聚丙烯基直流電纜絕緣材料的研究進展

宋佳寧，杜 斌，張振莉，高崗崗，荔栓紅，祝文親，曹文斌，陳商濤*

（1.中國石油天然氣股份有限公司石油化工研究院，北京 102206；2.北京科技大學材料科學與工程學院，北京 100083；3.中國石油慶陽石化公司，甘肅 慶陽 745100）

0 前言

自國家推行“雙碳”政策以來，構建新能源占比逐漸提高的新型電力系統成為重大方向。傳統的交流輸電系統輸送容量小、同步運行穩定性低，不能有效滿足新能源的電力需求。而直流輸電系統容量大、輸送距離長、安全性較高，在光伏等新能源輸電、海上風力發電、城市地下輸電以及多個電力系統網絡互聯等方面具有廣闊的發展前景［1?2］。

電纜是直流輸電的重要電力設備之一，主要分為油紙絕緣電纜和擠包絕緣電纜2種［3］，但由于油紙絕緣電纜存在的生產工序繁雜、運行和維護成本高等問題，其在中高壓輸電領域很大程度上已經被擠包絕緣電纜所取代。擠包絕緣電纜材料的發展階段包括天然橡膠、聚氯乙烯、合成橡膠、聚乙烯和交聯聚乙烯（PE?XL）等，目前在直流電纜中應用最廣泛的仍是PE?XL絕緣。PE?XL通常由低密度聚乙烯分子（PE?LD）交聯而得，其不但保留了PE?LD高絕緣電阻和低介質損耗的優點，還增強了耐熱等級和物理力學性能，將PE?XL用作直流電纜時的正常（長期）工作溫度可達70℃。但是作為1種熱固性塑料，PE?XL不但交聯工藝繁雜、生產能耗大、效率低，而且使用壽命結束后難以回收再利用，使用一般的焚燒、掩埋等處理手段會造成極大的資源浪費和環境污染。最重要的是，PE?XL絕緣電纜的熱穩定性不夠理想，高故障率、高能源消耗使得直流電纜功率容量的進一步提高受到了限制，目前的PE?XL電纜并不能滿足人們對電能的大規模和遠距離輸送的進一步要求。因此，研究和開發更高電壓、更大容量、熱穩定性更高的環保型擠包絕緣直流電纜具有重要意義。

近年來，PP因其絕緣性能好、耐溫等級高、可回收循環利用等優點而備受關注。Kurahashi等［4］將有規立構間規聚丙烯（s?PP）應用于實際電力電纜絕緣，制造出了電氣擊穿性能和介電性能幾乎可以滿足電力電纜在實際使用中的絕緣所要求性能的600 V和22 kV電纜，且其脆化溫度和耐熱性高于PE?XL電纜，證明了PP用于電纜絕緣的可行性。國外PP電纜絕緣材料已經形成批量化應用規模，意大利普睿司曼自2003年開始，利用P?Laser技術開發了中壓PP絕緣電纜，并在多個工程中應用，總長度超過5萬公里，2013年安裝運行了150 kV PP絕緣交流電纜，并先后于2015年和2016年完成了320 V和525 V PP絕緣高壓直流電纜的試制。目前，電纜用PP絕緣材料專利與技術基本被普睿司曼、北歐化工、日本三菱等國外企業壟斷。而國內PP直流電纜的研究才剛剛起步，運行經驗寥寥無幾。上海交通大學江平開教授團隊和華普電纜合作研發的首條8.7/10 kV改性PP絕緣A類阻燃性電力電纜于2020年1月在上海電力公司市南110 kV豐谷站10 kV送出工程項目上成功掛網運行，1年后報告該線路運行一切正常、電纜產品運行狀況良好［5］。2021年12月29日，寧波球冠電纜股份有限公司的10 kV PP絕緣電纜在東方電纜的未來工廠（高濕、高鹽霧環境）掛網通電［6］。

