聚丙烯/聚烯烴彈性體復合材料空間電荷和電導特性

摘要：針對聚丙烯（PP）經彈性體增韌后力學和電學性能發生變化，引入彈性體導致材料電學性能下降的問題，采用共混法在PP基體中添加不同質量分數的聚烯烴彈性體（POE）。結合復合材料力學及絕緣性能研究，提出力-電綜合性能最優的POE配比，又進一步結合復合材料微觀形貌、熱轉變特征及絕緣性能，分析高溫下PP/POE復合材料的空間電荷積聚和電荷輸運特性。研究發現，隨著POE含量的增加，PP/POE復合材料的彈性模量降低，直流擊穿場強隨POE含量的增加下降，高電場下 w POE為40%復合材料的電導率是所有復合材料中最低的，約為PP電導率的3倍，其他復合材料電導率比PP大一個數量級，20℃下， w POE分別為50%、60%復合材料的異極性電荷積累量較大。高溫下，PP和 w POE為40%復合材料直流擊穿場強隨溫度升高下降，PP空間電荷性能較穩定， w POE為40%復合材料空間電荷積聚量隨溫度升高增加，尤其在60℃以上，內部空間電荷量劇增。研究揭示了PP/POE復合材料在高溫下的空間電荷積聚和電導劇增，這是限制其絕緣性能的關鍵問題。

關鍵詞：聚丙烯/聚烯烴彈性體復合材料；空間電荷；電導；擊穿場強

中圖分類號：TM215 文獻標志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202504006 文章編號：0253-987X（2025）04-0060-10

Space Charge and Conductance Characteristics of Polypropylene/Polyolefin Elastomer Composites

CAO Dan1， LIANG Qilu1， ZHAN Yunpeng2， HOU Shuai2， LIAO Yanqun3， CAO Anying3， HE Wei3， WU Kai1， L "Zepeng1

（1. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China;

2. Electric Power Research Institute， China Southern Power Grid， Guangzhou 510080， China; 3. Zhuhai Power Supply Bureau，

Guangdong Power Grid Corporation， Zhuhai， Guangdong 519075， China）

Abstract：In response to the changes in mechanical and electrical properties of polypropylene （PP） after toughening with an elastomer， which leads to a decrease in material’s electrical performance due to the introduction of the elastomer， a blend method is employed to add different mass fractions of polyolefin elastomer （POE） into the PP matrix. Firstly， considering research on mechanical and insulation properties of composite materials， the optimal POE ratio for the best overall mechanical-electrical performance is proposed. Furthermore， the space charge accumulation and charge transport characteristics of PP/POE composites at high temperature are analyzed based on the microstructure， thermal transition characteristics and insulation properties of the composites. The research shows that with an increase in POE content， the elastic modulus of PP/POE composites decrease， and the direct current breakdown strength decreases with increasing POE content. Under high electric fields， the electrical conductivity of the composite with "w POE=40%" is the lowest among all composites， approximately three times that of PP conductivity. Other composites exhibit electrical conductivities one order of magnitude higher than PP. At 20℃， composites with "w POE=50%， 60%" respectively show significant anisotropic charge accumulation. At high temperatures， the DC breakdown strength of PP and the composite with "w POE=40%" decreases with increasing temperature. The spatial charge performance of PP is relatively stable， while the spatial charge accumulation in the composite with "w POE=40%" increases with temperature， especially above 60℃， leading to a significant increase in internal space charge. This research reveals that the accumulation of space charge and the dramatic increase in electrical conductivity of PP/POE composites at high temperatures are key issues limiting their insulation performance.

