として測定される空間電荷変化率が3%以下であることを特徴とする。 (1) That is, the insulating resin composition for a DC power cable of the present invention is characterized in that the space charge change rate measured as an evaluation of space charge characteristics by a pulse electrostatic discharge (PEA) method is 3% or less .

(2)本発明の樹脂組成物において、二重結合を末端に有する変性モノマーがポリエチレンにグラフトされた変性ポリエチレンを含有し、
前記変性ポリエチレンは、前記変性モノマーによって導入され、アセトフェノンに水素イオンが結合された正イオンとの結合エネルギーが0.44eV以上である極性基を有していることが好ましい。
以下、上記のような極性基を導入可能な前記変性モノマーを「特定の変性モノマー」という。
(2) The resin composition of the present invention contains a modified polyethylene in which a modifying monomer having a terminal double bond is grafted onto polyethylene,
The modified polyethylene preferably has a polar group introduced by the modifying monomer, the polar group having a bond energy of 0.44 eV or more with a positive ion formed by bonding a hydrogen ion to acetophenone.
Hereinafter, the modified monomer capable of introducing the above polar group will be referred to as a "specific modified monomer."

本発明者の検討によれば、前記正イオンとの結合エネルギーと、電荷移動の指標である電荷変化率(後述)とは相関関係があり、前記正イオンとの結合エネルギーが高いほど、電荷変化率は小さくなる(電荷移動が抑制される)。
そして、前記正イオンとの結合エネルギーが0.44eV以上である極性基を有する変性ポリエチレンを含有して樹脂組成物を製造し、これを架橋して得られる樹脂架橋体は、有機過酸化物の分解残渣であるアセトフェノンなどの電荷キャリアが捕捉されて、電荷の移動を抑制することができ、これにより、電荷の蓄積量を抑制することができ、延いては、直流電圧に対する優れた絶縁性を発揮することができる。
According to the inventors' investigations, there is a correlation between the binding energy with the positive ions and the charge change rate (described later), which is an index of charge transfer, and the higher the binding energy with the positive ions, the smaller the charge change rate (the more suppressed the charge transfer).
A resin composition is produced containing modified polyethylene having a polar group whose bond energy with the positive ion is 0.44 eV or more, and the resulting crosslinked resin product can capture charge carriers such as acetophenone, which is a decomposition residue of organic peroxide, and suppress the movement of charges. This makes it possible to suppress the amount of charge accumulation, and ultimately to exhibit excellent insulation properties against DC voltage.

(3)上記(2)の樹脂組成物において、特定の変性モノマーが、分子中に2個以上の窒素原子を含む窒素原子含有(メタ)アクリル酸誘導体であることが好ましい。 (3) In the resin composition of (2) above, the specific modifying monomer is preferably a nitrogen-containing (meth)acrylic acid derivative containing two or more nitrogen atoms in the molecule.

(4)上記(3)の樹脂組成物において、前記窒素原子含有(メタ)アクリル酸誘導体が一般式:H2 C=C(R1 )CONR2 3 (式中、R1 は水素原子またはメチル基、R2 は水素原子またはアルキル基、R3 は、少なくとも1個の窒素原子を含む1価の有機基である)で示される(メタ)アクリルアミドであることが好ましい。 (4) In the resin composition (3) above, it is preferable that the nitrogen atom-containing (meth)acrylic acid derivative is a (meth)acrylamide represented by the general formula: H2C=C(R1)CONR2R3 (wherein R1 is a hydrogen atom or a methyl group, R2 is a hydrogen atom or an alkyl group, and R3 is a monovalent organic group containing at least one nitrogen atom).

(5)上記(2)の樹脂組成物において、特定の変性モノマーがジメチルアミノプロピルアクリルアミド(DMAPAA)であることが特に好ましい。 (5) In the resin composition described in (2) above, it is particularly preferred that the specific modifying monomer is dimethylaminopropylacrylamide (DMAPAA).

(6)上記(2)~(5)の樹脂組成物において、(A)ポリエチレンと、(B)前記変性ポリエチレンと、(C)酸化防止剤とを有することが好ましい。 (6) The resin compositions described above in (2) to (5) preferably contain (A) polyethylene, (B) the modified polyethylene, and (C) an antioxidant.

(7)上記(6)の樹脂組成物において、(D)有機過酸化物を更に含有することが好ましい。 (7) It is preferable that the resin composition of (6) above further contains (D) an organic peroxide.

(8)上記(6)または(7)の樹脂組成物において、(A)ポリエチレン100質量部に対して(B)変性ポリエチレンを8質量部以上含有することが好ましい。 (8) The resin composition of (6) or (7) above preferably contains 8 parts by mass or more of (B) modified polyethylene per 100 parts by mass of (A) polyethylene.

(9)上記(6)~(8)の樹脂組成物において、特定の変性モノマーにより導入された前記極性基の濃度が4μmol/g以上であることが好ましい。 (9) In the resin compositions of (6) to (8) above, it is preferable that the concentration of the polar group introduced by the specific modified monomer is 4 μmol/g or more .

(10)上記(5)の樹脂組成物において、 (A)ポリエチレン100質量部と、
(B)前記変性ポリエチレン8~18質量部と、
(C)酸化防止剤0.01~0.8質量部と、
(D)有機過酸化物0.1~5質量部とを有し、
特定の変性モノマーにより導入された前記極性基の濃度が4~8μmol/gであることが好ましい。
(10) The resin composition of (5) above, comprising: (A) 100 parts by mass of polyethylene;
(B) 8 to 18 parts by mass of the modified polyethylene;
(C) 0.01 to 0.8 parts by mass of an antioxidant;
(D) 0.1 to 5 parts by mass of an organic peroxide,
The concentration of the polar group introduced by the specific modified monomer is preferably 4 to 8 μmol/g.

(11)本発明の樹脂架橋体は、本発明の樹脂組成物を架橋して得られることを特徴とする。 (11) The crosslinked resin product of the present invention is characterized in that it is obtained by crosslinking the resin composition of the present invention.

(12)本発明の直流電力ケーブルは、導電部材の表面に、内部半導電層と、本発明の樹脂架橋体からなる絶縁層とが積層されてなることを特徴とする。 (12) The DC power cable of the present invention is characterized in that an internal semiconductive layer and an insulating layer made of the crosslinked resin of the present invention are laminated on the surface of a conductive member.

(13)本発明の補強絶縁層形成用部材は、直流電力ケーブルどうしを接続するにあたり、直流電力ケーブルの導電部材の接続部を含む前記導電部材の露出部分を被覆している接続部内部半電導層上に巻回され、架橋により前記接続部内部半電導層上に補強絶縁層を形成するための補修用のテープ状部材であって、本発明の樹脂組成物からなることを特徴とする。 (13) The reinforcing insulating layer-forming member of the present invention is a repair tape-shaped member that is wound around a connection portion internal semiconducting layer that covers exposed portions of conductive members, including the connection portions of the conductive members of DC power cables, when connecting DC power cables together, and forms a reinforcing insulating layer on the connection portion internal semiconducting layer by crosslinking, and is characterized by being made of the resin composition of the present invention.

(14)本発明の直流電力ケーブル接続部は、直流電力ケーブルどうしが接続されてなり、直流電力ケーブルの導電部材の接続部を含む前記導電部材の露出部分を被覆している接続部内部半導電層上に、本発明の樹脂架橋体からなる補強絶縁層が形成されてなることを特徴とする。 (14) The DC power cable connection of the present invention is formed by connecting two DC power cables together, and is characterized in that a reinforcing insulating layer made of the crosslinked resin of the present invention is formed on a connection internal semiconductive layer that covers exposed portions of the conductive members of the DC power cables, including the connection portions of the conductive members.

本発明の樹脂組成物によれば、無水マレイン酸により変性した変性ポリエチレンを含有する樹脂組成物の架橋体と同等以上の、直流電圧に対する優れた絶縁性を有する樹脂架橋体を得ることができる。 The resin composition of the present invention makes it possible to obtain a crosslinked resin product that has excellent insulation properties against DC voltage, equivalent to or better than those of a crosslinked resin product made from a resin composition containing modified polyethylene modified with maleic anhydride.