PP和PE?XL的性能比較如表1所示［7］。相較于PE?XL，PP力學強度較高，無需進行交聯處理，因而生產工藝簡單、生產成本較低、能源損耗較小，同時保持了PP本身的熱塑性特性，可循環回收再利用。其次，PP熔點高，長期允許工作溫度達100～120℃之間，將其用作絕緣材料時電纜的長期運行溫度可提高至90℃甚至105℃［7］。另外，PP作為非極性聚合物，在擊穿場強、體積電阻率等絕緣性能方面表現優良，其在提高直流電纜載流量的同時可有效增大工作電壓并降低輸電損耗。綜上所述，PP有望成為下一代直流電纜絕緣材料。

表1 PP和PE?XL性能比較［7］Tab.1 Performance comparison of PP and PE?XL［7］

然而PP本身存在一些問題：（1）剛性較高、低溫韌性較低等缺點使其無法滿足直流電纜力學性能的基本要求；（2）耐老化性能差，PP長鏈上分布著大量不穩定的叔碳原子，它們對氧特別敏感，極易被氧化為非常活躍的叔碳自由基，繼而導致PP分子鏈上發生鏈增長、鏈斷裂等致使PP老化的現象；（3）直流電纜運行過程中，絕緣材料受到同一極性電場的長時間作用會發生空間電荷積聚并導致產生局部高電場；（4）PP導熱性能較差，絕緣層內外側存在的溫度梯度會引起電場畸變，容易誘發絕緣層局部放電和電樹枝放電，加速電纜絕緣老化，甚至導致絕緣擊穿，發生運行事故。因此綜合改善PP絕緣材料的力學性能、導熱性能和介電性能（主要是抑制空間電荷的積聚）對延長電纜使用壽命、提高電纜的運行電壓和工作溫度具有重大現實意義。本文從分析PP用作直流電纜絕緣材料時存在的問題出發，綜述了PP的改性方法（共聚改性、納米粒子改性、共混改性和接枝改性），并對PP基絕緣材料在直流電纜領域的發展提出了展望。

1 直流電纜絕緣要求及PP存在的問題

1.1 力學性能

為滿足直流電纜的運輸、安裝敷設以及運行使用的基本要求，絕緣材料必須具備一定的力學強度，包括良好的柔軟性、斷裂伸長率和低溫耐沖擊性能。然而PP材料屬于高結晶度聚合物，其在工作溫度范圍內呈現出剛性大的特性，同時在低溫環境中也表現出脆性大、易開裂的特點，無法滿足上述條件，因此必須對其進行增韌改性研究。

1.2 耐老化性能

直流電纜絕緣經長期使用過程中高場強和熱循環的同時作用后不可避免地會逐漸老化，導致絕緣材料的力學性能、絕緣性能、擊穿場強降低，從而影響電纜的可靠性和使用壽命。電纜絕緣的老化包括機械老化、電老化、熱老化、化學老化等，其中引起最多關注的是電老化和熱老化。電老化主要由局部放電和電樹枝引起，而朱樂為等［8］發現相較于PE?XL，PP中更不易引發電樹枝且電樹枝更不易在PP中生長，但是極性反轉時空間電荷聚集造成的電場畸變將加劇電樹枝的生長，該部分將在后續絕緣性能方面展開詳細討論，在此不再多加贅述。熱老化是由于PP材料的長鏈上分布著大量不穩定的叔碳原子，在高溫下易產生活躍的叔碳自由基，而絕緣層附近又可能存在有一定量的溶解氧和滲透氧，叔碳自由基在氧的作用下極易引起PP材料的鏈增長、鏈斷裂等老化現象。雖然通過添加抗氧化劑可以阻止或延緩自由基的產生、破壞自由基連鎖反應中的鏈傳遞與鏈增長反應，在一定程度上提高PP的耐熱氧老化性能，但是鑒于抗氧化劑與PP的相容性較差、易遷移析出，并且其本身作為雜質也會影響PP的絕緣性能等［9］，因此僅通過添加抗氧化劑來改善PP的耐老化性能已經無法滿足直流電纜絕緣的壽命和可靠性要求，有必要對PP進行更進一步的改性研究。

1.3 絕緣性能

空間電荷作為評價高壓直流電纜質量和使用壽命的因素之一，對電纜的局部電場分布、介電強度和絕緣材料的老化有很大的影響，直流電纜絕緣材料的介電性能需要盡量抑制空間電荷的積聚，減少同極性空間電荷的注入和異極性空間電荷產生，阻礙其對絕緣材料內部及界面造成電場畸變，從而保證擊穿強度和電纜壽命不受影響［10］。