Keywords：polypropylene/polyolefin elastomer composites; space charge; conduction; breakdown strength

高壓直流（HVDC）電纜因其成本低、容量大、易于控制等優點，具有很大的發展潛力^［1］。直流電纜是直流輸電最重要的組成部分，其研究和制造一直是研究的熱點^［2］，高壓直流電纜中應用最廣泛的絕緣材料是交聯聚乙烯。但是，交聯聚乙烯作為熱固性材料，使用期后不能回收利用，交聯過程產生的交聯副產物也可能造成安全隱患。因此，開發符合綠色環保理念的電力電纜，具有極大的發展前景^［3-5］。

聚丙烯（PP）作為熱塑性材料，具有優異的電絕緣性能和較高的機械強度，并且可以回收利用^［6-7］，PP由于良好的耐熱性能，其長期工作溫度可達120℃，對于提高電力電纜工作溫度和工作電壓具有重要的研究意義^［8-10］。但是，PP材料韌性差、硬度高，在電纜加工、安裝以及使用過程中容易開裂，對于電力系統電纜絕緣具有很大的安全隱患^［11-12］，所以對聚丙烯材料增韌改性成為電纜絕緣材料應用方面研究的重點。

PP材料主要依靠化學改性和物理改性增韌，化學改性主要是在丙烯聚合過程中，引入嵌段共聚、接枝、交聯等共聚單體。物理改性主要是將聚丙烯和彈性體等進行填充、共混改性等^［13-16］，通過選擇共混物的類型、結構以及多相填充等有效改善PP的力學性能^［17-18］。高猛^［19］研究了不同制備方法以及三元乙丙橡膠（EPDM）含量對PP/EPDM共混物性能的影響，發現利用塑煉共混和模壓成型制備的共混物材料性能較好，EPDM質量分數為40%時材料的力學性能最優。Hosier等^［20-21］選擇聚乙烯PE02、PE12、PE40和聚丁烯PB12提高PP的韌性，發現除PE40外，共混材料的模量均達到109Pa。Yan等^［22］研究了分別添加40%質量分數的聚烯烴彈性體（POE）和40%質量分數的氫化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物（SEBS）的PP共混物，發現iPP/SEBS的抗拉強度和斷裂伸長率分別比PP提高了48.5%、273.4%。Green等^［23］研究了等規聚丙烯和彈性體共混物的交流擊穿強度，發現彈性體含量、彈性體中的乙烯含量以及共混物的冷卻條件都會影響擊穿電壓的大小。Zha等^［24］證明了彈性體導致更多的空間電荷積累。Gao等^［25］研究發現，PP/丙烯基彈性體（PBE）和PP/POE的擊穿強度分別比PP降低了約15%、21.8%。

研究表明，加入彈性體能有效改善PP材料的力學性能，但是彈性體的添加改變了聚丙烯的分子結構，導致空間電荷特性、電導率、擊穿電壓等電氣性能發生變化，尤其在高壓直流下，空間電荷積聚是影響電纜安全運行的重要因素。然而，目前對聚丙烯共混物電氣性能的研究時間相對較短，對彈性體參數的選擇認知不足，彈性體如何影響聚丙烯共混物的空間電荷特性，空間電荷積累如何影響聚丙烯共混物的電性能，以及高溫下聚丙烯共混物的電氣性能目前還不是很明確。因此，本文研究了添加不同質量分數POE的PP/POE復合材料空間電荷、電導、擊穿場強等絕緣性能，討論了POE含量對PP絕緣性能的影響，初步探討了高溫下PP/POE復合材料擊穿、電導以及空間電荷積聚問題。

1 材料及試驗方法

1.1 材料與試樣制備

PP材料是中煤陜西榆林化工有限公司生產，熔體流動速率為0.35g/min，密度為0.9g/cm3。POE的型號為8150，美國陶氏化學公司生產，乙烯單體質量分數為75%，熔體流動速率為0.05g/min，密度為0.87g/cm3，熔融溫度為55℃。

PP作為基體材料，添加POE的質量分數分別為20%、30%、40%、50%和60%。采用雙螺桿擠出共混，進料口到機頭的溫度為185～230℃，螺桿轉速為100～110r/min，共混后的PP/POE復合材料烘干、熱壓制成不同厚度和不同規格的樣品。

1.2 聚丙烯復合材料性能表征

采用電子萬能試驗機，室溫環境下測試材料力學性能。樣品為長為20mm、寬為4mm、厚度為1mm 的啞鈴狀試樣，拉伸速率為50mm/min，每個試樣測試5組數據，然后計算平均值。采用直流擊穿試驗儀，測試材料直流擊穿強度，擊穿電極為直徑為25mm、邊緣曲率為2mm的圓柱形黃銅電極，樣品厚度為0.2mm，升壓速率為1kV/s，為防止表面閃絡，將電極和樣品浸入變壓器油中，每個試樣重復測試10組數據，用威布爾分布進行擬合。

