哈尔滨理工大学王凯、赵新东 等：极性分子的结构异同性对接枝改性交联聚乙烯材料直流电性能的影响

阅读提示：本文约 2000 字

高压直流输电的远距离、大功率、高稳定性优势有助于我国进一步开发海洋资源，但对于高压直流电缆的交联聚乙烯(XLPE)绝缘层提出了更大的挑战，如：空间电荷积聚与电场反转诱发的绝缘失效，严重限制了电缆向更高电压等级的发展。 在哈尔滨理工大学-工程电介质及其应用教育部重点实验室赵洪教授团队王暄教授主持的国家自然基金区域联合基金重点项目“在宽温区提升聚乙烯材料绝缘性能的方法与机理研究（U20A20307）”资助下，王凯、赵新东等与哈尔滨哈普电气技术有限责任公司郑海峰在2024年第1期《电工技术学报》上撰文，以熔融接枝技术实现低密度聚乙烯的高性能接枝反应，有效调控了XLPE材料内部的空间电荷分布与电导率-温度敏感性，并阐述了极性分子结构差异性对XLPE材料直流电性能的影响规律。

研究背景

交联聚乙烯（Cross-Linked Polyethylene, XLPE）材料被广泛用于高压直流电缆绝缘，但由于其具有电导率-温度敏感性强、空间电荷积聚等诸多问题，限制了高压直流电缆向更高电压等级的进一步发展。国内外针对该问题的解决方案基本围绕基础树脂化学纯净、纳米粒子掺杂改性、有机分子接枝等方面展开。

其中接枝改性技术在近年来获得广泛的关注与研究，但是较多的接枝改性研究致力于在电缆制造时的聚乙烯材料交联反应的过程中同时实现接枝，这种工艺虽然简单易行，但是要求接枝化合物分子量相对较大，可耐受电缆料与电缆的加工工艺，确保化合物不挥发、不失活，接枝单体的存在不影响交联反应动力学特性。

然而，大多接枝单体具有较小的分子量致使其气化温度低，在LDPE熔融温度下具有易汽化损失等问题。另一种水悬浮固相接枝在实现高压电缆料的超净制造上有一定的难度。

论文所解决的问题及意义

1）针对小分子接枝单体的气化温度低问题，通过平行双螺杆挤出机配合低温液相高压计量泵可有效避免接枝单体的气化损失并可实现接枝单体的精准定量混配，以适当剂量的过氧化二异丙苯(DCP)引发链自由基，使材料具有较高接枝率的前提下，保持原有的流变特性，从而实现稀释过程中的均匀混配。

2）预先接枝工艺制备的接枝改性XLPE材料的直流电性能发生显著改善，有效抑制空间电荷注入特性、降低电导率-温度敏感性，证实预先接枝而后交联的制备方式具有较高可行性。

3）基于第一性原理计算，提出接枝单体的结构对接枝改性材料直流电性能的影响依据，有效提高接枝改性的功能性小分子筛选效率。

论文方法及创新点

1）基于熔融接枝技术的热塑性接枝改性材料制备方法

为避免接枝单体在混配与高温交联反应过程中的气化问题，依托哈普电气设计的搭配低温高压计量泵的双螺杆挤出机混炼/接枝平台，实现高接枝含量的热塑性接枝母料，制备的接枝母料具有与原聚乙烯树脂相近的流变特性与结晶特性，并保持较高的接枝率。

图1 平行双螺杆反应挤出工艺示意图及温度设定

图2 LDPE与接枝母料的红外光谱图

图3 接枝母料熔体流动速率与凝胶含量

2）功能性小分子化合物接枝改性XLPE材料直流电性能改善技术

使用含有相同官能团（酯基）但结构不同的接枝单体(丙烯酸甲酯 MA、丙烯酸丁酯 BA、甲基丙烯酸甲酯 MMA)制备的接枝改性XLPE材料J-E曲线与高温空间电荷分布如图4、5所示，不同的接枝单体/分子结构对XLPE材料直流电性能的改善效果具有显著差异，其中XLPE-g-MA材料的电导率、电导率-温度敏感性与高温空间电荷均具有最优特性。该技术的另一特征是较低的接枝量就能达到较好的直流电性改善效果。

图4 XLPE与接枝改性XLPE材料的J-E曲线

图5 XLPE与接枝改性XLPE材料的高温空间电荷分布

3）基于第一性原理计算的接枝单体评价原则

结构相似、极性基团一致的丙烯酯类接枝单体与接枝改性XLPE模型的第一性原理计算表明，相比于接枝改性XLPE模型的陷阱信息，接枝单体的静电势分布对接枝改性XLPE材料的直流电性能影响效果更为显著，接枝单体的平均正、负静电势决定材料内积累的空间电荷极性种类与密度。

