聚乙烯抗水樹絕緣材料的制備及抑制機理研究.pdf

1、聚乙烯具有優(yōu)良的電氣性能、物理力學性能和化學穩(wěn)定性而被廣泛應(yīng)用在電力電纜行業(yè)中，由于交聯(lián)聚乙烯(XLPE)具有更好的綜合性能，比如耐熱變形性、力學性能、耐環(huán)境應(yīng)力龜裂、耐熱老化的性能、耐化學穩(wěn)定性和耐溶劑性等，交聯(lián)聚乙烯已取代聚乙烯成為電力電纜的主絕緣。然而，聚乙烯類絕緣電纜在潮濕的環(huán)境下長期使用時會在主絕緣內(nèi)發(fā)生水樹枝化現(xiàn)象，是中低壓電纜絕緣擊穿的主要原因。特別是近些年來，由于水樹枝老化導(dǎo)致早期敷設(shè)的XLPE電纜絕緣擊穿停電事故呈上升

2、趨勢，并不斷造成重大的經(jīng)濟損失，因此水樹枝現(xiàn)象已成為電力電纜安全運行的重大隱患。為了延長電纜的使用壽命，需要采用抗水樹的電纜絕緣材料提高電力電纜的安全運行。本論文根據(jù)過氧化物交聯(lián)、硅烷交聯(lián)方法及水樹生長特點研究復(fù)合交聯(lián)對聚乙烯或交聯(lián)聚乙烯進行抗水樹特性改性，并探討了硅烷接枝改性與極性添加劑的協(xié)同抑制絕緣體水樹生長的效果和對聚乙烯或交聯(lián)聚乙烯接枝硅烷改性的水樹抑制機理。同時，研究了苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、三元乙丙橡膠或極性

3、共聚物的共混改性對交聯(lián)聚乙烯的抗水樹性能、介電性能、力學性能、交聯(lián)結(jié)構(gòu)和形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響，探討了非極性彈性體抑制交聯(lián)聚乙烯水樹生長的機理以及極性共聚物與非極性彈性體對水樹的協(xié)同抑制效果。
　　本文對硅烷接枝聚乙烯的水樹抑制機理進行了探討和分析，同時考察了硅烷接枝改性與極性共聚物對聚乙烯的協(xié)同水樹抑制作用。通過對硅烷接枝聚乙烯的抗水樹性能、常溫硅烷交聯(lián)前后的介電性能、凝膠含量等一系列性能研究，結(jié)果表明，接枝到聚乙烯鏈上的硅烷在水樹老化

4、過程中能夠均勻吸收滲入的水分而緩慢發(fā)生硅烷交聯(lián)從而導(dǎo)致聚乙烯水樹抑制性能的明顯改善。與極性共聚物協(xié)同使用，水樹抑制效果更為明顯，存在硅烷添加量的最優(yōu)值，共混物仍然保持優(yōu)異的介電性能。
　　本文集合過氧化物交聯(lián)與硅烷交聯(lián)方法的優(yōu)缺點采用復(fù)合交聯(lián)對聚乙烯進行抗水樹改性，系統(tǒng)研究了硅烷接枝改性過氧化物交聯(lián)聚乙烯后的抗水樹、親水性、介電和力學性能。結(jié)果表明，硅烷接枝改性過氧化物交聯(lián)聚乙烯可以明顯改善交聯(lián)聚乙烯的水樹抑制性能，與交聯(lián)聚乙烯相

5、比，共混物的力學性能和介電性能變化不大。紅外與核磁分析表明，三甲氧基硅烷在過氧化物引發(fā)聚乙烯交聯(lián)時能夠被接枝到聚乙烯鏈上，而紅外分析也佐證了水樹老化過程中硅烷交聯(lián)的發(fā)生。
　　極性添加劑雖然可以很好地改善交聯(lián)聚乙烯的抗水樹性能，但這些極性物質(zhì)通常也會增加共混物的介電損耗，這對作為電纜絕緣層使用的材料來說是一個不利的影響，因此，本文選擇了非極性的苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯(SEBS)對XLPE進行改性。研究表明，SEBS能明顯地改