電導電流測量平臺由威思曼高壓直流電源、靜電計（精度可達10^－15A）、保護電極、三電極系統和計算機采集控制臺組成。樣品厚度為0.2mm，室溫下采用逐步升壓方法，電場強度為10～50kV/mm，場強步長為10kV/mm，測試時間為30min，直至達到準穩態電流。空間電荷測試平臺由電極系統、高壓直流電源、納秒脈沖源、溫度循環系統和數據采集系統（包括放大器、示波器和電腦）組成，采用脈沖電聲法測試不同質量分數的POE復合材料空間電荷分布^［26］。測試電極為圓柱形鋁電極，在上電極和樣品之間放置半導體層，樣品厚度為0.2mm，采用逐步升壓方法，試驗電場分別為10、30、50kV/mm，加壓時間和去極化時間均為30min。

采用掃描電鏡，觀察PP和PP/POE復合材料微觀結構。試樣在液氮中冷凍30min脆斷，在100℃正庚烷溶劑中刻蝕6min依次在過氧化氫、丙酮和去離子水中超聲波清洗3min，試樣斷面噴金進行電鏡觀察。采用差示掃描量熱分析儀，對PP和PP/POE復合材料進行熱分析測試。以10℃/min的升溫速率上升至200℃時穩定10min后，以10℃/min的降溫速率從200℃降至25℃，獲得結晶曲線。在25℃時穩定10min后，再以10℃/min的升溫速率加熱至200℃，獲得熔融曲線。

采用Novocontrol TSDC測試系統測量PP和PP/POE復合材料去極化電流，電極系統采用非對稱電極，非對稱電極的上電極直徑為20mm，下電極直徑為30mm，樣品厚度0.2mm。試驗參數如下：極化電壓為200V，極化溫度為110℃，極化時間為30min，升溫速率為3℃/min。當電極系統冷卻至－60℃時，開始加熱至130℃，系統以3℃/min的升溫速率線性升溫，記錄溫度和電流。

2 聚丙烯彈性體共混材料力-電綜合性能分析

2.1 力學性能

彈性模量是衡量材料力學性質的重要指標之一，在施加拉伸應力時，彈性模量越大，表示材料剛度越大，越難發生形變。PP/POE復合材料彈性模量和拉伸強度隨彈性體含量變化如圖1所示。

由圖1可知，PP彈性模量為1 353.52MPa，彈性模量過高，且剛性大，這很難滿足電纜制造的要求。隨著POE含量的增加，彈性模量明顯降低，說明添加POE后材料的韌性增加，并且 w POE分別為20%、30%的復合材料斷裂伸長率得到提升，但是 w POE為40%復合材料的斷裂伸長率和拉伸強度顯著下降。這是因為POE質量分數低于30%時，PP和POE相容性較好，POE分子結構中的辛基鏈構建成網狀結構。當POE質量分數大于等于40%時，兩相材料相容性逐漸變差，材料間缺陷增加，導致局部應力集中，同時材料整體結晶度下降，分子鏈間相互作用力降低，材料容易斷裂。

2.2 直流擊穿場強

PP/POE復合材料直流擊穿場強的威布爾分布如圖2所示，特征擊穿場強變化如圖3所示。

從圖2可以看出，所有的數據都很好地符合威布爾分布，并且在95%的置信區間內，威布爾分布的形狀參數均大于7，不同樣品的擊穿強度具有較小的數據分散性。從圖3可知，PP的特征擊穿場強最高，為365.8kV/mm，PP/POE復合材料的特征擊穿場強均低于PP，且隨著POE含量的增加，有降低的趨勢。其中 w POE分別為20%、30%、40% 復合材料的擊穿場強相近，比PP的約低15%，當POE質量分數高于40%時擊穿場強急劇下降，表明聚合物的擊穿場強與POE的含量有關。PP與POE兩相界面處存在大量的非晶區和自由體積^［25］，隨著POE含量增加，材料結晶度下降，淺陷阱數量增加，電子被俘獲的可能性降低，這可能是導致PP/POE復合材料擊穿強度降低的原因。

