北京科技大学查俊伟教授AM：自修复、可回收聚乙烯

新一代可持续电缆绝缘材料问世：自修复可回收聚乙烯技术取得突破

在电力传输领域，交联聚乙烯（XLPE）因其优异的电气与机械性能，一直是高压电缆绝缘的关键材料。然而，其在强电场与高机械应力下易发生损伤，且传统XLPE因交联不可逆，无法实现损伤后的自修复与退役后的回收，给电力系统的长期可靠运行与资源循环利用带来严峻挑战。

近日，北京科技大学查俊伟教授、清华大学万宝全博士提出了一种创新的解决方案：通过铜催化胺化反应制备功能化聚乙烯，并结合动态共价化学构建可定制的共价自适应网络（CANs）。该材料利用双动态共价键的交换能力，实现了接近100%的机械与电损伤后性能恢复效率，同时兼具优异的可回收性。其巧妙结合的“强”永久交联与“弱”动态交联结构，使材料韧性提升至102.0 MJ m⁻³，并在70°C下电场畸变率仅为7%，综合性能优于传统XLPE，为下一代可持续电缆绝缘材料的发展开辟了新路径。相关论文以“Covalent Adaptable Network Enables Sustainable Polyethylene for Next-Generation Cable Insulation”为题，发表在

Advanced Materials

研究团队首先从分子结构设计入手，通过铜催化胺化反应在低密度聚乙烯链上引入马来酰亚胺基团，避免了传统改性方法中常见的链断裂或过度交联问题。随后，采用含双硫键的呋喃基分子作为动态交联剂，通过迪尔斯-阿尔德环加成反应构建了兼具永久交联与动态共价交联的双网络结构。这种设计使材料在正常工作时保持热固性材料的稳定性，而在受热刺激下可发生拓扑重排，实现再加工与修复。

图1. 具有永久交联与动态共价交联的CANs结构设计与机制示意图。 a) CANs的分子结构设计。b) LDPE的铜催化胺化反应与动态交换机制。

在电气性能方面，研究通过傅里叶变换红外光谱证实了动态共价键的成功引入。虽然动态交联的引入使击穿强度略有下降，但其通过引入极性基团构建的深陷阱能有效捕获载流子，显著抑制了空间电荷积累。密度泛函理论计算显示，双动态键的引入使材料具备更深的陷阱能级与更强的电荷束缚能力。在70°C、50 kV mm⁻¹条件下，动态交联网络的电场畸变率仅为7%，远低于传统XLPE的27%，表现出更稳定的绝缘性能。

图2. 聚乙烯绝缘材料的电气性能与DFT计算。 a) XLPE、DPPE和DPE的介电性能；b) 三者的威布尔击穿强度；c) DPPE的静电势分布；d) 通过DFT模拟的XLPE与DPPE的态密度；e) XLPE和f) DPPE在30°C下空间电荷分布随衰减时间的变化；g) XLPE和h) DPPE在30°C下电场的时空分布；i) 聚乙烯介电材料中载流子传输示意图。

材料的动态行为通过X射线光电子能谱与动态力学分析得到进一步验证。动态共价键的引入显著降低了材料的玻璃化转变温度，增强了链段运动能力。蠕变恢复实验表明，材料在卸荷后能通过动态键交换恢复大部分应变，表现出良好的网络重排能力。这种可逆的迪尔斯-阿尔德反应与双硫键交换机制，为材料的自修复与回收提供了基础。

图3. CANs的动态特性。 a) DPPE的XPS谱图（插图为DPPE的N1s XPS谱图）；b) XLPE和c) DPPE的C1s XPS谱图；d) XLPE、DPPE和DPE在-100至180°C范围内的储能模量比较；e) 三者在-150至150°C范围内的损耗因子比较；f) 三者在100°C下的蠕变-恢复实验；g) CANs重排机制示意图；h) XLPE、DPPE、DPE与当前电缆标准的雷达对比图。

在自修复与可回收性方面，该材料展现出卓越的多重损伤修复能力。无论是表面划伤、电晕损伤还是电树枝破坏，经过120°C、12小时的热处理后，损伤痕迹几乎完全消失，电气性能恢复率可达97%以上。此外，材料可通过热压或溶剂溶解-再沉淀的方式实现多次机械回收与溶剂回收，回收后仍能保持优异的力学、热学与电气性能，其击穿强度在两次回收后仍维持在280 kV mm⁻¹左右。

图4. CANs对机械与电损伤的自修复性能及多重可回收性。 a) 原始及自修复后DPPE和DPE在不同类型机械损伤下的应力-应变曲线；b) 原始及自修复后DPPE和DPE的威布尔击穿强度；c) DPPE电晕损伤后的自修复效果：c1) 电晕损伤后与c2) 自修复后的DPPE SEM图像；d) DPPE机械损伤后的自修复效果：d1) 机械损伤后与d2) 自修复后的DPPE SEM图像；e) 具有双动态共价键的动态交联网络的可逆重组示意图；f) XLPE、DPPE和DPE中电树枝生长与自修复过程的图像；g) DPPE的机械回收与溶剂回收过程示意图；h) 多次机械回收与溶剂回收后DPPE的威布尔击穿强度；i) 多次回收后DPPE的DSC曲线

长期老化实验表明，该材料在135°C热氧老化504小时后，力学性能仍保持初始状态的约100%，且未出现明显的羰基降解产物，显示出优异的抗老化稳定性。此外，材料还具备良好的自清除特性、与金属基底的增强粘附性以及改善的表面涂装适应性，为其在电缆绝缘中的实际应用提供了多方面的性能保障。

图5. DPPE的长期可靠性。 a) DPPE的热氧老化性能：(a1) 不同老化时间后的应力-应变曲线，(a2) 威布尔击穿强度，(a3) DSC曲线；b) 金属化PE CANs的自清除性能评价：(b1) 金属化PE CANs自清除过程示意图，(b2) DPPE在室温下多次电击穿强度的威布尔分布分析；c) XLPE、DPPE和DPE的表面性能：(c1) 搭接剪切粘附测试过程示意图，(c2) 三者作为粘附中间层的搭接剪切测试结果，(c3) XLPE与DPPE的剥离测试对比，(c4) 三者的水接触角。

这项研究通过动态共价化学成功设计出一种兼具自修复、可回收、高韧性及优异绝缘性能的聚乙烯电缆绝缘材料。其通过分子结构设计构建深陷阱，有效抑制电场畸变，显著提升了材料的可靠性与使用寿命。该工作不仅推动了聚乙烯绝缘材料向环境友好与长寿命方向发展，也为新一代可持续电力装备材料的开发提供了重要思路与技术基础。