直流電纜長時間處于同種極性的電場時，電介質界面處注入電極材料中的電子、離子以及雜質電離產生的載流子等都會成為絕緣材料中的空間電荷，它們在產生后會迅速遷移并聚集形成的電荷包，即空間電荷的積聚。其中，由雜質電離形成的為異極性電荷，其積聚會產生同電纜電場方向的感應電場，使電極?絕緣介質界面附近的電場升高、介質內部電場降低。界面處的電場畸變易使介質表層劣化［11］。另外，若電纜突發斷電或電壓極性反轉，由于積聚電荷無法及時遷移，此時介質內部電場疊加增強，絕緣極易被擊穿破壞，這嚴重限制了電纜的使用壽命［12］。相反，從電極注入的同極性電荷的積聚會產生異于外加電場方向的感應電場，界面電場降低、介質內部電場升高。介質中最高場強甚至會達到外加電場的8倍，這種高局部電場會引發局部放電和電樹枝放電，造成分子鏈化學鍵斷裂并形成自由基，引發鏈式反應加速絕緣老化、降低介電強度，甚至導致電纜擊穿，引發事故。因此，PP應用于與直流電纜時必須對其進行改性，并盡可能抑制電荷的產生與積聚。

1.4 導熱性能

由于PP的導熱性能較差，直流電纜運行時產生的熱量不能及時散播，使得絕緣層內外側存在溫度差，即絕緣層產生了內高外低的不均勻溫度場。聚合物材料的電導率隨溫度升高而增大，絕緣層低溫外測電導率低，異極性電荷更易積聚于此，電場強度隨之降低。另外，溫度梯度的存在也會引起大量空間電荷的注入與遷移，進一步加大了絕緣層電場的畸變［13］。溫度梯度越大，空間電荷積累增多，電場畸變愈嚴重［14］。根據之前的討論，高溫、空間電荷積累和電場畸變會影響直流電纜的正常運行和使用壽命。因此有必要改善PP的導熱性能，以保障直流電纜的運行安全并延長使用壽命。

2 PP基直流電纜絕緣材料改性

基于以上PP基直流電纜絕緣材料存在的基本問題，學者們對其進行了諸多改性研究，本文綜述了其中的共聚改性、納米粒子改性、共混改性和接枝改性4種方法。

2.1 共聚改性

PP的共聚改性指在丙烯單體的聚合階段加入1種或多種其他單體（乙烯、丁烯等烯烴），并利用高效催化劑使之共同聚合形成共聚物的方法。與均聚聚丙烯（i?PP）相比，PP共聚物可有效提高力學性能（尤其是沖擊性能）、電性能和加工性能，從而提高可靠性。Zha等［15］在PP分子鏈上加入乙烯基，通過控制乙烯的比例和聚合反應條件合成了嵌段聚丙烯（b?PP）和無規聚丙烯（r?PP）。分析i?PP、b?PP、r?PP的應力?應變曲線（圖1）后發現b?PP和r?PP的斷裂伸長率遠大于i?PP，說明加入乙烯單體可以大大提高PP的韌性。另外，比較三者的空間電荷分布，如圖2（a）～（c）所示，b?PP和r?PP的空間電荷相較于i?PP有所減少。用熱電激發電流（TSC）曲線峰值的陷阱能級來解釋絕緣材料的空間電荷特性［圖2（d）］，b?PP和r?PP新的電流峰值在更高的溫度下開始出現，表明b?PP和r?PP中深陷阱數量增加。而深陷阱有利于捕獲空間電荷，使它們被約束在試樣表面，隨之產生的電場有效地阻礙了載流子的向內注入，成功抑制了空間電荷的積累。

圖1 單軸拉伸應力?應變曲線［15］Fig.1 Uniaxially tensile stress?strain curve［15］

圖2 PP在60 kV/mm直流電場下室溫45 min后的空間電荷分布及TSC曲線［15］Fig.2 Space charge distribution of PP under direct current electric field of 60kV/mm at room temperature for 45mins and its TSC curve［15］

