電纜用交聯(lián)聚乙烯絕緣料性能實(shí)驗(yàn)研究

張 巖，衛(wèi)榮剛，馬貴榮

( 朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司原平分公司，山西原平 034100)

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市中所需的電力日益增加。為了滿足日益增加的用電需求，需要大力推進(jìn)電網(wǎng)建設(shè)［1-2］。而傳統(tǒng)的輸電系統(tǒng)以架空線為主，需要較大面積的輸電走廊，另外，架空線錯(cuò)綜復(fù)雜影響城市美觀。電纜的出現(xiàn)巧妙地解決了這些問題，并且電纜的輸電性能安全穩(wěn)定、不需要頻繁維護(hù)，成為城市化發(fā)展中電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵。交聯(lián)聚乙烯是電纜中主要的絕緣材料，由低密度的線性聚乙烯分子鏈通過物理或者化學(xué)方法連接而成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由熱塑性的線性聚乙烯變?yōu)闊峁绦越宦?lián)聚乙烯，具有優(yōu)異的絕緣性能、機(jī)械性能、電氣性能，耐熱性、耐老化、耐腐蝕性能好，具有良好的抗蠕變性，是制備電纜的絕佳材料［3-6］。改革開放以來，我國的各項(xiàng)技術(shù)能力水平雖然已經(jīng)得到了較好的提升，具備了制造高壓交流、直流電纜的能力，但是相較于發(fā)達(dá)國家，我國在交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣料方面的研發(fā)水平仍然處于落后水平，部分電纜的絕緣料依舊需要進(jìn)口，因此，亟需提升我國研發(fā)交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣料的能力水平［7-8］。交聯(lián)聚乙烯絕緣料的交聯(lián)度、微觀結(jié)構(gòu)、結(jié)晶性能等是影響其性能的主要指標(biāo)，為此，本文選取了幾種不同的交聯(lián)聚乙烯絕緣料，并對(duì)其進(jìn)行了介電常數(shù)與介電損耗、差示掃描量熱、交聯(lián)度等測試，對(duì)比分析了幾種交聯(lián)聚乙烯絕緣料的性能參數(shù)，對(duì)于我國電纜用交聯(lián)聚乙烯絕緣料的研發(fā)以及改善具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試樣的制備

本實(shí)驗(yàn)中選取了一種進(jìn)口電纜的交聯(lián)聚乙烯絕緣料，三種國內(nèi)的由不同廠家生產(chǎn)的電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料。在試樣制備前，需要將這四種交聯(lián)聚乙烯絕緣料置于溫度為70℃的真空干燥箱中12h，進(jìn)行烘干預(yù)處理。然后稱取相同質(zhì)量的四種交聯(lián)聚乙烯絕緣料，分別置于同一平板硫化機(jī)上，進(jìn)行熱壓15MPa 條件下交聯(lián)制備片狀試樣，將這四種試樣分別命名為試樣A、試樣B、試樣C和試樣D，其中，試樣A 為進(jìn)口交聯(lián)聚乙烯絕緣料制備的電纜試樣。

1.2 介電常數(shù)與介電損耗測試

介電性能是指在電場作用下，材料所表現(xiàn)出對(duì)靜電能的儲(chǔ)蓄和損耗的性能，一般用介電常數(shù)和介質(zhì)損耗兩種參數(shù)進(jìn)行表示。交聯(lián)聚乙烯絕緣料在電纜中的應(yīng)用與其介電性能有著直接的關(guān)系，因此，研究其在電纜中的應(yīng)用性能需要對(duì)其進(jìn)行介電常數(shù)與介電損耗測試。本文采用瑞士 Tettex 2821 型西林電橋?qū)ι鲜鏊姆N試樣進(jìn)行介電性能的測試，試樣的厚度均為0.3mm，其中，每種試樣各取三片進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，最后求取平均值。