图6 接枝单体的静电势分布

图7 接枝改性材料的陷阱特性

结论

本文提出了熔融接枝技术制备接枝改性XLPE材料的制备方法，分析了接枝单体的结构、引发剂用量对材料的接枝率与接枝前后LDPE材料流变特性与结晶特性的影响规律，给出了接枝改性XLPE材料的高温空间电荷分布与J-E曲线，并基于第一性原理计算揭示了接枝单体结构对接枝改性XLPE材料直流电性能的改善机理。

本技术方法在预防接枝过程中的LDPE凝胶趋势方面还有进一步提升的空间。

团队介绍

研究人员隶属于哈尔滨理工大学工程电介质及其应用教育部重点实验室赵洪教授研究团队，研究团队多年致力于电缆绝缘材料与电缆系统技术。研究团队与青岛汉缆集团公司合作于2010年在国内率先开发出110kV XLPE电缆绝缘料并形成连续8年以上的大于3000吨/年的量产，同时期，在863前沿探索项目课题支持下，形成较为系统的技术体系。为2019年以来的220kV以上电缆料的国产化工作建立了坚实基础。团队亦在后来依托该企业的220kV XLPE电缆绝缘料的开发中起到重要作用。

近年来，研究团队关注交联聚乙烯电缆绝缘微域多应力场调控改善宏观电性，包括基于电压稳定剂高能电子淬灭的交联聚乙烯绝缘和附件橡胶绝缘增强技术，基于深陷阱有机分子构建荷电点阵抑制XLPE载流子输运，改善直流电缆绝缘性能技术，亲水分子阵列抵御微水珠冲击的交联聚乙烯电缆绝缘抗水树技术；关注高压海缆技术包括多物理场融合的高压海缆工厂接头制备技术，基于交联反应动力学的高压电缆绝缘材料大长度挤出技术等；关注聚丙烯绝缘电力电缆绝缘性能协同调控，高压交流和直流聚丙烯电缆绝缘材料构建、性能优化和电缆制造技术等。

团队还坚持开展基于光纤传感技术的电力设备性能检测技术研究。

赵洪，哈尔滨理工大学二级教授，博士生导师，长期从事高电压与绝缘技术学科教学与科研工作，1993年获国务院政府特贴。主持和参与主持项目国家自然基金项目、国家863和科技支撑项目课题等10余项，获省部级科技奖一等1项，二等5项。发表学术论文被SCI、EI收录150余篇。获授权发明专利50余项，指导研究生130余人毕业获得硕士或博士学位。现任中国电工技术学会电线电缆专业委员会副主任委员，中国电机工程学会高电压技术专业委员会委员，特种电缆技术国家重点实验室学术委员会委员，上海国缆检测股份公司中心专家委员会主任委员，高压、超高压电缆技术国家工程研究中心专家组成员。

本工作成果发表在2024年第1期《电工技术学报》，论文标题为“极性分子的结构异同性对接枝改性交联聚乙烯材料直流电性能的影响”。本课题得到国家自然科学基金的支持。

引用本文

王凯, 赵新东, 郑海峰, 杨旭, 邵满志, 赵洪, 王暄. 极性分子的结构异同性对接枝改性交联聚乙烯材料直流电性能的影响[J]. 电工技术学报, 2024, 39(1): 34-44. Wang Kai, Zhao Xindong, Zheng Haifeng, Yang Xu, Shao Manzhi, Zhao Hong, Wang Xuan. Influence of the Structural Similarities of Polar Molecules on DC Properties of Grafted Modified Cross-Linked Polyethylene Materials. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(1): 34-44.

阅读全文

中国电工技术学会

新媒体平台

学会官方微信

电工技术学报

CES电气

学会官方B站

CES TEMS

今日头条号

学会科普微信

大赛官方微信

☎️ 《电工技术学报》：010-63256949/6981；邮箱：dgjsxb@vip.126.com ☎️ 《电气技术》：010-63256943；邮箱：dianqijishu@126.com ☎️ 《中国电工技术学会电机与系统学报（英文）》：电话：010-63256823；邮箱：cestems@126.com ☎️ 编务：010-63256994 ☎️ 订阅：010-63256817 ☎️ 商务合作：010-63256867/6838