Meng等［16］綜合研究了2種不同重均分子量的PP共聚物——聚丙烯嵌段共聚物（PPB）和聚丙烯無規共聚物（PPR）的形態、熱學、力學和電學性能。結果表明，PPB和PPR均具有良好的熱性能，熔融溫度高。但PPB力學性能較差，斷裂伸長率低，直流擊穿強度低，不適合作為絕緣材料。而PPR具有較高的斷裂伸長率和擊穿強度，且其空間電荷行為優于PPB和PE?XL，PPR更適用于可回收直流電纜絕緣應用。Huang等的研究也證明了這一點［17］。

于凡等［18］研究了乙烯含量對PP共聚物力學性能和介電性能的影響。結果表明，乙烯單體的引入可增加PP共聚物的韌性和沖擊強度。且乙烯含量較低時，材料的直流擊穿場強可保持在較高水平，體積電阻率顯著提高；但當乙烯含量過高（≥5.9%，質量分數，下同）會導致材料的直流擊穿強度和體積電阻率迅速下降，介電損耗有所增大。

綜上，在PP中共聚其他單體可有效改善PP的力學性能、介電性能以及絕緣性能，但是當共聚單體的含量相對較多時反而會造成劣化的影響，因此有必要控制PP共聚物中其他單體的含量。但是共聚改性難以克服的缺點就在于難以精確控制共聚單體的含量、相對分子質量及其分布、化學結構等，仍需要學者們進行深層次的探索。另外，對PP的共聚改性多用于商業生產，僅適合規模化制備，無法滿足較小批量、繁多品種產品的市場需求。

2.2 納米粒子改性

在絕緣材料中添加納米無機顆粒可有效改性其絕緣性能和耐熱性能。馬超等［19］制備的PP/Al2O3試樣在增加了PP深陷阱能級和密度的同時，還降低了淺陷阱能級和密度，有效地阻礙了空間電荷的積聚，隨之電場畸變減弱、直流擊穿場強提高。摻雜量為0.5%的Al2O3/PP復合試樣的直流擊穿場強比純PP提高了約27%。Yao等［20］也將Al2O3納米粒子引入PP中以改善PP的介電性能，尤其是直流電場下的空間電荷行為。結果表明，PP/Al2O3納米復合材料大大提高了PP的直流擊穿強度和空間電荷積累等性能，且還保持了PP優異的熱性能和較高的允許工作溫度，并給出了改善PP電學性能的最佳Al2O3含量約為3份。

然而一般情況下，無機納米粒子和有機PP是不相容的，它們很難在PP內散開并均勻分布，因此有必要對無機納米粒子進行改性，改善其在PP中的分散性能，使之能夠有效而充分地發揮其界面效應。Hu等［21］使用4種具有不同烷基鏈基團（甲基、丙基、辛基和十八烷基）的硅烷偶聯劑提前對MgO納米粒子進行表面改性，并將其與PP混合制備PP/MgO納米復合材料，研究了表面改性納米粒子對復合材料電性能的影響。表面改性的納米粒子引入了大量的深陷阱，且其數量隨著烷基鏈長度的增加而增加，類似的趨勢也出現在直流體積電阻率上。結果顯示，所有改性材料都顯示出優異的空間電荷抑制能力和直流擊穿強度，其中辛基改性MgO制備的納米復合材料表現出最好的電學性能。Gao等［22］通過將新合成的電壓穩定劑官能化SiO2納米粒子摻入等規聚丙烯（iPP）中，成功制備了可承受高壓直流電應力的可回收電纜絕緣材料，穩壓功能化SiO2納米粒子的引入顯著提高了擊穿強度，有效抑制了空間電荷積聚，且大大提高了iPP的熱穩定性。Zhou團隊［23］將不同含量的表面改性MgO、TiO2、ZnO和Al2O3納米粒子與PP熔融共混，研究不同納米粒子對調節PP電性能的影響，發現所有納米粒子和PP的納米復合材料的介電常數均隨著納米粒子含量的增加而增大，其中MgO/PP和TiO2/PP納米復合材料的體積電阻率隨相應納米粒子含量的增加呈現先增后減的趨勢，空間電荷抑制程度和直流電擊穿強度也有同樣的表現。相較于ZnO和Al2O3納米粒子，MgO和TiO2更能改變PP的電性能，更有可能作為高壓直流電纜絕緣材料而得到廣泛應用。