本発明の直流電力ケーブルの一例を示す横断面図である。1 is a cross-sectional view showing an example of a DC power cable of the present invention. 本発明の直流電力ケーブル接続部の一例を示す縦断面図である。1 is a longitudinal cross-sectional view showing an example of a DC power cable connection part of the present invention. 結合エネルギーの平均値<E>を計算する手順の一例を示すフローチャートである。10 is a flowchart showing an example of a procedure for calculating an average value of binding energy <E>.

本発明の樹脂組成物は、ポリエチレンからなる(A)成分と、変性ポリエチレンからなる(B)成分と、酸化防止剤からなる(C)成分と、有機過酸化物からなる(D)成分とを含有する。 The resin composition of the present invention contains component (A) consisting of polyethylene, component (B) consisting of modified polyethylene, component (C) consisting of an antioxidant, and component (D) consisting of an organic peroxide.

<(A)成分>
本発明の樹脂組成物の(A)成分であるポリエチレンとしては特に限定されるものではなく、従来公知の高圧法低密度ポリエチレンなどを好適に使用することができる。
(A)成分の市販品としては、「NUC-8160」(株式会社 ENEOS NUC製)などを挙げることができる。
<Component (A)>
The polyethylene that is component (A) of the resin composition of the present invention is not particularly limited, and conventionally known high-pressure low-density polyethylenes can be suitably used.
An example of a commercially available product of component (A) is "NUC-8160" (manufactured by ENEOS NUC Corporation).

<(B)成分>
本発明の樹脂組成物を構成する(B)成分は、下記式で示されるアセトフェノンに水素イオンが結合された正イオンとの結合エネルギーが0.44eV以上である極性基を有している変性ポリエチレンである。
<(B) component>
The component (B) constituting the resin composition of the present invention is a modified polyethylene having a polar group having a bond energy of 0.44 eV or more with a positive ion formed by bonding a hydrogen ion to acetophenone represented by the following formula:

なお、「アセトフェノンに水素イオンが結合された正イオン」は、(B)成分の有する前記極性基との結合エネルギーを求めるための正イオンであって、本発明の樹脂組成物の必須の構成成分ではない。但し、この正イオンは、(D)成分の分解残渣(電荷キャリア)として、本発明の樹脂組成物の架橋体中に不可避的に存在する。 The "positive ion formed by bonding a hydrogen ion to acetophenone" is a positive ion used to determine the bond energy with the polar group of component (B), and is not an essential component of the resin composition of the present invention. However, this positive ion is inevitably present in the crosslinked product of the resin composition of the present invention as a decomposition residue (charge carrier) of component (D).

変性ポリエチレンの有する前記極性基(変性モノマーに由来する極性基)と、前記正イオンとの結合エネルギーは計算により求めることができる。 The bond energy between the polar groups (polar groups derived from the modifying monomer) in the modified polyethylene and the positive ions can be calculated.

変性ポリエチレン内における電荷キャリアの拡散によって空間電荷変化率が増加すると仮定すると、変性ポリエチレンの有する前記極性基に対する電荷キャリアの結合の強さが大きければ電荷キャリアが拡散しにくくなるので、空間電荷変化率を低く抑えることができる。
本発明では、変性ポリエチレンの有する前記極性基と、電荷キャリアである前記正イオンとの結合の強さを結合エネルギーにより数値化し、分子シミュレーションでこれを算出する。
Assuming that the space charge change rate increases due to the diffusion of charge carriers within the modified polyethylene, if the bond strength of the charge carriers to the polar groups of the modified polyethylene is strong, the charge carriers will be less likely to diffuse, and the space charge change rate can be kept low.
In the present invention, the strength of the bond between the polar group of the modified polyethylene and the positive ion, which is a charge carrier, is quantified as bond energy, and calculated by molecular simulation.

具体例を示すと、ポリエチレン主鎖に無水マレイン酸がグラフトした変性ポリエチレンについて、無水マレイン酸に由来の極性基と、前記正イオンとの結合エネルギーは、当該変性ポリエチレン分子の周辺に前記正イオンをランダムに配置してその分子間力を求めることによって得ることができる。
その際に分子シミュレーションを用いて十分な配座探索(100以上、可能であれば1000以上の配置)により、各構造(配置)ごとに全エネルギーを計算することで、すべての構造についての全エネルギーの分布を得ることができる。
得られた全エネルギーの分布から、変性ポリエチレンおよび前記正イオンの孤立分子のエネルギーを差し引くことで結合エネルギーの分布が得られる。
この結合エネルギーの分布は低エネルギーから高エネルギーの状態までを含む。実際の実験環境では、例えば室温である場合、その温度に対応した高エネルギー状態を取ることが可能で、その状態はボルツマン分布に従う。従って、結合エネルギーの平均値<E>は下記の数式で与えられる。
To give a specific example, in the case of a modified polyethylene in which maleic anhydride is grafted onto a polyethylene main chain, the bond energy between the polar group derived from maleic anhydride and the positive ion can be obtained by randomly arranging the positive ions around the modified polyethylene molecules and determining the intermolecular force.
In this case, a molecular simulation is used to perform a thorough conformational search (100 or more, and if possible, 1000 or more configurations) to calculate the total energy for each structure (configuration), thereby obtaining a distribution of total energies for all structures.
The distribution of bond energies is obtained by subtracting the energies of the isolated molecules of the modified polyethylene and the positive ions from the distribution of the total energy obtained.
This distribution of binding energy ranges from low energy to high energy states. In an actual experimental environment, for example at room temperature, it is possible to assume a high energy state corresponding to that temperature, and this state follows the Boltzmann distribution. Therefore, the average value of the binding energy <E> is given by the following formula:

上記数式において、E(x)は、任意の構造xにおける結合エネルギー、kB はボルツマン定数、Tは絶対温度、Nは規格化定数である。 In the above formula, E(x) is the binding energy in an arbitrary structure x, k B is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature, and N is a normalization constant.

本発明(請求項2)において規定する「結合エネルギー」とは、結合エネルギーの分布から上記数式で算出される「結合エネルギーの平均値<E>」のことである。 The "bond energy" defined in this invention (claim 2) refers to the "average bond energy <E>" calculated from the distribution of bond energies using the above formula.

結合エネルギーの平均値<E>を計算する手順の一例を示すフローチャートを図3に示す。但し、計算手順はこれに限定されるものではない。 Figure 3 shows a flowchart illustrating an example of the procedure for calculating the average bond energy <E>. However, the calculation procedure is not limited to this.

以下に、ポリエチレン主鎖に下記の化合物をグラフトさせた変性ポリエチレンの各々について、当該化合物に由来の極性基と、前記正イオンとの結合エネルギー(上記の方法により算出した結合エネルギーの平均値<E>)を示す。 Below is the bond energy (average bond energy <E> calculated using the above method) between the polar group derived from the compound and the positive ion for each modified polyethylene in which the following compounds have been grafted onto the polyethylene main chain:

・ジメチルアミノプロピルアクリルアミド(0.46eV)
・N-メチル-N-[3-(ジメチルアミノ)プロピル]アクリルアミド(0.46eV)
・無水マレイン酸(0.46eV)
・2-(2-エトキシ)エトキシエチルアクリレート(0.42eV)
・2-(ジメチルアミノ)エチルアクリレート(0.42eV)
・2-アリルマロン酸(0.40eV)
・ジメチルアミノエチルアクリルアミド(0.40eV)
・ジエチルアミノエチルアクリルアミド(0.38eV)
・2-エチルヘキシルアクリレート(0.32eV)
・トリアリルイソシアヌレート(0.32eV)
・アジピン酸ジアリル(0.30eV)
・アミノプロピルアクリルアミド(0.30eV)
・N-アリルオキシフタルイミド(0.30eV)
・ヒドロキシメチルアクリルアミド(0.28eV)
参考までに、グラフトさせていないポリエチレンと前記正イオンとの結合エネルギーは0.22eVであった。
Dimethylaminopropylacrylamide (0.46 eV)
N-methyl-N-[3-(dimethylamino)propyl]acrylamide (0.46 eV)
Maleic anhydride (0.46 eV)
2-(2-ethoxy)ethoxyethyl acrylate (0.42 eV)
2-(dimethylamino)ethyl acrylate (0.42 eV)
2-allylmalonic acid (0.40 eV)
Dimethylaminoethylacrylamide (0.40 eV)
Diethylaminoethylacrylamide (0.38 eV)
2-ethylhexyl acrylate (0.32 eV)
triallyl isocyanurate (0.32 eV)
Diallyl adipate (0.30 eV)
Aminopropylacrylamide (0.30 eV)
N-allyloxyphthalimide (0.30 eV)
Hydroxymethylacrylamide (0.28 eV)
For reference, the bond energy between ungrafted polyethylene and the positive ions was 0.22 eV.