2.3 電導特性

PP、PP/POE復合材料的電流密度和電導率分別如圖4、圖5所示。

從圖4可知，電流密度隨電場強度和POE含量的增加整體呈上升趨勢。在10kV/mm時，POE含量越高，電導電流越大，電場強度大于30kV/mm時， w POE為40%復合材料電導電流最小。從圖5可以看出，PP/POE復合材料的電導率隨POE含量的增加整體上呈增大趨勢， w POE為60%復合材料的電導率是PP的20倍以上。低電場范圍內，電導率隨電場變化較小，高電場范圍內，電導率隨電場增大而增大，其中 w POE為40%復合材料電導率比其他PP/POE復合材料小。在30kV/mm以下，PP和 w POE為40%的電導率隨電場強度的增大而減小。宏觀上看，主要是由于隨著電場增加，PP和 w POE為40%的電流密度上升幅度較小，利用電流密度除以電場強度得到的宏觀視在電導率呈下降趨勢；微觀上看，這可能是由于電場強度升高，PP和 w POE為40%復合材料內部同極性電荷密度增加，導致電極處電場強度下降，注入電流隨之下降，并導致宏觀視在電導率下降。高場強下，界面電場和材料內部電場強度增加，載流子數量和遷移率均增大，導致材料電導率增加。

2.4 空間電荷特性

PP、POE及PP/POE復合材料在10、30、50kV/mm下的空間電荷如圖6所示。

從圖6可以看出：PP中電荷注入量很小，電離忽略不計，材料內部幾乎沒有空間電荷積聚；POE中空間電荷量非常小，當電場大于30kV/mm時，陰極附近只有少量的正電荷；復合材料中空間電荷的積累量隨POE含量的增加而增加。在10kV/mm時， w POE分別為20%、30%和40%的復合材料在陽極附近積累少量負電荷，而 w POE分別為50%、60%的復合材料在兩個電極上積累明顯的異極性電荷，且POE含量越高，異極性電荷量越大。在30、50kV/mm較高電場下， w POE分別為20%、30%的復合材料積累少量異極性電荷； w POE為40%復合材料中異極性電荷量隨著電場的增大而減少，逐漸變為少量同極性電荷； w POE分別為50%、60%的復合材料中心積聚了大量的負電荷，異極性電荷量隨電場的增大而增加。

PP/POE復合材料中空間電荷積累原因可能因為POE相結晶度低，POE的電荷注入和遷移速率都高于PP，在PP/POE復合材料中，電荷在POE中運輸更快，更易到達對向電極，形成異極性電荷，且POE含量越高，異極性電荷量越大。此外，由于PP和POE兩相相容性較差，POE與PP兩相間界面可能為復合材料的缺陷，電荷沿界面的傳輸可能較快，隨著POE濃度的增加，材料整體結晶度下降，無定形區增多，且PP和POE兩相界面增多，電荷在無定形區和兩相界面傳輸較快，在大量同極性電荷注入的情況下更易形成異極性電荷積聚。

由圖6（e）可知，在高場強下， w POE為40%復合材料在高場強下同極性電荷量增加，界面電場強度下降，載流子注入速率下降，因此電導電流降低，而 w POE分別為50%、60%的復合材料隨場強增大，異極性電荷量增加，界面電場增大，注入電流和抽出電流量均增大，電導電流增大。空間電荷積聚導致界面電場和材料內部電場強度增加，載流子數量和遷移率增大，使材料加速老化，最終導致擊穿，與2.2節擊穿場強數據一致。試驗表明，添加不同比例POE的PP/POE復合材料中， w POE為40%復合材料具有更小的高電場電導率和空間電荷積累量。作為高壓直流電纜運行時，電纜在長期運行以及高電壓負載下，絕緣層溫度可達70℃，故障情況下溫度更高。在直流電場下，溫度對電場分布和擊穿電壓影響很大，進一步研究了 w POE為40%復合材料在高溫下的擊穿場強和空間電荷特性，結合材料微觀形貌、熱轉變特征以及陷阱特征，分析高溫下PP/POE復合材料的絕緣特性和電荷輸運特性。