通過添加納米填料，可以在一定程度上改善PP材料的導熱性能。Ebadi?Dehaghani等［24］利用雙螺旋擠出機熔融制備了納米填料（ZnO、CaCO3）分散良好的PP納米復合材料，使用熱導分析儀研究熱導率（圖3），發現基于增強的填料?基體相互作用，即使在含量較低的納米填料負載下復合材料的導熱性也有所提高。對比納米粒子含量相同的PP/ZnO和PP/CaCO3納米復合材料，前者的熱導率增加更多，因此與CaCO3相比，本征熱導率更高的ZnO在提高PP的熱導率方面具有更大的內在潛力。Cheewawuttipong等［25］也通過添加氮化硼（BN）納米填料來提高PP的導熱性，隨著BN含量的增加，PP/BN納米復合材料的熱導率增大，且大粒徑的BN構建的導熱通路更完善、熱導率增加得更快。

圖3 納米粒子含量對PP熱導率的影響［24］Fig.3 Effect of nano particle content on thermal conductivity of PP［24］

基于納米粒子與基體間的界面效應，納米填料的添加還可改善PP材料的絕緣性能。Li等［26］通過煅燒工藝將納米TiO2封裝到氮化硼納米片（BNNS）制備了核殼結構的TiO2@BNNS納米填料，填入PP后得到的PP/TiO2@BNNS復合材料具有較低的溫度相關電導率和較高的直流擊穿強度（90℃時高出PP 22.2%）。TiO2@BNNS納米填料形成了許多電荷載流子的勢阱，抑制了熱電子傳輸及其對聚合物分子的破壞，使得PP/TiO2@BNNS復合材料的平均空間電荷密度和電場畸變率也分別降低了6.6 C/m3和23.3%，這也為提高PP電纜絕緣層的介電性能提供了1種行之有效方法。

以上，通過納米粒子改性PP是制備PP基直流電纜的1種行之有效、前景光明的手段，但是就目前的研究來看，將產品應用于實際生活時納米粒子的分散性仍是最亟需解決的問題。雖然通過硅烷偶聯劑等表面改性納米粒子可以使其在PP基體中均勻分散，但該過程在大規模的生產實際中卻很難做到和實驗室中一樣的效果，不僅增加了生產工序、生產成本，還可能產生產品品控等諸多負面影響。

2.3 共混改性

為了解決PP作為電纜絕緣使用時存在的高剛性和低溫脆性等缺點，將PP與彈性體聚合物共混，可在保證耐熱性的同時顯著降低PP的模量和剛性。目前研究較多的彈性體添加劑有乙丙橡膠（EPR）、三元乙丙橡膠（EPDM）、聚烯烴彈性體（POE）、氫化苯乙烯?丁二烯嵌段共聚物（SEBS）等。Yang等［27］將 PP 與POE彈性體共混后進行缺口沖擊試驗，發現隨著POE含量的增加，PP/POE共混物發生明顯的脆韌轉變，由于POE本身優異的韌性，將其均勻分散在PP晶相間可以顯著增大PP的低溫脆性與耐沖擊性能。栗松［28］將PP分別與POE、SEBS彈性體熔融共混制得彈性體/PP復合材料，通過觀察該復合材料的微觀形貌發現這2種彈性體都在PP基體中均勻分布并且形成了1種獨特的“海島結構”（見圖4），當受到外部機械力作用時，彈性體所在區域會產生較大的銀紋和剪切應變帶來吸收機械力沖擊所產生的能量，有效抵消部分外力的作用。因此，該結構不僅使得PP原本具有的高力學強度被成功保留，還使得PP的硬度明顯降低、韌性和柔順性有所增加。Zhang等［29］為增強iPP的力學韌性，將25%的EPDM、POE和SEBS彈性體分別加到iPP基體中，通過低溫脆性測試系統和脈沖電聲測量系統對iPP復合材料的力學性能和空間電荷特性進行分析，發現iPP/彈性體復合材料的低溫脆性得到顯著改善，脆性斷裂溫度從純iPP的-8℃分別下降到-66、-32、-22℃。iPP/EPDM對拉伸性能和低溫脆性的改善最大，iPP/POE復合材料的室溫柔韌性最好。