正イオンとの結合エネルギーが0.44eV以上である極性基は、特定の変性モノマーにより導入される(このような極性基を導入することができて、末端に二重結合を有する変性モノマーが特定の変性モノマーである)。 Polar groups with a bond energy of 0.44 eV or more with positive ions are introduced by specific modified monomers (modified monomers that can introduce such polar groups and have double bonds at their terminals are specific modified monomers).

特定の変性モノマーでポリエチレンを変性して前記極性基を導入した変性ポリエチレンである(B)成分を調製し、得られた(B)成分を所定の割合で含有させることにより、後述する(D)成分の残渣であるアセトフェノンなどの電荷キャリアが捕捉されて、電荷の移動を抑制することができる。 Component (B), a modified polyethylene in which the polar groups have been introduced by modifying polyethylene with a specific modifying monomer, is prepared, and by incorporating the resulting component (B) in a specified proportion, charge carriers such as acetophenone, which is a residue of component (D) described below, are captured, thereby suppressing charge migration.

特定の変性モノマーは、その分子末端に二重結合を有している。
これにより、無水マレイン酸のような分子末端に二重結合を有してないモノマーよりも変性時(グラフト反応)の反応性が高い点で有利となる。
反応性が高い特定の変性モノマーを使用することにより、副反応によるポリエチレンの架橋反応に由来する高分子量ゲルの生成を抑制することが期待される。
特定の変性モノマーの具体例としては、ジメチルアミノプロピル(メタ)アクリルアミド、N-メチル-N-[3-(ジメチルアミノ)プロピル]アクリルアミドなど、分子中に窒素原子を2個以上含む窒素原子含有(メタ)アクリル酸誘導体を挙げることができる。
これらのうち、ジメチルアミノプロピルアクリルアミドが特に好ましい。
The specific modified monomer has a double bond at the end of its molecule.
This is advantageous in that the reactivity during modification (graft reaction) is higher than that of a monomer that does not have a double bond at the molecular end, such as maleic anhydride.
The use of specific highly reactive modified monomers is expected to suppress the formation of high molecular weight gels resulting from the cross-linking reaction of polyethylene as a side reaction.
Specific examples of the specific modifying monomer include nitrogen atom-containing (meth)acrylic acid derivatives containing two or more nitrogen atoms in the molecule, such as dimethylaminopropyl(meth)acrylamide and N-methyl-N-[3-(dimethylamino)propyl]acrylamide.
Of these, dimethylaminopropylacrylamide is particularly preferred.

(B)成分の含有割合としては、(A)成分100質量部に対して通常5質量部以上とされ、好ましくは5~18質量部とされる。
(B)成分の含有割合が5質量部未満であると、(A)成分に対して(B)成分を均一分散させることが困難となる。この結果、得られる樹脂組成物の架橋体において空間電荷の移動を十分に抑制することができず、直流電荷の印加によって蓄積する空間電荷により、直流電力ケーブルの絶縁材料として十分な性能を発揮することができない(後述する比較例2参照)。
他方、(B)成分の含有割合が18質量部を超えて配合しても、配合量の増加に見合う効果の向上が得られない。
The content of component (B) is usually 5 parts by mass or more, and preferably 5 to 18 parts by mass, per 100 parts by mass of component (A).
If the content of component (B) is less than 5 parts by mass, it becomes difficult to uniformly disperse component (B) in component (A), and as a result, the movement of space charges cannot be sufficiently suppressed in the crosslinked product of the resulting resin composition, and the space charges that accumulate upon application of DC charges prevent the product from exhibiting sufficient performance as an insulating material for DC power cables (see Comparative Example 2 described below).
On the other hand, even if the content of component (B) exceeds 18 parts by mass, the improvement in effect commensurate with the increase in the amount added is not obtained.

(B)成分の調製方法としては、ポリエチレン、特定の変性モノマー、酸化防止剤および有機過酸化物を押出機内で混合して加熱することにより反応させ、ペレット状もしくは顆粒状に造粒する方法を挙げることができる。
なお、(B)成分を調製する際に使用される酸化防止剤は、(B)成分の合成とともに失活し、樹脂組成物中において(C)成分を構成するものとはならない。
The component (B) can be prepared by mixing polyethylene, a specific modified monomer, an antioxidant, and an organic peroxide in an extruder, heating them to cause a reaction, and then granulating them into pellets or granules.
The antioxidant used in preparing component (B) is deactivated during the synthesis of component (B) and does not become a component of component (C) in the resin composition.

<(C)成分>
本発明の樹脂組成物を構成する(C)成分としても特に限定されるものではなく、電力ケーブル用の絶縁性樹脂組成物に使用されている従来公知の酸化防止剤(フェノール系酸化防止剤、アミン系酸化防止剤、リン系酸化防止剤、イオウ系酸化防止剤など)を挙げることができる。
(C)成分の含有割合としては、(A)成分100質量部に対して0.01~0.8質量部とされ、好ましくは0.2~0.6質量部とされる。
(C)成分の含有割合が0.01質量部未満であると、得られる樹脂組成物の耐スコーチ性が劣り、当該樹脂組成物を架橋して得られる樹脂架橋体の耐熱性が劣る。
他方、(C)成分の含有割合が0.8質量部を超えると、得られる樹脂組成物によって二次分解水量が少ない樹脂架橋体を形成することができず、得られる樹脂架橋体からのブリードも増加する。
<(C) component>
The component (C) constituting the resin composition of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include conventionally known antioxidants (such as phenol-based antioxidants, amine-based antioxidants, phosphorus-based antioxidants, and sulfur-based antioxidants) that are used in insulating resin compositions for power cables.
The content of component (C) is set to 0.01 to 0.8 parts by mass, and preferably 0.2 to 0.6 parts by mass, per 100 parts by mass of component (A).
If the content of component (C) is less than 0.01 parts by mass, the scorch resistance of the resulting resin composition will be poor, and the heat resistance of the crosslinked resin product obtained by crosslinking the resin composition will be poor.
On the other hand, if the content of component (C) exceeds 0.8 parts by mass, the resulting resin composition cannot form a crosslinked resin product with a small amount of secondary decomposition water, and bleeding from the resulting crosslinked resin product also increases.

<(D)成分> 本発明の樹脂組成物を構成する(D)成分である有機過酸化物は架橋剤として作用する。
(D)成分の具体例としては、ジ-t-ヘキシルパーオキサイド(日油社製パーヘキシルD)、ジクミルパーオキサイド(日油社製パークミルD)、2, 5-ジメチル-2, 5-ジ(t-ブチルパーオキシ)ヘキサン(日油社製パーヘキサ25B)、α, α' -ジ(t-ブチルパーオキシ)ジイソプロピルベンゼン(日油社製パーブチルP )、t-ブチルクミルパーオキサイド(日油社製パーブチルC)、ジ-t-ブチルパーオキサイド(日油社製パーブチルD)等を挙げることができ、これらは単独でまたは2種以上を組み合わせて使用することができる。これらのうち、ジクミルパーオキサイドが好ましい。
(D)成分の含有割合は、(A)成分100質量部に対して0.1~5質量部であることが好ましく、更に好ましくは0.5~3質量部である。
配合量が過少であると架橋が十分に行われず、得られる架橋体の機械特性および耐熱性が低下する。他方、配合量が過剰であると、得られる樹脂組成物を押出成形する際にスコーチが発生し、電気特性が低下する。
<Component (D)> The organic peroxide, which is the component (D) constituting the resin composition of the present invention, acts as a crosslinking agent.
Specific examples of component (D) include di-t-hexyl peroxide (Perhexyl D, manufactured by NOF Corporation), dicumyl peroxide (Percumyl D, manufactured by NOF Corporation), 2,5-dimethyl-2,5-di(t-butylperoxy)hexane (Perhexa 25B, manufactured by NOF Corporation), α,α'-di(t-butylperoxy)diisopropylbenzene (Perbutyl P, manufactured by NOF Corporation), t-butylcumyl peroxide (Perbutyl C, manufactured by NOF Corporation), and di-t-butyl peroxide (Perbutyl D, manufactured by NOF Corporation), which can be used alone or in combination of two or more. Of these, dicumyl peroxide is preferred.
The content of component (D) is preferably 0.1 to 5 parts by mass, and more preferably 0.5 to 3 parts by mass, per 100 parts by mass of component (A).
If the blending amount is too small, crosslinking will not be sufficient, resulting in poor mechanical properties and heat resistance of the resulting crosslinked product, whereas if the blending amount is too large, scorching will occur during extrusion molding of the resulting resin composition, resulting in poor electrical properties.