2.5 高溫直流下的絕緣性能

2.5.1 微觀形貌分析

PP和 w POE為40%復合材料微觀形貌表征如圖7所示。從圖7可以看出，聚丙烯表面比較光滑平整， w POE為40%復合材料呈現典型的海島結構，彈性體在聚丙烯基體中均勻分散，尺寸在微米級別。

2.5.2 熔融結晶分析

PP和 w POE為40%復合材料結晶、熔融曲線如圖8所示。聚合物結晶度 X c的計算式如下

X c = Δ H m" Δ H100×100 % "（1）

式中：Δ H 100 為材料完全結晶時的熔融焓，聚丙烯為209J/g。

由圖8可知：純PP和 w POE為40%復合材料的熔融焓，純PP的結晶度為43.94%， w POE為40%復合材料的結晶度為25.96%，加入POE之后，材料的結晶度下降了40.92%，說明POE的加入影響PP材料的結晶狀態； w POE為40%復合材料有兩個結晶峰，說明POE存在單獨結晶過程，溫度大約為43.3℃；在80℃左右能看到有細小的熔融峰，對應POE相的熔融過程，POE相在40～60℃之間發生軟化，分子鏈轉變為無定形態，無法有效阻斷電荷傳輸；結晶度下降導致產生更多的自由體積，使電子在運動過程中積累更多動能，電子與高分子鏈碰撞，造成的損傷更劇烈，大大減弱了材料的耐電擊穿能力。

2.5.3 高溫直流擊穿場強

PP和 w POE為40%復合材料直流擊穿場強的威布爾分布如圖9所示，特征擊穿場強變化如圖10所示。由圖9可知：PP的威布爾分布形狀參數均大于6，20、40℃下，數據分散性很小； w POE為40%復合材料在80℃下分散性較大。由圖10可知：PP和 w POE為40%復合材料特征擊穿場強隨溫度升高均下降，20～40℃之間下降幅度較小，40℃以后場強下降明顯；PP在80℃下場強下降到271.7kV/mm，比20℃時場強下降了74.3%； w POE為40%復合材料在80℃時場強下降到208.6kV/mm，比20℃時場強下降了64.8%。

w POE為40%復合材料在高溫下擊穿場強下降的主要原因可能是高溫下POE軟化熔融，分子鏈無法有效阻擋電荷遷移，導致電導電流增大，更易導致材料擊穿。POE在40～60℃之間熔融，故 w POE為40%復合材料的擊穿場強在40℃以后下降顯著。

2.5.4 高溫空間電荷分布

高溫下空間電荷試驗溫度為40、60、80℃，PP和 w POE為40%復合材料高溫空間電荷分布分別如圖11、圖12所示。

由圖11可知：20℃時PP內部幾乎沒有空間電荷積累，在40、60℃和場強為30、50kV/mm時，有少量的同極性電荷積聚，可能來自于電極注入；當溫度達到80℃時，同極性電荷積聚量隨場強增大顯著增加，可能因為在外電場作用下，電極向PP內部不斷注入電子，溫度升高，加快了電子運動，陽極抽出的電子數增多，在陽極附近留下大量的空穴形成了同極性電荷積聚。

由圖12可知： w POE為40%復合材料在20℃和10kV/mm時，陽極附近積累少量負電荷，隨場強增大異極性電荷量減少，逐漸變為少量的同極性電荷；40℃和場強為10kV/mm時，材料內部有少量異極性電荷積聚，當場強增加到30、50kV/mm時，僅在材料中間有一定量的同極性電荷分布；在60℃、高場強下，同極性電荷量大幅度增加；80℃、場強為10kV/mm時，陽極和陰極附近同極性電荷量劇增，場強為30、50kV/mm時，陰極附近同極性電荷轉變為負極性電荷，且隨場強增大，電荷量增加，正極性電荷注入速率逐漸大于負極性電荷注入速率。

w POE為40%復合材料空間電荷積聚量隨溫度升高顯著增加可能和POE的熔點有關，POE在40～60℃之間熔融，POE相轉變為無定形態，無法有效阻擋電荷輸運；其次，溫度升高加快了電子運動，電荷的注入和抽出速率增大，增加了載流子數量和遷移率，形成大量同極性電荷注入和異極性電荷積聚。