圖4 不同密度PP/彈性體復合材料的掃描電子顯微鏡照片［28］Fig.4 SEM images of PP/elastomer composites with different density［28］

除了PP和彈性體的二元共混物，還有學者研究了三元共混物。Hong等［30］通過熔融共混iPP、乙烯?1?辛烯聚烯烴彈性體和乙烯?丙烯無規共聚物，制備了柔軟且具有高溫穩定性的PP三元共混物。與原始iPP相比，這些共混物在低溫（40℃）和室溫下表現出更高的抗沖擊性。即使溫度升高至約120℃，該共混物仍然具有一定的機械穩定性，此外，軟三元共混物表現出增加的直流體積電阻率和擊穿強度。Ouyang等［31］將SEBS添加到PP和PE?LD的共混物中研究其熱力學性能和電性能。該三元共混物在70℃和30 kV/mm下顯示出非常低的直流電電導率（低至3.4×10-15S/m），遠低于純PE?LD的測量值。Yu等［32］通過引入乙烯?丙烯無規共聚物（rPP）作為表面活性劑，開發了1種能夠混合將PP與橡膠狀乙烯?1?辛烯共聚物（EOC）的絕緣系統。以PP為基體材料，與EOC和rPP熔融共混得到了具有核殼納米結構的共混物。與現有的PE?XL相比，納米結構的PP三元共混物在熱穩定性、力學性能、介電性能和長期穩定性方面表現出多種優勢，其具有的核殼結構等可通過阻礙空間電荷的積累增強PP共混物的絕緣性能，即使在110℃下加熱500 h以上其力學和電氣性能仍能保持穩定。

但將彈性體應用于改性PP時，共混材料的空間電荷積聚量增多，必須對其進行進一步的介電補償，常用方法為添加納米粒子或接枝極性基團等。高銘澤［33］引入納米SiO2粒子作為介電性能的改善填料，制備出了力學性能、介電性能優良的PP?SBES?SiO2電纜絕緣材料。通過納米SiO2粒子對PP/SEBS共混材料介電性能的調控，使改性PP在使用溫度范圍具備增強的空間電荷抑制能力。Diao等［34］制備由iPP/POE共混物和SiO2納米顆粒組成的納米復合材料，所有經聚二甲基硅氧烷（PDMS）、辛基甲基硅氧烷（OMS）和二甲基二氯硅烷（MCLS）功能化的SiO2納米粒子在iPP/POE共混物中均表現出良好的分散性，而非功能化的SiO2則表現出較差的分散性。SiO2納米粒子的表面化學對iPP/POE納米復合材料的形貌、超分子結構、熱學、力學和電學性能有顯著影響。功能化的SiO2納米顆粒顯著抑制了iPP/POE中的空間電荷注入，并且抑制效果在SiO2?PDMS納米復合材料中最為明顯，可能是因為良好分散的SiO2?PDMS納米顆粒引入了更深的陷阱。Yao等［35］制備的PP、熱塑性烯烴（TPO）和MgO納米粒子的三元納米復合材料在90°C高溫下的電學性能明顯優于之前的高壓直流電纜絕緣材料。通過利用PP的高熱穩定性、TPO的高熔融溫度和力學柔韌性以及MgO納米顆粒的空間電荷抑制，實現了熱性能、力學性能和電性能的預期協同調節，該三元納米復合材料即使在90℃的高溫下的電性能相對于PP/TPO二元共混物顯著提高了16%，電阻率提高了4.6倍。因此，PP/TPO/MgO三元納米復合材料顯示出作為具有更高工作溫度和更大功率傳輸容量的可回收直流電纜絕緣材料的潛力。

通過混合PP和其他組分的共混改性工藝簡單、可行性高，可在一定程度上改善PP的剛性、介電性能和絕緣性能等，但其耐低溫性和耐老化性能仍不夠理想。另外，共混改性PP要特別注意共混組分之間的相容性和制備工藝的穩定性，否則容易產生各相分離等缺陷導致PP內部結構不均，引起PP性能不穩定甚至劣化。

