关键词：
聚丙烯
电力电缆
β成核剂
热老化
微观结构
电学性能
摘要：
交联聚乙烯(Cross-linked polyethylene,XLPE)是目前高压直流电缆的主流绝缘材料,但存在交联工艺复杂、生产能耗高、无法回收利用、交联副产物引发空间电荷积聚等问题。而聚丙烯(polypropylene,PP)因无需交联、生产能耗低、环保可回收等优点,在替代XLPE成为高压直流电缆绝缘材料方面,具有巨大的潜力。目前,对于稀土类β成核剂的聚丙烯改性研究较少,且大多数研究都未进行任何老化实验,考虑到实际工况中热氧老化因素的研究更是鲜有。为此,本文通过添加β成核剂对等规聚丙烯进行改性,在β成核剂对PP绝缘材料微观结构和介电性能的影响以及改性PP绝缘材料的热老化特性方面进行了相关研究。
首先,在等规聚丙烯颗粒中添加0.1%、0.3%、0.5%、1.0%质量比的WBG-II型β成核剂制备PP薄膜试样,采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、差示扫描量热(DSC)和X射线衍射(XRD)等测试手段对试样的微观结构进行表征。结果表明:β成核剂未对PP分子结构产生明显的影响,但显著提高了PP试样中β晶型的含量,细化了球晶,提高了结晶度和熔融温度。当β成核剂含量达到0.5%时,β晶型含量达到峰值83.7%,结晶度提高至54.73%,相较于纯PP试样的结晶度提高了29.9%。但当成核剂含量达到1.0%时,成核剂团聚减少了成核剂与PP接触的有效面积,抑制了异相成核过程,β晶型含量开始降低,结晶度和熔融温度也出现下降。
其次,采用介电响应特性测试、电导电流特性测试、空间电荷分布特性测试、直流击穿试验等测试手段对试样的介电性能进行表征。结果表明:β成核剂的加入可提高PP试样的相对介电常数、空间电荷注入阈值场强和直流击穿场强,降低了空间电荷积聚量。当成核剂比重为0.5%时,阈值场强达到最高,为19.59 k V/mm,相比纯PP试样提高了30.5%;直流击穿场强为267.17 k V/mm,相比纯PP试样提高了50.1%。β成核剂改性对介电性能的改善可归结为结晶度和β晶型含量的提高以及球晶的细化。结晶度和β晶型含量的提高引入更多的深陷阱,降低了电导电流,提高了空间电荷注入阈值场强;球晶的细化可进一步降低载流子的自由行程,提高直流击穿场强。当成核剂含量过高时,成核剂出现团聚,PP试样的介电性能开始出现下降。
最后,针对成核剂比重为0.5%的PP试样在135℃进行加速热氧老化,并对老化试样的微观结构和介电性能进行表征。结果表明:热老化会使得PP试样内老化产物增大,羰基指数增大。整个老化过程可分为重结晶阶段和热氧老化阶段。在重结晶阶段,重结晶使得分子链排布更加规整,试样的结晶度和熔融温度提高;在热氧降解阶段,氧化反应导致的分子链断裂使得PP晶体结构被破坏,试样的结晶度和熔融温度降低,试样内部陷阱深度降低,并且产生大量的极性基团,导致电荷更易注入试样内部,空间电荷抑制能力减弱,阈值场强和直流击穿场强也会随老化时间的增加而减小,直流电导增加,介电常数和介电损耗增大。PP微观结构出现劣化,介电性能有所下降。
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