<特定の変性モノマーにより導入された極性基の濃度>
本発明の樹脂組成物において、特定の変性モノマーにより導入された極性基の濃度(グラフト量)は、通常2μmol/g以上とされ、好ましくは2~8μmol/g、好適な一例を示せば4μmol/gである。
この極性基の濃度が2μmol/g未満である樹脂組成物によって得られる樹脂架橋体は、空間電荷の移動を十分に抑制することができず、直流電力ケーブルの絶縁材料として十分な性能を発揮することができない(後述する比較例2参照)。
<Concentration of polar groups introduced by specific modified monomers>
In the resin composition of the present invention, the concentration (graft amount) of the polar group introduced by the specific modified monomer is usually 2 μmol/g or more, preferably 2 to 8 μmol/g, and a suitable example is 4 μmol/g.
A crosslinked resin product obtained from a resin composition having a polar group concentration of less than 2 μmol/g is unable to sufficiently suppress the movement of space charges, and is therefore unable to exhibit sufficient performance as an insulating material for a DC power cable (see Comparative Example 2 described below).

ここに、「極性基の濃度」とは、(A)成分、(B)成分および(C)成分の合計質量に対する、特定の変性モノマーにより導入された(B)成分の極性基のモル数をいう。
変性モノマーにより導入された極性基の濃度(グラフト量)は、後述するように測定値である。
Here, the "polar group concentration" refers to the number of moles of polar groups in component (B) introduced by a specific modifying monomer relative to the total mass of components (A), (B), and (C).
The concentration of the polar group introduced by the modifying monomer (graft amount) is a measured value as described below.

<樹脂組成物>
本発明の樹脂組成物は、(A)~(C)成分を含有し、これを架橋する(樹脂架橋体を得る)ときに、(D)成分を含有する。
また、本発明の効果が損なわれない範囲で、各種の安定剤およびその他の添加剤が含有されていてもよい。ここに、安定剤としては、光安定剤、紫外線吸収剤、銅害防止剤などを挙げることができる。また、その他の添加剤としては、無機フィラー、有機フィラー、滑剤、分散剤などを挙げることができる。
<Resin composition>
The resin composition of the present invention contains components (A) to (C), and when crosslinking the resin composition (to obtain a crosslinked resin product), it contains component (D).
Various stabilizers and other additives may also be contained within the range that does not impair the effects of the present invention. Examples of stabilizers include light stabilizers, ultraviolet absorbers, and copper inhibitors. Examples of other additives include inorganic fillers, organic fillers, lubricants, and dispersants.

<樹脂架橋体>
本発明の樹脂組成物は(D)成分である有機過酸化物で架橋することができる。
本発明の樹脂架橋体は、本発明の樹脂組成物を、(D)成分である有機過酸化物で架橋するこにより得られる。
<Crosslinked resin>
The resin composition of the present invention can be crosslinked with the organic peroxide, which is component (D).
The crosslinked resin of the present invention can be obtained by crosslinking the resin composition of the present invention with an organic peroxide, which is component (D).

本発明の樹脂架橋体からなるシートの電荷変化率は10%以下であることが好ましく、更に好ましくは3%以下とされる。
直流高電圧印加によって空間電荷がケーブル絶縁体中に蓄積した場合、逆極性のインパルスの印加や極性反転がなされると絶縁特性が著しく低下する。
そこで、樹脂架橋体における電荷変化率が10%以下であることにより、良好な直流電気特性を安定して発揮する直流電力ケーブルを得ることができる。
特定の変性モノマーにより導入された前記極性基の濃度(グラフト量)が2μmol/g以上である本発明の樹脂組成物を架橋することにより、得られる架橋体における電荷変化率を10%以下とすることができる。
The charge change rate of a sheet made of the crosslinked resin of the present invention is preferably 10% or less, and more preferably 3% or less.
When space charges accumulate in the cable insulation due to the application of a high DC voltage, the insulation properties deteriorate significantly when an impulse of the opposite polarity is applied or when the polarity is reversed.
Therefore, by keeping the charge change rate in the crosslinked resin product at 10% or less, it is possible to obtain a DC power cable that stably exhibits good DC electrical characteristics.
By crosslinking the resin composition of the present invention, in which the concentration (graft amount) of the polar group introduced by a specific modified monomer is 2 μmol/g or more, the charge change rate of the resulting crosslinked product can be made 10% or less.

<直流電力ケーブル>
本発明の直流電力ケーブルは、導電部材の表面に、内部半導電層と、本発明の樹脂架橋体からなる絶縁層とが積層されてなる。
図1は、本発明の直流電力ケーブルの一例を示す横断面図である。
図1に示す直流電力ケーブル10は、導体11の外周面に、内部半導電層12と、本発明の樹脂架橋体からなる絶縁層13と、外部半導電層14とが積層形成され、更に、外部半導電層14の外周面に、金属遮蔽層15と、シース16とが積層配置されている。
<DC power cable>
The DC power cable of the present invention comprises an inner semiconductive layer and an insulating layer made of the crosslinked resin of the present invention laminated on the surface of a conductive member.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a DC power cable according to the present invention.
In a DC power cable 10 shown in FIG. 1 , an inner semiconductive layer 12, an insulating layer 13 made of the crosslinked resin of the present invention, and an outer semiconductive layer 14 are laminated on the outer peripheral surface of a conductor 11, and further, a metal shielding layer 15 and a sheath 16 are laminated on the outer peripheral surface of the outer semiconductive layer 14.

図1に示す本発明の直流電力ケーブル10は、導体11を被覆する内部半導電層12とともに本発明の樹脂組成物を押出成形し(この際、外部半導電層14を同時に押出成形してもよい)、当該樹脂組成物を架橋処理して樹脂架橋体からなる絶縁層13を形成し、次いで、常法に従って、金属遮蔽層15およびシース16を設けることにより製造することができる。 The DC power cable 10 of the present invention shown in Figure 1 can be produced by extruding the resin composition of the present invention together with the inner semiconductive layer 12 that covers the conductor 11 (at this time, the outer semiconductive layer 14 may also be extruded simultaneously), crosslinking the resin composition to form the insulating layer 13 made of a crosslinked resin, and then providing the metal shielding layer 15 and sheath 16 according to conventional methods.

絶縁層13(樹脂架橋体)を形成するための架橋処理方法としては特に限定されるものではないが、通常、加圧加熱処理等が使用される。
一例として、窒素雰囲気下で、圧力10kg/cm2 、温度280℃の加圧加熱を行い、(D)成分を開始剤とするラジカル反応により樹脂組成物の架橋を進行させる。
The cross-linking method for forming the insulating layer 13 (cross-linked resin body) is not particularly limited, but typically, a pressurized and heated treatment or the like is used.
For example, the resin composition is heated and pressurized at a pressure of 10 kg/cm@2 and a temperature of 280 DEG C. in a nitrogen atmosphere to promote crosslinking of the resin composition by a radical reaction using component (D) as an initiator.

本発明の直流電力ケーブル10は、良好な直流電気特性を発揮し、絶縁層13の破壊が生じにくい。 The DC power cable 10 of the present invention exhibits excellent DC electrical characteristics and is less susceptible to breakdown of the insulating layer 13.

<直流電力ケーブル接続部>
本発明の直流電力ケーブル接続部は、直流電力ケーブルの導電部材の接続部を含む当該導電部材の露出部分を被覆している接続部内部半導電層上に、本発明の樹脂架橋体からなる補強絶縁層が形成されてなる。
<DC power cable connection>
The DC power cable joint of the present invention comprises a reinforcing insulating layer made of the crosslinked resin product of the present invention formed on a joint internal semiconductive layer that covers exposed portions of conductive members of a DC power cable, including the joint portion of the conductive members.