6、善XLPE的抗水樹性能，共混物仍然能保持較好的力學強度和斷裂伸長率，而且XLPE/SEBS共混物的介電損耗也未有太大影響。通過對XLPE和XLPE/SEBS共混物的凝膠含量的研究發(fā)現(xiàn)，SEBS能夠促進聚乙烯的交聯(lián)。而且，SEM分析表明，SEBS與PE部分相容，且均勻地分散在PE基體中形成分散相。DSC分析表明，由于SEBS對XLPE的交聯(lián)的增強作用，隨著SEBS含量的增加，聚乙烯的結(jié)晶度逐漸降低。而根據(jù)極性添加劑與非極性添加劑不同抑制水

7、樹生長機理，本文也研究了SEBS與EVA同時作為水樹抑制添加劑對交聯(lián)聚乙烯水樹抑制性能的協(xié)同影響，當SEBS含量為15phr與EVA含量為1.0phr時，共混物的相對水樹長度降到41％。
　　本文對不同種類的非極性添加劑對XLPE進行的水樹抑制效果的比較，研究發(fā)現(xiàn)，SEBS或EPDM作為非極性水樹抑制添加劑，由于其不同特性，作為水樹抑制添加劑的作用不同，從而闡述非極性水樹抑制添加劑的水樹抑制機理，同時研究了非極性添加劑的極性改性或

8、非極性添加劑與極性添加劑共同使用對交聯(lián)聚乙烯水樹抑制性能的協(xié)同影響。而XLPE/EPDM或XLPE/SEBS共混物與XLPE相比，介電性能變化不大，而且仍然顯示出優(yōu)異的電絕緣性能。在XLPE中添加一定量的EPDM或SEBS時，XLPE/EPDM或XLPE/SEBS共混物仍然能保持較好的力學性能。XLPE/EPDM或XLPE/SEBS共混物的凝膠含量和SEM證明EPDM或SEBS促進PE的交聯(lián)，而且EPDM與PE相容性較好，但SEBS與P

9、E部分相容，不過SEBS可以很均勻地分散在PE基體中。DSC分析表明，由于EPDM或SEBS對XLPE的交聯(lián)程度的增強作用，隨著EPDM或SEBS含量的增加，聚乙烯的結(jié)晶度逐漸降低，但是對聚乙烯的熔融和結(jié)晶溫度沒有明顯的影響。同時對非極性添加劑的極性改性或與極性共聚物協(xié)同使用作為水樹抑制添加劑，交聯(lián)聚乙烯的水樹抑制性能進一步改善，凝膠含量、熱性能和與LDPE相容性也未有較大變化，仍然具有絕緣材料的顯著特性。
　　本文研究探討了電場

10、頻率對XLPE/SEBS共混物以及XLPE/SEBS/EVA共混物的水樹抑制性能的影響，研究試樣制備方法對XLPE/SEBS共混物以及XLPE/SEBS/EVA共混物空間電荷的影響，探究空間電荷積累與水樹抑制性能之間可能存在的某種聯(lián)系，同時探討了不同環(huán)境溫度條件下水樹生長動力學行為，采用修正分形理論探討了水樹生長機理。提出了打磨試樣加速老化試驗評估方法，引用有限元電場分析結(jié)果論證評估方法的優(yōu)越性。
　　本論文的主要創(chuàng)新之處:

11、>　　(1)本文集合過氧化物交聯(lián)與硅烷交聯(lián)方法的抗水樹特點采用復(fù)合交聯(lián)對聚乙烯進行改性，發(fā)現(xiàn)在交聯(lián)聚乙烯鏈上接枝少量的可交聯(lián)的三甲氧基乙烯基硅烷能明顯提高交聯(lián)聚乙烯的抗水樹性能，而且共混物仍然能保持較好的介電性能和力學性能。并且探討和分析了硅烷接枝改性與EVA抑制LDPE水樹生長的機理。
　　(2)本文研究比較SEBS與EPDM等非極性添加劑對XLPE的抗水樹性能的影響，并不是所有的非極性添加劑都能夠抑制XLPE的水樹生長，SEB

12、S與EPDM的加入使聚乙烯的結(jié)晶度降低以及SEBS與EPDM的韌性是抑制水樹生長的一個因素，提出了抑制水樹生長的電壓穩(wěn)定劑的水樹抑制機理。同時，探討了極性添加劑和非極性彈性體對XLPE抗水樹性能的協(xié)同作用，發(fā)現(xiàn)由于SEBS與EPDM抑制XLPE水樹生長的機理與極性共聚物完全不同，而且三元共混物的抗水樹性能比兩類二元共混物抗水樹性能都好。提出了極性添加劑和非極性添加劑能夠協(xié)同改善XLPE的抗水樹性能，通過對馬來酸酐接枝EPDM親水性改性也