1.3 DSC 測試

DSC 即差示掃描量熱法，是一種在程序控制溫度下，記錄樣品和參比物之間的功率差與溫度關(guān)系的一種方法，主要用于研究高聚物結(jié)晶度、樣品純度等。交聯(lián)聚乙烯屬于半結(jié)晶聚合物，其分子結(jié)構(gòu)內(nèi)部含有晶區(qū)和非晶區(qū)，分子中晶界對(duì)于電荷的輸運(yùn)有一定的影響，聚集態(tài)結(jié)構(gòu)是否完善對(duì)于材料的介電性能有著直接的影響，因此研究交聯(lián)聚乙烯絕緣料的DSC 曲線有重要意義。本文采用瑞士 Mettler 公司型號(hào)為 822e 的差示掃描量熱儀，在氮?dú)獗Ｗo(hù)條件下測得4 種試樣的DSC 曲線。測試過程中，試樣的質(zhì)量為5～8 mg，測試的溫度范圍為25～200 ℃，試樣在溫度為30℃條件下恒溫5min，以消除試樣的熱歷史峰，然后以10℃/min 的升溫速率升溫至200℃，保溫5min，然后再以 10℃/min 降溫速率降溫至 30℃，以上述步驟完成升溫- 降溫- 升溫的環(huán)節(jié)，最終得到試樣的DSC 曲線。

1.4 交聯(lián)度的測試

交聯(lián)度是指樣品中交聯(lián)部分所占試樣總體質(zhì)量的百分比。材料的交聯(lián)度對(duì)于其結(jié)晶性能、機(jī)械性能、熱性能、電氣性能等有直接的影響，交聯(lián)程度越高，說明材料的分子結(jié)構(gòu)可能含有的叔氫越多，表明材料容易在交聯(lián)點(diǎn)發(fā)生氧化反應(yīng)而導(dǎo)致分子鏈斷裂，影響材料的使用性能以及老化性能，因此，對(duì)于試樣交聯(lián)程度的測定有重要作用。在測定交聯(lián)聚乙烯試樣的交聯(lián)度時(shí)，選擇與其溶解度相似的溶劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)，交聯(lián)的聚乙烯只會(huì)發(fā)生溶脹現(xiàn)象不會(huì)發(fā)生溶解，而未交聯(lián)的聚乙烯會(huì)發(fā)生溶解。實(shí)驗(yàn)中通過索氏萃取法利用交聯(lián)聚乙烯的這一特性進(jìn)行交聯(lián)度的測定。具體的實(shí)驗(yàn)步驟為，第一，制備不易被溶劑腐蝕的不銹鋼網(wǎng)袋并稱取質(zhì)量M1；第二，稱取質(zhì)量為0.2g 左右的試樣放于步驟一中的網(wǎng)袋中，稱取總質(zhì)量為M2；第三，將上述網(wǎng)袋置于裝有二甲苯和環(huán)己烷溶液的燒瓶中，完全浸沒，燒瓶于150℃油浴中加熱12h；第四，取出網(wǎng)袋，用無水乙醇清洗，并將網(wǎng)袋置于真空烘箱中烘干，稱取質(zhì)量M3；第五，根據(jù)公式（1）計(jì)算得出交聯(lián)聚乙烯試樣的交聯(lián)度C。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，每種試樣各取三片進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，最后求取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 介電性能

試樣A～D 的介電常數(shù)和介電損耗值見表1。

表1 不同試樣的介電常數(shù)和介電損耗值Table 1 Dielectric constant and dielectric loss of different samples

根據(jù)國標(biāo)要求，用于電纜的絕緣材料的介電常數(shù)值必須要≤2.3，而介電損耗的數(shù)值必須要≤5×10-4。由表1 中的數(shù)據(jù)可以明顯看出，試樣A～D 的介電常數(shù)和介電損耗數(shù)值都達(dá)到了國標(biāo)的要求，但是從介電常數(shù)看，國產(chǎn)的交聯(lián)聚乙烯絕緣料制備的試樣B～D 的介電常數(shù)均為2.3，而進(jìn)口交聯(lián)聚乙烯絕緣料制備的試樣A 的介電常數(shù)值為2.25，雖然差別不大，但是進(jìn)口交聯(lián)聚乙烯絕緣料的介電常數(shù)稍微較??；從介電損耗來看，國產(chǎn)的交聯(lián)聚乙烯絕緣料制備的試樣B～D 的介電損耗雖然都符合國標(biāo)的要求，但是其數(shù)值明顯要高于進(jìn)口交聯(lián)聚乙烯絕緣料制備的試樣A。說明，國產(chǎn)的交聯(lián)聚乙烯絕緣料內(nèi)部雜質(zhì)含量可能相對(duì)較高，在生產(chǎn)過程中需要進(jìn)一步提高純度。