図2は、本発明の直流電力ケーブル接続部の一例を示す縦断面図である。
図2に示す直流電力ケーブル接続部20は、2本の直流電力ケーブル10A,10Bが接続されてなり、直流電力ケーブル10Aの導体11Aと直流電力ケーブル10Bの導体11Bとの接続部17を含む導体の露出部分を被覆している接続部内部半導電層22上に、本発明の樹脂架橋体からなる補強絶縁層23と、接続部外部半導電層24とが積層形成されてなる。
FIG. 2 is a vertical cross-sectional view showing an example of a DC power cable joint according to the present invention.
The DC power cable connection part 20 shown in FIG. 2 is formed by connecting two DC power cables 10A, 10B, and is formed by laminating a reinforcing insulating layer 23 made of the crosslinked resin of the present invention and a connection part external semiconductive layer 24 on a connection part internal semiconductive layer 22 that covers exposed portions of the conductors, including a connection part 17 between the conductor 11A of the DC power cable 10A and the conductor 11B of the DC power cable 10B.

同図において、13Aは直流電力ケーブル10Aの絶縁層、13Bは直流電力ケーブル10Bの絶縁層であり、絶縁層13Aおよび13Bは、本発明の樹脂架橋体からなる。
また、12A,14A,15Aおよび16Aは、それぞれ、直流電力ケーブル10Aの内部半導電層、外部半導電層、金属遮蔽層およびシースである。
また、12B,14B,15Bおよび16Bは、それぞれ、直流電力ケーブル10Bの内部半導電層、外部半導電層、金属遮蔽層およびシースである。
In the figure, 13A is an insulating layer of a DC power cable 10A, and 13B is an insulating layer of a DC power cable 10B, and the insulating layers 13A and 13B are made of the crosslinked resin of the present invention.
Also, 12A, 14A, 15A and 16A respectively denote the inner semiconductive layer, the outer semiconductive layer, the metal shielding layer and the sheath of the DC power cable 10A.
Furthermore, 12B, 14B, 15B and 16B respectively denote the inner semiconductive layer, the outer semiconductive layer, the metal shielding layer and the sheath of the DC power cable 10B.

直流電力ケーブル10Aと直流電力ケーブル10Bとを接続して、図2に示したような直流電力ケーブル接続部20を形成する際には、導体11Aと導体11Bとの接続部17を含む導体の露出部分を被覆している接続部内部半電導層22上に、本発明の樹脂組成物により作製されたテープ状部材(本発明の補強絶縁層形成用部材)を巻きつけてなるものを加熱処理して架橋させることにより、本発明の樹脂架橋体からなる補強絶縁層23を形成する。 When connecting DC power cables 10A and 10B to form a DC power cable connection 20 as shown in FIG. 2, a tape-shaped member (reinforcing insulating layer-forming member of the present invention) made from the resin composition of the present invention is wrapped around the connection internal semiconducting layer 22, which covers the exposed portions of the conductors, including the connection 17 between conductors 11A and 11B, and crosslinked by heat treatment to form a reinforcing insulating layer 23 made from the crosslinked resin of the present invention.

本発明の補強絶縁層形成用部材を加熱処理して補強絶縁層23を形成する際には、直流電力ケーブル10Aの絶縁層13Aおよび直流電力ケーブル10Bの絶縁層13Bも加熱されるが、絶縁層13A,13Bが本発明の樹脂架橋体からなることにより、当該絶縁層13A,13Bから発生する二次分解水量を少なくすることができる。
また、形成される補強絶縁層23における空間電荷の蓄積も抑制することができる。
When the reinforcing insulating layer-forming member of the present invention is heat-treated to form the reinforcing insulating layer 23, the insulating layer 13A of the DC power cable 10A and the insulating layer 13B of the DC power cable 10B are also heated. However, since the insulating layers 13A, 13B are made of the crosslinked resin body of the present invention, the amount of secondary decomposition water generated from the insulating layers 13A, 13B can be reduced.
Furthermore, the accumulation of space charges in the reinforcing insulating layer 23 can also be suppressed.

ケーブル接続部の製造方法としては、電圧階級、用途、施工環境などに応じて、種々の方法を採用することができ、例えば、テープモールドジョイント(TMJ)、押出モールドジョイント(EMJ)、ブロックモールドジョイント(BMJ)などを例示することができる。 A variety of methods can be used to manufacture cable connections depending on the voltage class, application, installation environment, etc., including tape mold joints (TMJ), extrusion mold joints (EMJ), and block mold joints (BMJ).

以下、実施例により本発明を説明する。 The present invention will be explained below using examples.

<分析方法>
(1)MFR:JIS K 7210に従い、測定温度190℃、荷重21.18Nの条件で測定した。
<Analysis method>
(1) MFR: Measured in accordance with JIS K 7210 at a measurement temperature of 190° C. and a load of 21.18 N.

(2)密度:JIS K 7112に従い測定した。 (2) Density: Measured in accordance with JIS K 7112.

(3)変性モノマーにより導入された極性基の濃度測定:
(3-1)試料の作製
120℃、1MPa、5分間にわたり予熱された樹脂組成物を、180℃、15MPa、15分間にわたりプレス機で加熱することにより、厚み約0.2mmの架橋シート(シート状の樹脂架橋体)を作製した。この架橋シートをクロロホルムに浸漬させ、未反応の変性モノマーを取り除いた。
(3) Measurement of the concentration of polar groups introduced by modified monomers:
(3-1) Preparation of Samples A resin composition preheated at 120°C and 1 MPa for 5 minutes was heated in a press at 180°C and 15 MPa for 15 minutes to prepare a crosslinked sheet (sheet-shaped crosslinked resin product) with a thickness of approximately 0.2 mm. This crosslinked sheet was immersed in chloroform to remove unreacted modified monomer.

(3-2)赤外吸収スペクトルの測定:
赤外分光光度計「FT/IR-4200」(日本分光(株)製)を用いて積算回数16回、分解能4cm-1の条件で500cm-1~4000cm-1までの波数範囲で測定し、1650~1750cm-1付近の変性モノマーに特徴的な吸収ピークの吸光度(ベースライン1600~1840cm-1)と、2020cm-1付近のポリエチレンに特徴的な吸収ピークの吸光度(ベースライン1980~2110cm-1)の比率を記録した。
(3-2) Measurement of infrared absorption spectrum:
Measurements were taken using an infrared spectrophotometer "FT/IR-4200" (manufactured by JASCO Corporation) in the wavenumber range of 500 cm -1 to 4000 cm -1 under conditions of 16 accumulations and a resolution of 4 cm -1 , and the ratio of the absorbance of the absorption peak characteristic of the modified monomer near 1650 to 1750 cm -1 (baseline 1600 to 1840 cm -1 ) to the absorbance of the absorption peak characteristic of polyethylene near 2020 cm -1 (baseline 1980 to 2110 cm -1 ) was recorded.

(3-3)極性基の濃度の算出:
濃度既知の試料により作製した検量線を用いて、上記の変性モノマー/ポリエチレン比率から変性モノマーにより導入された極性基の濃度を算出した。
(3-3) Calculation of polar group concentration:
Using a calibration curve prepared from samples of known concentrations, the concentration of the polar group introduced by the modified monomer was calculated from the modified monomer/polyethylene ratio.

<極性基と正イオンとの結合エネルギーの計算条件>
(1)使用したソフトウエア:
・クラウドサービスMatlantis(PFP version 1.1.0,Grimme D3 分散力補正)
<Calculation conditions for the bond energy between a polar group and a positive ion>
(1) Software used:
- Cloud service Matlantis (PFP version 1.1.0, Grimme D3 dispersion force correction)

(2)参考文献:
So Takamoto, Chikashi Shinagawa, Daisuke Motoki, Kosuke Nakago, Wenwen Li, Iori Kurata, Taku Watanabe, Yoshihiro Yayama, Hiroki Iriguchi, Yusuke Asano, Tasuku Onodera, Takafumi Ishii, Takao Kudo, Hideki Ono, Ryohto Sawada, Ryuichiro Ishitani, Marc Ong, Taiki Yamaguchi, Toshiki Kataoka, Akihide Hayashi, and Takeshi Ibuka, PFP: Universal Neural Network Potential for Material Discovery. arXiv:2106.14583v1 Condensed Matter
(2) References:
So Takamoto, Chikashi Shinagawa, Daisuke Motoki, Kosuke Nakago, Wenwen Li, Iori Kurata, Taku Watanabe, Yoshihiro Yayama, Hiroki Iriguchi, Yusuke Asano, Tasuku Onodera, Takafumi Ishii, Takao Kudo, Hideki Ono, Ryohto Sawada, Ryuichiro Ishitani, Marc Ong, Taiki Yamaguchi, Toshiki Kataoka, Akihide Hayashi, and Takeshi Ibuka, PFP: Universal Neural Network Potential for Material Discovery. arXiv:2106.14583v1 Condensed Matter