2.5.5 陷阱分布特性

PP和 w POE為40%復合材料熱刺激去極化電流隨溫度變化曲線如圖13所示。

由圖13可知：PP的陷阱峰值溫度為126.39℃，加入POE之后， w POE為40%復合材料的陷阱峰值溫度下降至59.7℃，并且在22.65℃出現去極化電流小峰值，對應的陷阱能級顯著下降；PP的去極化電流峰值約為8.8×10^－13A， w POE為40%復合材料的峰值電流達到1.96×10^－10A，兩者呈現顯著差距；在120℃附近的去極化電流值與PP相近，這顯示POE加入PP后，并沒有改變原有的深陷阱能級，而是在其基礎上引入了更加大量的淺陷阱能級。這可能是由于POE中本身存在大量淺陷阱，也有可能是在復合材料中，兩相界面相容性變差，界面缺陷形成了大量淺陷阱。PP的結晶溫度為117.07℃，該溫度以上，PP相結晶軟化，導致晶界被破壞，因此在126℃左右出現電流釋放峰，加入POE后，復合材料中POE相熔融或者結晶溫度顯著低于PP。POE的結晶溫度為43.3℃，在60℃時，復合材料中POE相結晶軟化甚至熔融，導致POE中晶界形成的深陷阱被破壞，無法捕獲或者阻擋電荷輸運，從而在TSDC中60℃左右形成電荷釋放峰，降低的深陷阱能級和陷阱密度使陷阱對電荷的捕獲能力減弱，導致材料載流子遷移率增加，注入閾值場強下降。因此，在PP/POE復合材料中，高溫下空間電荷在POE相中遷移率劇增，從而更加容易形成異極性電荷。 w POE為40%復合材料空間電荷在60℃下同極性電荷量大幅度增加，這說明在此溫度下，材料內部陷阱分布促進了載流子的注入和遷移。

3 結 論

本文研究了添加不同含量POE的PP/POE復合材料的擊穿場強、電導電流和空間電荷特性，主要結論如下。

（1）隨著POE含量的增加，彈性模量明顯降低，并且 w POE分別為20%、30%的復合材料斷裂伸長率得到提升，質量分數達到40%以上，斷裂伸長率和拉伸強度顯著下降。這是因為當POE質量分數大于等于40%時，兩相材料相容性逐漸變差，材料間缺陷增加，導致局部應力集中，同時材料整體結晶度下降，分子鏈間相互作用力降低，材料容易斷裂。

（2） w POE分別20%、30%和40%的復合材料擊穿場強相近，均比PP低15%左右， w POE分別為50%、60%的復合材料擊穿場強隨POE含量的增加而快速下降。在低電場下，PP/POE復合材料的電導率隨POE含量的增加而增加。在高電場下， w POE為40%復合材料的電導率是所有復合材料中最低的，可能是由于同極性電荷積聚降低了電極電場強度，抑制了電導電流。

（3） w POE分別20%、30%和40%的復合材料空間電荷積累量小， w POE分別為50%、60%的復合材料異極性電荷積累量大。這可能是由于POE結晶度低，電荷注入和遷移速率較高以及PP/POE兩相界面存在大量缺陷導致。高溫下，PP和 w POE為40%復合材料直流擊穿場強隨溫度升高下降，尤其60℃以上， w POE為40%復合材料擊穿場強下降明顯。PP在高溫下空間電荷積聚量少， w POE為40%復合材料空間電荷積聚量在60℃以上隨溫度升高增加顯著。PP/POE復合材料在高溫下的空間電荷積聚和電導劇增可能是限制其絕緣性能的關鍵。

（4）POE相在40～60℃之間開始熔融，并且59.7℃是 w POE為40%復合材料的熱刺激去極化電流峰值，該溫度下，POE相結晶松動，分子鏈運動加劇，兩相界面缺陷增加，導致大量空間電荷積聚，電場發生變化，載流子數量增加，導致材料容易劣化、擊穿。

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（編輯 趙煒）