電纜用交聯(lián)聚乙烯絕緣料性能實驗研究

張 巖，衛(wèi)榮剛，馬貴榮

( 朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司原平分公司，山西原平 034100)

隨著城市化進程的加快，城市中所需的電力日益增加。為了滿足日益增加的用電需求，需要大力推進電網(wǎng)建設［1-2］。而傳統(tǒng)的輸電系統(tǒng)以架空線為主，需要較大面積的輸電走廊，另外，架空線錯綜復雜影響城市美觀。電纜的出現(xiàn)巧妙地解決了這些問題，并且電纜的輸電性能安全穩(wěn)定、不需要頻繁維護，成為城市化發(fā)展中電網(wǎng)建設的關鍵。交聯(lián)聚乙烯是電纜中主要的絕緣材料，由低密度的線性聚乙烯分子鏈通過物理或者化學方法連接而成的三維網(wǎng)狀結(jié)構，由熱塑性的線性聚乙烯變?yōu)闊峁绦越宦?lián)聚乙烯，具有優(yōu)異的絕緣性能、機械性能、電氣性能，耐熱性、耐老化、耐腐蝕性能好，具有良好的抗蠕變性，是制備電纜的絕佳材料［3-6］。改革開放以來，我國的各項技術能力水平雖然已經(jīng)得到了較好的提升，具備了制造高壓交流、直流電纜的能力，但是相較于發(fā)達國家，我國在交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣料方面的研發(fā)水平仍然處于落后水平，部分電纜的絕緣料依舊需要進口，因此，亟需提升我國研發(fā)交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣料的能力水平［7-8］。交聯(lián)聚乙烯絕緣料的交聯(lián)度、微觀結(jié)構、結(jié)晶性能等是影響其性能的主要指標，為此，本文選取了幾種不同的交聯(lián)聚乙烯絕緣料，并對其進行了介電常數(shù)與介電損耗、差示掃描量熱、交聯(lián)度等測試，對比分析了幾種交聯(lián)聚乙烯絕緣料的性能參數(shù)，對于我國電纜用交聯(lián)聚乙烯絕緣料的研發(fā)以及改善具有重要意義。

1 實驗部分

1.1 試樣的制備

本實驗中選取了一種進口電纜的交聯(lián)聚乙烯絕緣料，三種國內(nèi)的由不同廠家生產(chǎn)的電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料。在試樣制備前，需要將這四種交聯(lián)聚乙烯絕緣料置于溫度為70℃的真空干燥箱中12h，進行烘干預處理。然后稱取相同質(zhì)量的四種交聯(lián)聚乙烯絕緣料，分別置于同一平板硫化機上，進行熱壓15MPa 條件下交聯(lián)制備片狀試樣，將這四種試樣分別命名為試樣A、試樣B、試樣C和試樣D，其中，試樣A 為進口交聯(lián)聚乙烯絕緣料制備的電纜試樣。

1.2 介電常數(shù)與介電損耗測試

介電性能是指在電場作用下，材料所表現(xiàn)出對靜電能的儲蓄和損耗的性能，一般用介電常數(shù)和介質(zhì)損耗兩種參數(shù)進行表示。交聯(lián)聚乙烯絕緣料在電纜中的應用與其介電性能有著直接的關系，因此，研究其在電纜中的應用性能需要對其進行介電常數(shù)與介電損耗測試。本文采用瑞士 Tettex 2821 型西林電橋?qū)ι鲜鏊姆N試樣進行介電性能的測試，試樣的厚度均為0.3mm，其中，每種試樣各取三片進行重復實驗，最后求取平均值。

1.3 DSC 測試

DSC 即差示掃描量熱法，是一種在程序控制溫度下，記錄樣品和參比物之間的功率差與溫度關系的一種方法，主要用于研究高聚物結(jié)晶度、樣品純度等。交聯(lián)聚乙烯屬于半結(jié)晶聚合物，其分子結(jié)構內(nèi)部含有晶區(qū)和非晶區(qū)，分子中晶界對于電荷的輸運有一定的影響，聚集態(tài)結(jié)構是否完善對于材料的介電性能有著直接的影響，因此研究交聯(lián)聚乙烯絕緣料的DSC 曲線有重要意義。本文采用瑞士 Mettler 公司型號為 822e 的差示掃描量熱儀，在氮氣保護條件下測得4 種試樣的DSC 曲線。測試過程中，試樣的質(zhì)量為5～8 mg，測試的溫度范圍為25～200 ℃，試樣在溫度為30℃條件下恒溫5min，以消除試樣的熱歷史峰，然后以10℃/min 的升溫速率升溫至200℃，保溫5min，然后再以 10℃/min 降溫速率降溫至 30℃，以上述步驟完成升溫- 降溫- 升溫的環(huán)節(jié)，最終得到試樣的DSC 曲線。