2.4 接枝改性

接枝改性是在非極性的PP分子主鏈上引入極性的、帶有不同官能團的支鏈或分子的1種手段（如圖5所示），這些支鏈和分子可以通過改變PP的超分子結構、電荷傳輸以及熱老化性能等來提高PP基電纜絕緣的介電強度、抑制空間電荷的積聚，從而提高電纜的絕緣性能。

圖5 接枝側鏈示意圖［9］Fig.5 Schematic diagram of grafting side chains［9］

Zha等［36］采用熔融接枝法將具有羰基極性官能團的馬來酸酐（MAH）接枝到PP分子主鏈上，對比接枝產物PP?g?MAH和純PP在65 kV/mm電場下的空間電荷分布，發現1%MAH的接枝可以略微減少來自陰極和陽極的空間電荷注入，并隨著隨時間緩慢增加也看不到空間點荷包，而PP?g?2%MAH中幾乎觀察不到空間電荷注入。此外，與純PP相比，PP?g?MAH的體積電阻率隨溫度升高的穩定性顯示出增強的改善，介電常數沒有大幅度增加、介電損耗仍較低。樊林禛等［9］選取苯乙烯（St）和甲基丙烯酸甲酯（MMA）為接枝基團制備了不同含量的接枝改性PP試樣PP?St和PP?MMA。相較于純PP，PP?St和PP?MMA具有更高的力學性能和擊穿性能，耐老化性能顯著提升，而且隨著接枝基團含量的增加，接枝PP的耐老化性能單調提升。Yuan等［37］將PP和抗氧化劑基團受阻酚（HP）交聯，接枝的HP一方面可作為自由基清除劑提供氫以中和自由基并終止降解循環，另一方面也可以作為交聯劑參與交聯反應形成3D網絡結構，從而限制合成的PP?HP共聚物中的熱分解自由基和電荷傳輸。PP?HP的溫度上限擴展至190℃，在該溫度下加熱后的共聚物表現出比未經任何熱處理的PP更好的介電性能。

接枝改性克服了共聚/共混改性中存在的組分難相容的缺點，并避免了納米粒子改性中極易發生的納米粒子團聚問題，對PP力學性能、介電性能、絕緣性能和耐老化性能的提升更加綜合且穩定。但是其也存在著環境污染嚴重、后處理工序復雜、工業化生產困難等缺點，未來仍需科研人員們繼續研究改良。

3 結語

隨著對直流電纜輸電需求的不斷增加，擠包絕緣直流電纜在未來電網中應發揮更加重要的作用。考慮到熱塑性PP基材料的優勢，可回收的PP基絕緣材料在未來的直流電纜絕緣材料中具有廣闊的潛力。然而PP存在的剛性大、低溫脆性大、導熱能力低的不足使其無法滿足直流電纜絕緣所需的力學、絕緣和導熱性能的基本的要求，因此必須對其進行改性才能在實際中有所應用，常用的改性方法有共聚改性、納米改性、共混改性和接枝改性，這些方法可在不同程度上提高PP的1項或多項性能，如抑制空間電荷的注入與積聚、提高擊穿場強和/或提高熱導率，以及增大拉伸強度、斷裂伸長率等。

目前關于PP基直流電纜絕緣材料的實驗性國內外的研究都很多，但其中的大多數仍無法滿足實際應用的需求，仍存在一些急需解決的關鍵科學問題，未來仍需要繼續開展PP基直流電纜絕緣的自主研發和性能提升研究：（1）空間電荷的產生、傳輸、積累和耗散特性對直流電纜的電氣性能起著至關重要的作用。雖然目前各種改性方法都被大量實驗證實能夠抑制空間電荷的注入和/或遷移，但鑒于聚合物絕緣材料結構的復雜，關于空間電荷的相關機理仍未形成統一的認知，空間電荷的檢測手段也有待于繼續提高。因此應進一步系統性地研究可回收PP基直流電纜絕緣材料的空間電荷行為。（2）PP基直流電纜絕緣材料在極端運行條件下的整體性能需要研究，包括力學柔韌性、高溫完整性、低溫度電阻率等，特別是對于更高的直流電壓水平和更高的工作溫度，增強的電性能和絕緣性能需要進一步研究，并綜合評估PP基絕緣材料的性能和壽命，以輔助PP基直流電纜的設計和制造。