(3)構造最適化計算:
・最適化アルゴリズム:FIRE(原子座標)、Exp Cell Filter(周期構造)
・計算収束条件:0.05eV/Å以下
・PE周期構造:C1224、a=15.2533Å、b=20.0Å、c=20.0Å、直方体
(3) Structural optimization calculation:
・Optimization algorithm: FIRE (atomic coordinates), Exp Cell Filter (periodic structure)
Calculation convergence condition: 0.05 eV/Å or less PE periodic structure: C 12 H 24 , a=15.2533 Å, b=20.0 Å, c=20.0 Å, rectangular parallelepiped

(4)結合エネルギーサンプリング:
状態数:2000
ボルツマン分布:300Kelvin
(4) Binding energy sampling:
Number of states: 2000
Boltzmann distribution: 300 Kelvin

<ポリエチレンの準備>
高圧法チューブラー法によって得られ、MFR=2.0~3.0g/10min、密度=0.92g/cm3 である低密度ポリエチレン(A1)を準備した。
<Preparing polyethylene>
A low-density polyethylene (A1) obtained by a high-pressure tubular method and having an MFR of 2.0 to 3.0 g/10 min and a density of 0.92 g/cm 3 was prepared.

<変性ポリエチレンの調製>
(1)調製例B1(本発明用):
低密度ポリエチレン(A1)100質量部に対して、ジメチルアミノプロピルアクリルアミド1.1質量部およびヒンダードフェノール系酸化防止剤「イルガノックス1010」(BASF社製)0.05質量部を添加し、有機過酸化物である2, 5-ジメチル-2, 5-ビス(ターシャルブチルパーオキシ)ヘキシン-3「パーヘキシン25B」(日本油脂社製)0.05質量部を用いて押出機内で混合して加熱することにより反応させることにより、グラフト共重合体からなる変性ポリエチレン(B1)を得た。
ここに、ジメチルアミノプロピルアクリルアミドにより導入された変性ポリエチレン(B1)の極性基と、アセトフェノンに水素イオンが結合された正イオンとの結合エネルギー(算出された結合エネルギーの平均値<E>)は0.46eVである。
<Preparation of modified polyethylene>
(1) Preparation Example B1 (for the present invention):
To 100 parts by mass of low-density polyethylene (A1), 1.1 parts by mass of dimethylaminopropylacrylamide and 0.05 parts by mass of a hindered phenol-based antioxidant "Irganox 1010" (manufactured by BASF) were added, and the mixture was reacted by mixing and heating in an extruder using 0.05 parts by mass of 2,5-dimethyl-2,5-bis(tert-butylperoxy)hexyne-3 "Perhexyne 25B" (manufactured by NOF Corporation), which is an organic peroxide, to obtain a modified polyethylene (B1) consisting of a graft copolymer.
Here, the bond energy (average value of the calculated bond energy <E>) between the polar group of the modified polyethylene (B1) introduced by dimethylaminopropylacrylamide and the positive ion formed by bonding a hydrogen ion to acetophenone is 0.46 eV.

(2)調製例B2(比較用):
ジメチルアミノプロピルアクリルアミドに代えてヒドロキシメチルアクリルアミド0.7質量部を使用したこと以外は調製例B1と同様にしてグラフト共重合体からなる変性ポリエチレン(B2)を得た。
ここに、ヒドロキシメチルアクリルアミドにより導入された変性ポリエチレン(B2)の極性基と、アセトフェノンに水素イオンが結合された正イオンとの結合エネルギー(算出された結合エネルギーの平均値<E>)は0.28eVである。
(2) Preparation example B2 (for comparison):
A modified polyethylene (B2) consisting of a graft copolymer was obtained in the same manner as in Preparation Example B1, except that 0.7 parts by mass of hydroxymethyl acrylamide was used instead of dimethylaminopropyl acrylamide.
Here, the bond energy (average value of the calculated bond energy <E>) between the polar group of the modified polyethylene (B2) introduced by hydroxymethylacrylamide and the positive ion formed by bonding a hydrogen ion to acetophenone is 0.28 eV.

(3)調製例B3(比較用):
ジメチルアミノプロピルアクリルアミドに代えて2-エチルヘキシルアクリレート1.2質量部を使用したこと以外は調製例B1と同様にしてグラフト共重合体からなる変性ポリエチレン(B3)を得た。
ここに、2-エチルヘキシルアクリレートにより導入された変性ポリエチレン(B3)の極性基と、アセトフェノンに水素イオンが結合された正イオンとの結合エネルギー(算出された結合エネルギーの平均値<E>)は0.32eVである。
(3) Preparation example B3 (for comparison):
A modified polyethylene (B3) consisting of a graft copolymer was obtained in the same manner as in Preparation Example B1, except that 1.2 parts by mass of 2-ethylhexyl acrylate was used instead of dimethylaminopropylacrylamide.
Here, the bond energy (average value of the calculated bond energy <E>) between the polar group of the modified polyethylene (B3) introduced by 2-ethylhexyl acrylate and the positive ion formed by bonding a hydrogen ion to acetophenone is 0.32 eV.

(4)調製例B4(比較用):
ジメチルアミノプロピルアクリルアミドに代えて2-(2-エトキシ)エトキシエチルアクリレート1.1質量部を使用したこと以外は調製例B1と同様にしてグラフト共重合体からなる変性ポリエチレン(B4)を得た。
ここに、2-(2-エトキシ)エトキシエチルアクリレートにより導入された変性ポリエチレン(B4)の極性基と、アセトフェノンに水素イオンが結合された正イオンとの結合エネルギー(算出された結合エネルギーの平均値<E>)は0.42eVである。
(4) Preparation example B4 (for comparison):
A modified polyethylene (B4) consisting of a graft copolymer was obtained in the same manner as in Preparation Example B1, except that 1.1 parts by mass of 2-(2-ethoxy)ethoxyethyl acrylate was used instead of dimethylaminopropylacrylamide.
Here, the bond energy (average value of the calculated bond energy <E>) between the polar group of the modified polyethylene (B4) introduced by 2-(2-ethoxy)ethoxyethyl acrylate and the positive ion in which a hydrogen ion is bonded to acetophenone is 0.42 eV.

(5)調製例B5(参考用):
ジメチルアミノプロピルアクリルアミドに代えて、二重結合を末端に有していない変性モノマーである無水マレイン酸0.7質量部を使用したこと以外は調製例B1と同様にしてグラフト共重合体からなる変性ポリエチレン(B5)を得た。
ここに、無水マレイン酸により導入された変性ポリエチレン(B5)の極性基と、アセトフェノンに水素イオンが結合された正イオンとの結合エネルギー(算出された結合エネルギーの平均値<E>)は0.46eVである。
(5) Preparation example B5 (for reference):
A modified polyethylene (B5) consisting of a graft copolymer was obtained in the same manner as in Preparation Example B1, except that 0.7 parts by mass of maleic anhydride, which is a modified monomer not having a double bond at its terminal, was used instead of dimethylaminopropylacrylamide.
Here, the bond energy (average value of the calculated bond energy <E>) between the polar group of the modified polyethylene (B5) introduced with maleic anhydride and the positive ion formed by bonding a hydrogen ion to acetophenone is 0.46 eV.

<酸化防止剤の準備>
(C)成分として、チオエーテル系酸化防止剤「シーノックスBCS」(シプロ化成製)を準備した。
<Preparing the antioxidant>
As component (C), a thioether-based antioxidant "Seenox BCS" (manufactured by Shipro Kasei Co., Ltd.) was prepared.

<有機過酸化物の準備>
(D)成分として、ジクミルパーオキサイドからなる架橋剤を準備した。
<Preparation of organic peroxide>
As component (D), a crosslinking agent made of dicumyl peroxide was prepared.

