硅烷交聯聚乙烯電纜局部熱延伸性能研究

李森林，郭可貴，嚴 波，劉宇舜，何 凱

（1 國網安徽電科院，安徽合肥 230601；2 國網安徽省電力有限公司，安徽合肥230022；3 國網合肥供電公司，安徽合肥230022)

自上世紀末期開始，近半數的發達國家開始采用硅烷交聯聚乙烯作為電纜絕緣材料［1］，利用其解決聚氯乙烯燃燒導致大量有害氣體生成的問題［2］。硅烷交聯聚乙烯解決了傳統聚乙烯熔融溫度與膨脹系數較低、收縮性較大導致絕緣易變形受損等問題［3-4］。作為一種化學交聯方法，硅烷交聯過程由兩部分組成［5］：(1) 硅烷交聯聚乙烯材料制配：以有機過氧化物作為引發劑，將不飽和硅烷分子接枝至熱塑性聚乙烯分子鏈上［6-7］，構建活性烷基，由此產生A 料；(2) 依照固定比例將A 料與內含二月桂酸二丁錫酯的B 料融合，包覆至電纜上，分別在相應溫度的水或水蒸氣內和存在催化劑與水的條件下水解縮合實施交聯反應。

硅烷交聯聚乙烯作為電纜絕緣材料，其優異的絕緣效果、機械性能以及耐熱固定性由其分子結構決定［8-9］。但在硅烷交聯聚乙烯電纜實際應用過程中會產生熱延伸不合格的問題，嚴重影響其使用性能，因此研究硅烷交聯聚乙烯電纜局部熱延伸性能具有重要意義［10-11］。

1 熱延伸性能研究

1.1 影響熱延伸性能的因素

熱延伸性能是體現硅烷交聯程度的關鍵指標［12］，通常也是相關研究人員最關注的指標之一。硅烷交聯聚乙烯電纜局部熱延伸性能主要受聚乙烯原料、引發劑用量、硅烷用量、擠出溫度等因素影響［13-14］。

一般情況下，聚乙烯的差異主要體現在大分子內部結構中［15］，這樣的差異對電纜交聯程度產生顯著影響，常見硅烷交聯聚乙烯電纜所用聚乙烯為熔體指數為2 的低密度聚乙烯樹脂［16］。

在硅烷交聯聚乙烯電纜中普遍使用的引發劑為有機過氧化物二異丙苯［17］，其用量顯著影響材料熱延伸性能。當引發劑用量過大導致其流動性下降，材料將出現交聯過度問題，擠出絕緣表層并不光滑，擠出過程困難［18］；引發劑用量過小則易導致硅烷接枝不足。

通常硅烷采用的均為乙烯基不飽和硅烷，但這種硅烷價格較高，因此在使用過程中希望以使用量下限完成材料制作，以降低成本［19］。

硅烷低密度聚乙烯的擠出需控制在一定溫度下，擠出溫度過低將造成材料熱延伸性能不符合相關標準。不同配比的色母料對于材料熱延展性同樣產生顯著影響［20-22］，這是由于色母料內的有機顏料與分散劑對硅烷交聯過程產生抑制作用。

1.2 主要原料、助劑與儀器

研究所用原料與助劑見表1。

表1 實驗原料與助劑Table 1 Experimental raw materials and additives

研究所用主要儀器設備見表2。

表2 實驗所用主要儀器Table 2 Main instruments used in the experiment

1.3 研究方法

根據我國電力行業采購規范中電纜絕緣材料熱延伸性能標準測試硅烷交聯聚乙烯電纜局部熱延伸性能。利用不同原料與儀器制備不同硅烷交聯聚乙烯試件，利用J-2500N 拉伸試驗機測試試件熱延伸性能，流程如圖1所示。

圖1 硅烷交聯聚乙烯電纜局部熱延伸性能測試Fig.1 Local thermal elongation test of silane crosslinked polyethylene cable

性能測試過程如下：在制備好的硅烷交聯聚乙烯試件上標好記號線，置于烘箱內，在下夾頭處添置重物。設定烘箱溫度，烘箱達到設定溫度后停止，試件在烘箱內持續存留20min，檢測記號線間距，并確定試件伸長率。取下試件下夾頭處重物，同時將試件留在烘箱內復原，試件滯留于烘箱內8min。取出烘箱內試件，冷卻至室溫，再次檢測記號線間距。

表3 所示為硅烷交聯聚乙烯試件熱延伸測試技術標準。

表3 硅烷交聯聚乙烯熱延伸性能測試技術要求Table 3 Technical requirements for thermal elongation test of silane crosslinked polyethylene

實驗結果可用下式描述：

上式中，1φ和2φ分別表示負載下伸長率和冷卻后永久變形率，K0、K1和K2分別表示載荷前試件記號線間距、載荷下試件記號線間距和試件冷卻后記號線間距。

2 實驗分析

2.1 聚乙烯原料對試件熱延伸性能的影響

為研究聚乙烯原料對于硅烷交聯聚乙烯試件熱延伸性能的影響，對比不同原料制成的硅烷交聯聚乙烯試件熱延伸性能測試結果，見表4。由表4 可知，采用LLDPE7540 原料制成的試件拉伸強度與熱延伸性能測試結果均未達到標準，而采用LDPE19E 原料制成的大部分試件拉伸強度與熱延伸性能測試結果達到標準。

