聚乙烯抗水樹絕緣材料的制備及抑制機(jī)理研究.pdf

1、聚乙烯具有優(yōu)良的電氣性能、物理力學(xué)性能和化學(xué)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(xué)性能、耐環(huán)境應(yīng)力龜裂、耐熱老化的性能、耐化學(xué)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(zhǎng)期使用時(shí)會(huì)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(lái)，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(shì)，并不斷造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，因此水樹枝現(xiàn)象已成為電力電纜安全運(yùn)行的重大隱患。為了延長(zhǎng)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(yùn)行。本論文根據(jù)過(guò)氧化物交聯(lián)、硅烷交聯(lián)方法及水樹生長(zhǎng)特點(diǎn)研究復(fù)合交聯(lián)對(duì)聚乙烯或交聯(lián)聚乙烯進(jìn)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(zhǎng)的效果和對(duì)聚乙烯或交聯(lián)聚乙烯接枝硅烷改性的水樹抑制機(jī)理。同時(shí)，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(duì)交聯(lián)聚乙烯的抗水樹性能、介電性能、力學(xué)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(zhǎng)的機(jī)理以及極性共聚物與非極性彈性體對(duì)水樹的協(xié)同抑制效果。
　　本文對(duì)硅烷接枝聚乙烯的水樹抑制機(jī)理進(jìn)行了探討和分析，同時(shí)考察了硅烷接枝改性與極性共聚物對(duì)聚乙烯的協(xié)同水樹抑制作用。通過(guò)對(duì)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(guò)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(guò)氧化物交聯(lián)與硅烷交聯(lián)方法的優(yōu)缺點(diǎn)采用復(fù)合交聯(lián)對(duì)聚乙烯進(jìn)行抗水樹改性，系統(tǒng)研究了硅烷接枝改性過(guò)氧化物交聯(lián)聚乙烯后的抗水樹、親水性、介電和力學(xué)性能。結(jié)果表明，硅烷接枝改性過(guò)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(xué)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(guò)氧化物引發(fā)聚乙烯交聯(lián)時(shí)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(guò)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(huì)增加共混物的介電損耗，這對(duì)作為電纜絕緣層使用的材料來(lái)說(shuō)是一個(gè)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(duì)XLPE進(jìn)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(xué)強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率，而且XLPE/SEBS共混物的介電損耗也未有太大影響。通過(guò)對(duì)XLPE和XLPE/SEBS共混物的凝膠含量的研究發(fā)現(xiàn)，SEBS能夠促進(jìn)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(duì)XLPE的交聯(lián)的增強(qiáng)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(zhǎng)機(jī)理，本文也研究了SEBS與EVA同時(shí)作為水樹抑制添加劑對(duì)交聯(lián)聚乙烯水樹抑制性能的協(xié)同影響，當(dāng)SEBS含量為15phr與EVA含量為1.0phr時(shí)，共混物的相對(duì)水樹長(zhǎng)度降到41％。
　　本文對(duì)不同種類的非極性添加劑對(duì)XLPE進(jìn)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(jī)理，同時(shí)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(duì)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(shí)，XLPE/EPDM或XLPE/SEBS共混物仍然能保持較好的力學(xué)性能。XLPE/EPDM或XLPE/SEBS共混物的凝膠含量和SEM證明EPDM或SEBS促進(jìn)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(guò)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(duì)XLPE的交聯(lián)程度的增強(qiáng)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(duì)聚乙烯的熔融和結(jié)晶溫度沒(méi)有明顯的影響。同時(shí)對(duì)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(jìn)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(chǎng)

10、頻率對(duì)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(duì)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(shí)探討了不同環(huán)境溫度條件下水樹生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)行為，采用修正分形理論探討了水樹生長(zhǎng)機(jī)理。提出了打磨試樣加速老化試驗(yàn)評(píng)估方法，引用有限元電場(chǎng)分析結(jié)果論證評(píng)估方法的優(yōu)越性。
　　本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新之處:

11、>　　(1)本文集合過(guò)氧化物交聯(lián)與硅烷交聯(lián)方法的抗水樹特點(diǎn)采用復(fù)合交聯(lián)對(duì)聚乙烯進(jìn)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(xué)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(zhǎng)的機(jī)理。
　　(2)本文研究比較SEBS與EPDM等非極性添加劑對(duì)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(zhǎng)，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(zhǎng)的一個(gè)因素，提出了抑制水樹生長(zhǎng)的電壓穩(wěn)定劑的水樹抑制機(jī)理。同時(shí)，探討了極性添加劑和非極性彈性體對(duì)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(zhǎng)的機(jī)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(guò)對(duì)馬來(lái)酸酐接枝EPDM親水性改性也