比較例6、実施例2~3
低密度ポリエチレン(A1)100質量部と、下記表1に示す配合量の変性ポリエチレン(B1)と、(C)成分0.2質量部と、(D)成分1.5質量部とを混合することにより樹脂組成物を得た。得られた樹脂組成物の各々について測定した変性モノマーによって導入された極性基の濃度を併せて表1に示す。
< Comparative Example 6, Examples 2 and 3 >
Resin compositions were obtained by mixing 100 parts by mass of low-density polyethylene (A1), modified polyethylene (B1) in the amounts shown in Table 1 below, 0.2 parts by mass of component (C), and 1.5 parts by mass of component (D). The concentrations of polar groups introduced by the modifying monomer measured for each of the obtained resin compositions are also shown in Table 1.

<比較例1>
下記表1に示す処方に従って、(B)成分を使用しなかったこと以外は比較例6と同様にして比較用の樹脂組成物を得た。
<Comparative Example 1>
According to the formulation shown in Table 1 below, a comparative resin composition was obtained in the same manner as in Comparative Example 6 , except that component (B) was not used.

<比較例2>
下記表1に示す処方に従って、変性ポリエチレン(B1)の使用量を3質量部に変更したこと以外は比較例6と同様にして比較用の樹脂組成物を得た。この樹脂組成物における変性モノマーにより導入された極性基の濃度は1μmol/gであった。
<Comparative Example 2>
A comparative resin composition was obtained in the same manner as in Comparative Example 6 , except that the amount of modified polyethylene (B1) used was changed to 3 parts by mass according to the formulation shown in Table 1. The concentration of polar groups introduced by the modifying monomer in this resin composition was 1 μmol/g.

<比較例3>
下記表1に示す処方に従って、変性ポリエチレン(B1)に代えて変性ポリエチレン(B2)18質量部を使用したこと以外は比較例6と同様にして比較用の樹脂組成物を得た。この樹脂組成物における変性モノマーにより導入された極性基の濃度は8μmol/gであった。
<Comparative Example 3>
A comparative resin composition was obtained in the same manner as in Comparative Example 6 , except that 18 parts by mass of modified polyethylene (B2) was used instead of modified polyethylene (B1) according to the formulation shown in Table 1 below. The concentration of polar groups introduced by the modifying monomer in this resin composition was 8 μmol/g.

<比較例4>
下記表1に示す処方に従って、変性ポリエチレン(B1)に代えて変性ポリエチレン(B3)18質量部を使用したこと以外は比較例6と同様にして比較用の樹脂組成物を得た。この樹脂組成物における変性モノマーにより導入された極性基の濃度は8μmol/gであった。
<Comparative Example 4>
A comparative resin composition was obtained in the same manner as in Comparative Example 6 , except that 18 parts by mass of modified polyethylene (B3) was used instead of modified polyethylene (B1) according to the formulation shown in Table 1 below. The concentration of polar groups introduced by the modifying monomer in this resin composition was 8 μmol/g.

<比較例5>
下記表1に示す処方に従って、変性ポリエチレン(B1)に代えて変性ポリエチレン(B4)18質量部を使用したこと以外は比較例6と同様にして比較用の樹脂組成物を得た。この樹脂組成物における変性モノマーにより導入された極性基の濃度は8μmol/gであった。
<Comparative Example 5>
A comparative resin composition was obtained in the same manner as in Comparative Example 6 , except that 18 parts by mass of modified polyethylene (B4) was used instead of modified polyethylene (B1) according to the formulation shown in Table 1 below. The concentration of polar groups introduced by the modifying monomer in this resin composition was 8 μmol/g.

<参考例1>
下記表1に示す処方に従って、変性ポリエチレン(B1)に代えて変性ポリエチレン(B5)15質量部を使用したこと以外は比較例6と同様にして参考用の樹脂組成物を得た。この樹脂組成物における変性モノマーにより導入された極性基の濃度は7μmol/gであった。
<Reference example 1>
A reference resin composition was obtained in the same manner as in Comparative Example 6 , except that 15 parts by mass of modified polyethylene (B5) was used instead of modified polyethylene (B1) according to the formulation shown in Table 1 below. The concentration of polar groups introduced by the modifying monomer in this resin composition was 7 μmol/g.

<評価>
上記の実施例、比較例および参考例で得られた樹脂組成物の各々について、樹脂組成物により得られる樹脂架橋体の空間電荷特性の評価(電荷変化率の測定)を行った。測定方法、評価方法、評価基準は下記のとおりである。結果を併せて下記表1に示す。
<Evaluation>
For each of the resin compositions obtained in the above Examples, Comparative Examples, and Reference Examples, the space charge characteristics of the crosslinked resin products obtained from the resin compositions were evaluated (measurement of the charge change rate). The measurement method, evaluation method, and evaluation criteria are as follows. The results are also shown in Table 1 below.

(1)空間電荷変化率の測定(空間電荷特性の評価):
実施例2~3比較例1~6および参考例1により得られた樹脂組成物の各々を、温度120℃、圧力1MPaで5分間プレスしてシート状に成型した後、温度180℃、圧力15MPaで15分間プレスすることにより、厚み0.2mmの架橋シート(樹脂架橋体)を得た。
得られた架橋シートの各々について、パルス静電応力法(PEA法)による空間電荷特性評価として空間電荷変化率を測定した。
具体的には、温度23℃の温度条件下、負極性40kV/mmの直流電界を30分間にわたり連続して架橋シートに印加し、印加開始時における最大電荷密度(単位C/m3 )の値(C0 )および印加終了時における最大電荷密度の値(C30)から、式〔(C0 -C30)/C0 〕×100で算出される空間電荷変化率を測定した。
この空間電荷変化率が小さいほど、直流高電圧課電時の空間電荷の移動・蓄積が低く、空間電荷特性に優れているといえる。
評価基準としては、電荷変化率が3%以下である場合を「合格」とし、3%を超える場合を「不合格」とした。
(1) Measurement of space charge change rate (evaluation of space charge characteristics):
Each of the resin compositions obtained in Examples 2 to 3 , Comparative Examples 1 to 6 , and Reference Example 1 was pressed at a temperature of 120°C and a pressure of 1 MPa for 5 minutes to form a sheet, and then pressed at a temperature of 180°C and a pressure of 15 MPa for 15 minutes to obtain a crosslinked sheet (crosslinked resin product) having a thickness of 0.2 mm.
For each of the obtained crosslinked sheets, the space charge change rate was measured as an evaluation of the space charge characteristics by a pulse electrostatic discharge (PEA) method.
Specifically, a negative DC electric field of 40 kV/mm was applied to the crosslinked sheet continuously for 30 minutes at a temperature of 23°C, and the space charge change rate was measured using the formula [(C 0 - C 30 )/C 0 ] x 100, calculated from the maximum charge density (unit: C/m 3 ) value at the start of application (C 0 ) and the maximum charge density value at the end of application (C 30 ).
The smaller this space charge change rate, the less space charge moves and accumulates when a high DC voltage is applied, and the better the space charge characteristics.
The evaluation criteria were as follows: a charge change rate of 3% or less was rated as "pass", and a charge change rate of more than 3% was rated as "fail".

表1の実施例2~3および比較例2、6の結果から、架橋シートの空間電荷変化率は、使用したジメチルアミノプロピルアクリルアミドにより導入された極性基の濃度に依存し、2μmol/g以上の濃度のときに空間電荷変化率が10%未満となることが分かる。また、このモノマー濃度が4μmol/g以上になると、架橋シートの空間電荷変化率にほとんど変化がなく、空間電荷特性改良効果が飽和していることも分かる。
これに対して、比較例3~5の結果から、使用した変性モノマーにより導入された極性基の濃度が8μmol/gであっても空間電荷特性改良効果が不十分であることが分かる。
The results of Examples 2 and 3 and Comparative Examples 2 and 6 in Table 1 show that the space charge change rate of the crosslinked sheet depends on the concentration of polar groups introduced by the dimethylaminopropylacrylamide used, and that the space charge change rate is less than 10% at a concentration of 2 μmol/g or higher. Furthermore, when the monomer concentration is 4 μmol/g or higher, there is almost no change in the space charge change rate of the crosslinked sheet, and it is also clear that the effect of improving space charge characteristics is saturated.
In contrast, the results of Comparative Examples 3 to 5 show that even when the concentration of polar groups introduced by the modified monomer used was 8 μmol/g, the effect of improving the space charge characteristics was insufficient.