1.4 交聯(lián)度的測試

交聯(lián)度是指樣品中交聯(lián)部分所占試樣總體質(zhì)量的百分比。材料的交聯(lián)度對于其結(jié)晶性能、機械性能、熱性能、電氣性能等有直接的影響，交聯(lián)程度越高，說明材料的分子結(jié)構可能含有的叔氫越多，表明材料容易在交聯(lián)點發(fā)生氧化反應而導致分子鏈斷裂，影響材料的使用性能以及老化性能，因此，對于試樣交聯(lián)程度的測定有重要作用。在測定交聯(lián)聚乙烯試樣的交聯(lián)度時，選擇與其溶解度相似的溶劑進行實驗，實驗時，交聯(lián)的聚乙烯只會發(fā)生溶脹現(xiàn)象不會發(fā)生溶解，而未交聯(lián)的聚乙烯會發(fā)生溶解。實驗中通過索氏萃取法利用交聯(lián)聚乙烯的這一特性進行交聯(lián)度的測定。具體的實驗步驟為，第一，制備不易被溶劑腐蝕的不銹鋼網(wǎng)袋并稱取質(zhì)量M1；第二，稱取質(zhì)量為0.2g 左右的試樣放于步驟一中的網(wǎng)袋中，稱取總質(zhì)量為M2；第三，將上述網(wǎng)袋置于裝有二甲苯和環(huán)己烷溶液的燒瓶中，完全浸沒，燒瓶于150℃油浴中加熱12h；第四，取出網(wǎng)袋，用無水乙醇清洗，并將網(wǎng)袋置于真空烘箱中烘干，稱取質(zhì)量M3；第五，根據(jù)公式（1）計算得出交聯(lián)聚乙烯試樣的交聯(lián)度C。為了保證實驗結(jié)果的可靠性，每種試樣各取三片進行重復實驗，最后求取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 介電性能

試樣A～D 的介電常數(shù)和介電損耗值見表1。

表1 不同試樣的介電常數(shù)和介電損耗值Table 1 Dielectric constant and dielectric loss of different samples

根據(jù)國標要求，用于電纜的絕緣材料的介電常數(shù)值必須要≤2.3，而介電損耗的數(shù)值必須要≤5×10-4。由表1 中的數(shù)據(jù)可以明顯看出，試樣A～D 的介電常數(shù)和介電損耗數(shù)值都達到了國標的要求，但是從介電常數(shù)看，國產(chǎn)的交聯(lián)聚乙烯絕緣料制備的試樣B～D 的介電常數(shù)均為2.3，而進口交聯(lián)聚乙烯絕緣料制備的試樣A 的介電常數(shù)值為2.25，雖然差別不大，但是進口交聯(lián)聚乙烯絕緣料的介電常數(shù)稍微較小；從介電損耗來看，國產(chǎn)的交聯(lián)聚乙烯絕緣料制備的試樣B～D 的介電損耗雖然都符合國標的要求，但是其數(shù)值明顯要高于進口交聯(lián)聚乙烯絕緣料制備的試樣A。說明，國產(chǎn)的交聯(lián)聚乙烯絕緣料內(nèi)部雜質(zhì)含量可能相對較高，在生產(chǎn)過程中需要進一步提高純度。

2.2 DSC 測試

對試樣A～D 進行DCS 測試后，得到試樣的DSC 結(jié)晶曲線（圖1）和熔融曲線（圖2），以及表2 所示試樣A～D 的結(jié)晶參數(shù)。

圖1 試樣A～D 的結(jié)晶曲線Fig. 1 Crystallization curve of sample A～D

圖2 試樣A～D 的熔融曲線Fig. 2 Melting curves of sample A～D

表2 試樣A～D 的結(jié)晶參數(shù)Table 2 The crystallization parameters of sample A～sample D

由圖1、圖2 以及表2 中的數(shù)據(jù)可知，四種試樣的熔融溫度基本相同，約為107℃，且四種試樣的宏觀結(jié)晶度相差也不明顯，基本都在35% 以上。而試樣D 的結(jié)晶度最低，且初始熔融溫度也最低，說明相對于其他3個試樣來說，試樣D 的結(jié)晶不完善。另外試樣D 的熔程也較長，說明試樣D 中可能存在較多的交聯(lián)副產(chǎn)物。試樣A 結(jié)晶度最大以及熔程最短，說明其結(jié)晶較為完善。總得來說，進口的交聯(lián)聚乙烯絕緣料制備的試樣的結(jié)晶相對于國產(chǎn)的交聯(lián)聚乙烯絕緣料制備的試樣而言結(jié)晶度更為完善，在這一方面，國產(chǎn)聚乙烯絕緣料仍具有較大的優(yōu)化空間。

2.3 交聯(lián)度測試結(jié)果與分析

在對四種試樣進行索氏萃取實驗后，所得到的測試結(jié)果見表3。

表3 四種試樣的交聯(lián)度(%)Table 3 Crosslinking degree of four samples

由表3 中的數(shù)據(jù)可以看出，試樣D 的交聯(lián)度約為86.33%，而試樣A～C 的交聯(lián)程度較小，其中試樣A 的交聯(lián)度最小。一方面交聯(lián)度越大越容易導致分子在交聯(lián)點位置發(fā)生氧化反應導致分子鏈斷裂，另一方面，交聯(lián)度越大說明交聯(lián)副產(chǎn)物可能越多。綜合來說，交聯(lián)度越大材料性能反而越差。

從上述各項性能的測試結(jié)果來看，進口的和國產(chǎn)的交聯(lián)聚乙烯絕緣料相差并不大，但是試樣A 即進口交聯(lián)聚乙烯絕緣料制備的電纜的綜合性能優(yōu)于國產(chǎn)的三種交聯(lián)聚乙烯絕緣料制備的電纜，國產(chǎn)的絕緣料仍舊存在不足，各方面性能還有待提高。

3 結(jié)語

絕緣材料的介電性能、結(jié)晶性能等各項性能對于電纜輸送功率和輸送電壓的等級有直接的影響，幾乎對于電纜的優(yōu)劣有著決定性的作用。交聯(lián)聚乙烯絕緣料是目前在電纜中應用性能較好、使用最多的材料，對其物理化學性質(zhì)的性能評估和研究對于電纜整體性能提升有重要意義。本文分析了進口和國產(chǎn)交聯(lián)聚乙烯絕緣料的性能差異，對于國產(chǎn)交聯(lián)聚乙烯絕緣料的進一步改善和研究有參考意義，對于未來的研究方向有一定的指導作用。