2.2 DSC 測試

對(duì)試樣A～D 進(jìn)行DCS 測試后，得到試樣的DSC 結(jié)晶曲線（圖1）和熔融曲線（圖2），以及表2 所示試樣A～D 的結(jié)晶參數(shù)。

圖1 試樣A～D 的結(jié)晶曲線Fig. 1 Crystallization curve of sample A～D

圖2 試樣A～D 的熔融曲線Fig. 2 Melting curves of sample A～D

表2 試樣A～D 的結(jié)晶參數(shù)Table 2 The crystallization parameters of sample A～sample D

由圖1、圖2 以及表2 中的數(shù)據(jù)可知，四種試樣的熔融溫度基本相同，約為107℃，且四種試樣的宏觀結(jié)晶度相差也不明顯，基本都在35% 以上。而試樣D 的結(jié)晶度最低，且初始熔融溫度也最低，說明相對(duì)于其他3個(gè)試樣來說，試樣D 的結(jié)晶不完善。另外試樣D 的熔程也較長，說明試樣D 中可能存在較多的交聯(lián)副產(chǎn)物。試樣A 結(jié)晶度最大以及熔程最短，說明其結(jié)晶較為完善?？偟脕碚f，進(jìn)口的交聯(lián)聚乙烯絕緣料制備的試樣的結(jié)晶相對(duì)于國產(chǎn)的交聯(lián)聚乙烯絕緣料制備的試樣而言結(jié)晶度更為完善，在這一方面，國產(chǎn)聚乙烯絕緣料仍具有較大的優(yōu)化空間。

2.3 交聯(lián)度測試結(jié)果與分析

在對(duì)四種試樣進(jìn)行索氏萃取實(shí)驗(yàn)后，所得到的測試結(jié)果見表3。

表3 四種試樣的交聯(lián)度(%)Table 3 Crosslinking degree of four samples

由表3 中的數(shù)據(jù)可以看出，試樣D 的交聯(lián)度約為86.33%，而試樣A～C 的交聯(lián)程度較小，其中試樣A 的交聯(lián)度最小。一方面交聯(lián)度越大越容易導(dǎo)致分子在交聯(lián)點(diǎn)位置發(fā)生氧化反應(yīng)導(dǎo)致分子鏈斷裂，另一方面，交聯(lián)度越大說明交聯(lián)副產(chǎn)物可能越多。綜合來說，交聯(lián)度越大材料性能反而越差。

從上述各項(xiàng)性能的測試結(jié)果來看，進(jìn)口的和國產(chǎn)的交聯(lián)聚乙烯絕緣料相差并不大，但是試樣A 即進(jìn)口交聯(lián)聚乙烯絕緣料制備的電纜的綜合性能優(yōu)于國產(chǎn)的三種交聯(lián)聚乙烯絕緣料制備的電纜，國產(chǎn)的絕緣料仍舊存在不足，各方面性能還有待提高。

3 結(jié)語

絕緣材料的介電性能、結(jié)晶性能等各項(xiàng)性能對(duì)于電纜輸送功率和輸送電壓的等級(jí)有直接的影響，幾乎對(duì)于電纜的優(yōu)劣有著決定性的作用。交聯(lián)聚乙烯絕緣料是目前在電纜中應(yīng)用性能較好、使用最多的材料，對(duì)其物理化學(xué)性質(zhì)的性能評(píng)估和研究對(duì)于電纜整體性能提升有重要意義。本文分析了進(jìn)口和國產(chǎn)交聯(lián)聚乙烯絕緣料的性能差異，對(duì)于國產(chǎn)交聯(lián)聚乙烯絕緣料的進(jìn)一步改善和研究有參考意義，對(duì)于未來的研究方向有一定的指導(dǎo)作用。