表4 試件熱延伸性能測試結果Table 4 Test results of hot elongation of test piece

2.2 硅烷用量對試件熱延伸性能的影響

為研究硅烷用量對于試件交聯效率的影響，在聚乙烯、引發劑以及有機過氧化合物等原料配比一致的條件下，變換硅烷用量，將不同硅烷用量條件下的硅烷交聯聚乙烯凝膠含量（接枝率）變化情況繪制成曲線形式，結果如圖2 所示。

圖2 硅烷用量與凝膠含量間的相關性Fig.2 Correlation between silane dosage and gel content

由圖2 能夠看出，在試件內硅烷用量較低的條件下，隨著硅烷用量的增多，試件的接枝率也呈現上升趨勢，即硅膠交聯后產生的凝膠含量呈現升高趨勢。凝膠含量的提升導致聚乙烯分子間作用力提升，同時造成大分子鏈的移動難度上升，致使試件抗拉強度與永久變形率分別呈現上升與下降趨勢。

在試件內硅烷用量達到2.5 份的條件下，試件抗拉強度與永久變形率均隨硅烷用量的提升而下降。由此表明在硅烷用量達到相應值的條件下，聚乙烯主鏈的可水解硅烷基含量上升，試件內的反應活性點數量也隨之上升。硅烷交聯過程中，聚乙烯大分子鏈的移動阻力隨著凝膠含量的提升而變大，而未交聯的部分中大分子鏈同其他大分子鏈之間產生接觸形成交聯反應的難度更大，所以當硅烷用量逐漸提升時，凝膠含量的提升幅度也逐漸變慢。

試件交聯部分大分子鏈上的活動鏈之間產生接觸形成交聯反應的概率隨著聚乙烯大分子鏈活性多官能團數量的增加而提升，造成聚乙烯交聯網絡密度提升，交聯點之間聚乙烯鏈間距提升。在此條件下，試件受荷載作用影響產生拉伸反應時，局部的短網鏈提前承受荷載，變為交聯網絡上的應力聚集區域，在聚乙烯的多數鏈段還未全部拉伸時被先拉斷，造成試件整體受損。試件在實施熱延伸測試過程中，應力聚集區域會先產生斷裂，造成試件絕緣熱延伸性能未達到標準。

2.3 引發劑用量對試件熱延伸性能的影響

為研究引發劑含量對試件熱延伸性能的影響，在聚乙烯、硅烷用量以及有機過氧化合物等原料配比一致的條件下，繪制試件引發劑含量與拉伸強度之間的關系曲線，結果如圖3 所示。由于LLDPE7540 原料制成的試件拉伸強度與熱延伸性能測試結果均未達到標準，因此本實驗中僅討論LDPE19E 原料制成的試件。

圖3 引發劑含量與試件拉伸強度間的相關性Fig.3 Correlation between initiator content and tensile strength of test piece

分析圖3 可得，在引發劑含量同硅烷含量比例為0.16:3 的條件下，試件拉伸強度與熱延伸性能基本達到標準。通過研究可知，在試件內引發劑含量過高的條件下，試件內自由基含量過高導致大分子鏈出現斷裂現象，對于試件拉伸強度與熱延伸性能產生顯著影響。在試件內引發劑含量過低的條件下，試件內自由基含量過低無法發揮引發功能，因此無法實現有效的交聯反應。

2.4 擠出溫度對試件熱延伸性能的影響

試件進行接枝反應過程中，擠出溫度有所差異的條件下，其凝膠含量也有所差異。為研究擠出溫度對于試件熱延伸性能的影響，在試件原料配比一致的條件下，對比不同的擠出溫度對于試件凝膠含量的影響，結果如圖4 所示。

分析圖4 可知，當擠出溫度處于188℃±3℃時，凝膠含量達到最高值，可達60% 以上。當擠出溫度低于這一溫度區間時，引發劑的分解速度同擠出溫度之間呈現正比例關系，即擠出溫度越低引發劑的分解速度越低，這將導致試件內自由基含量較少，此時試件凝膠含量較低。在擠出溫度高于這一溫度區間時，受高溫影響，引發劑分解速率大幅提升，可在短時間內生成大量自由基。自由基含量過高將導致聚乙烯出現降解現象，并產生相應副反應，這說明自由基是接枝反應與降解和相應副反應的爭奪目標。同時，受高溫影響，引發劑的揮發反應更顯著，對于接枝過程通常產生不良影響。

圖4 擠出溫度對凝膠含量的影響Fig.4 Effect of extrusion temperature on gel content

2.5 高密度聚乙烯含量以及對試件熱延伸性能的影響

為提升試件拉伸強度與熱延伸性能，在以LDPE19E為主原料的基礎上，添加高密度聚乙烯優化試件性能，對比不同高密度聚乙烯對試件性能的影響，結果見表5。

表5 高密度聚乙烯對試件性能的影響Table 5 Effect of HDPE on properties of test piece

分析表5 可知，在以LDPE19E 為主原料的基礎上，添加HDPE5300E 型高密度聚乙烯時，試件拉伸強度與熱延伸性能大多數達到相關標準；而添加HDPE6098 型高密度聚乙烯時，對于試件性能優化效果較差，試件拉伸強度與熱延伸性能均未達到相關標準。

3 結論

本文主要研究硅烷交聯聚乙烯電纜局部熱延伸性能，通過制作構件并對其測試得到聚乙烯原料、引發劑用量、硅烷用量、擠出溫度等因素對于硅烷交聯聚乙烯電纜局部熱延伸性能的影響。希望通過本文研究結果為硅烷交聯聚乙烯電纜的絕緣性能提供參考與保障。