10,10A,10B 直流電力ケーブル
11,11A,11B 導体
12,12A,12B 内部半導電層
13,13A,13B 絶縁層
14,14A,14B 外部半導電層
15,15A,15B 金属遮蔽層
16,16A,16B シース
17 導体の接続部
20 直流電力ケーブル接続部
22 接続部内部半導電層
23 補強絶縁層
24 接続部外部半導電層
10, 10A, 10B DC power cable 11, 11A, 11B Conductor 12, 12A, 12B Inner semiconductive layer 13, 13A, 13B Insulating layer 14, 14A, 14B Outer semiconductive layer 15, 15A, 15B Metal shielding layer 16, 16A, 16B Sheath 17 Conductor connection portion 20 DC power cable connection portion 22 Internal semiconductive layer of connection portion 23 Reinforcing insulating layer 24 External semiconductive layer of connection portion

Claims (14)

下記方法により測定・算出されるパルス静電応力法(PEA法)による空間電荷変化率が3%以下である直流電カケーブル用絶緑性樹脂組成物。An insulating resin composition for DC power cables, having a space charge change rate of 3% or less as measured and calculated by the pulse electrostatic discharge (PEA) method as follows:
〔空間電荷変化率の測定・算出方法〕[Method for measuring and calculating space charge change rate]
前記樹脂組成物を、温度120℃、圧力1MPaで5分間プレスしてシート状に成型した後、温度180℃、圧力15MPaで15分間プレスすることにより、厚み0.2mmの架橋シートを作製する。得られた前記架橋シートに、温度23℃の温度条件下、負極性40kV/mmの直流電界を30分間にわたり連続して印加し、印加開始時における最大電荷密度の値(CThe resin composition is pressed at a temperature of 120°C and a pressure of 1 MPa for 5 minutes to form a sheet, and then pressed at a temperature of 180°C and a pressure of 15 MPa for 15 minutes to prepare a crosslinked sheet having a thickness of 0.2 mm. A negative DC electric field of 40 kV/mm is continuously applied to the obtained crosslinked sheet for 30 minutes under a temperature condition of 23°C, and the maximum charge density value (C 0 0 )および印加終了時における最大電荷密度の値(C) and the maximum charge density at the end of application (C 3030 )を測定し、式〔(C) was measured, and the 0 0 -C-C 3030 )/C)/C 0 0 〕×100により、空間電荷変化率を算出する。] × 100 to calculate the space charge change rate.
二重結合を末端に有する変性モノマーがポリエチレンにグラフトされた変性ポリエチレンを含有する前記樹脂組成物であって、
前記変性ポリエチレンは、前記変性モノマーによって導入され、アセトフェノンに水素イオンが結合された正イオンとの結合エネルギーが0.44eV以上である極性基を有している請求項1に記載の直流電カケーブル用絶緑性樹脂組成物。
The resin composition contains a modified polyethylene in which a modifying monomer having a double bond at a terminal is grafted onto polyethylene,
2. The insulating resin composition for a DC power cable according to claim 1, wherein the modified polyethylene has a polar group introduced by the modifying monomer, the polar group having a bond energy of 0.44 eV or more with a positive ion formed by bonding a hydrogen ion to acetophenone.
前記変性モノマーが、分子中に2個以上の窒素原子を含む窒素原子含有(メタ)アクリル酸誘導体である請求項2に記載の直流電力ケーブル用絶縁性樹脂組成物。 The insulating resin composition for DC power cables according to claim 2, wherein the modifying monomer is a nitrogen-containing (meth)acrylic acid derivative containing two or more nitrogen atoms in the molecule. 前記窒素原子含有(メタ)アクリル酸誘導体が一般式:H2 C=C(R1 )CONR2 3 (式中、R1 は水素原子またはメチル基、R2 は水素原子またはアルキル基、R3 は、少なくとも1個の窒素原子を含む1価の有機基である)で示される(メタ)アクリルアミドである請求項3に記載の直流電力ケーブル用絶縁性樹脂組成物。 An insulating resin composition for DC power cables as described in claim 3 , wherein the nitrogen atom-containing (meth)acrylic acid derivative is a (meth)acrylamide represented by the general formula: H2C =C( R1 ) CONR2R3 (wherein R1 is a hydrogen atom or a methyl group, R2 is a hydrogen atom or an alkyl group, and R3 is a monovalent organic group containing at least one nitrogen atom). 前記変性モノマーがジメチルアミノプロピルアクリルアミド(DMAPAA)であることを特徴とする請求項2に記載の直流電力ケーブル用絶縁性樹脂組成物。 The insulating resin composition for DC power cables according to claim 2, characterized in that the modified monomer is dimethylaminopropylacrylamide (DMAPAA). (A)ポリエチレンと、
(B)前記変性ポリエチレンと、
(C)酸化防止剤とを有する請求項2~5の何れかに記載の直流電力ケーブル用絶縁性樹脂組成物。
(A) polyethylene;
(B) the modified polyethylene;
The insulating resin composition for a DC power cable according to any one of claims 2 to 5, further comprising (C) an antioxidant.
(D)有機過酸化物を更に含有する請求項6に記載の直流電力ケーブル用絶縁性樹脂組成物。 The insulating resin composition for DC power cables according to claim 6, further comprising (D) an organic peroxide. (A)ポリエチレン100質量部に対して(B)前記変性ポリエチレンを8質量部以上含有する請求項6または7に記載の直流電力ケーブル用絶縁性樹脂組成物。 8. The insulating resin composition for a DC power cable according to claim 6, comprising 8 parts by mass or more of the modified polyethylene (B) per 100 parts by mass of the polyethylene (A). 前記変性モノマーにより導入された前記極性基の濃度が4μmol/g以上である請求項6~8の何れかに記載の直流電力ケーブル用絶縁性樹脂組成物。 9. The insulating resin composition for a DC power cable according to claim 6, wherein the concentration of the polar group introduced by the modified monomer is 4 μmol/g or more . (A)ポリエチレン100質量部と、
(B)前記変性ポリエチレン8~18質量部と、
(C)酸化防止剤0.01~0.8質量部と、
(D)有機過酸化物0.1~5質量部とを有し、
前記変性モノマーにより導入された前記極性基の濃度が4~8μmol/gである請求項5に記載の直流電力ケーブル用絶縁性樹脂組成物。
(A) 100 parts by mass of polyethylene;
(B) 8 to 18 parts by mass of the modified polyethylene;
(C) 0.01 to 0.8 parts by mass of an antioxidant;
(D) 0.1 to 5 parts by mass of an organic peroxide,
6. The insulating resin composition for a DC power cable according to claim 5, wherein the concentration of the polar group introduced by the modified monomer is 4 to 8 μmol/g.
請求項1~10の何れかに記載の樹脂組成物を架橋して得られる樹脂架橋体。 A crosslinked resin obtained by crosslinking the resin composition described in any one of claims 1 to 10. 導電部材の表面に、内部半導電層と、請求項11に記載の樹脂架橋体からなる絶縁層とが積層されてなることを特徴とする直流電力ケーブル。 A DC power cable characterized by having an internal semiconductive layer and an insulating layer made of the crosslinked resin described in claim 11 laminated on the surface of a conductive member. 直流電力ケーブルどうしを接続するにあたり、直流電力ケーブルの導電部材の接続部を含む前記導電部材の露出部分を被覆している接続部内部半電導層上に巻回され、架橋により前記接続部内部半電導層上に補強絶縁層を形成するための補修用のテープ状部材であって、請求項1~10の何れかに記載の樹脂組成物からなることを特徴とする直流電力ケーブル接続部の補強絶縁層形成用部材。 A repair tape-shaped component for forming a reinforcing insulating layer on a DC power cable joint, which is wound around a semiconducting layer inside the joint that covers exposed portions of the conductive members, including the joints of the conductive members of the DC power cables, and forms a reinforcing insulating layer on the semiconducting layer inside the joint by crosslinking, when connecting DC power cables together, the component comprising the resin composition of any one of claims 1 to 10. 直流電力ケーブルどうしが接続されてなり、直流電力ケーブルの導電部材の接続部を含む前記導電部材の露出部分を被覆している接続部内部半導電層上に、請求項11に記載の樹脂架橋体からなる補強絶縁層が形成されてなることを特徴とする直流電力ケーブル接続部。 A DC power cable connection formed by connecting two DC power cables, characterized in that a reinforcing insulating layer made of the crosslinked resin product according to claim 11 is formed on a connection internal semiconductive layer that covers exposed portions of the conductive members of the DC power cables, including the connection portions of the conductive members.
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