电缆用交联聚乙烯绝缘料性能实验研究

张 岩，卫荣刚，马贵荣

( 朔黄铁路发展有限责任公司原平分公司，山西原平 034100)

随着城市化进程的加快，城市中所需的电力日益增加。为了满足日益增加的用电需求，需要大力推进电网建设［1-2］。而传统的输电系统以架空线为主，需要较大面积的输电走廊，另外，架空线错综复杂影响城市美观。电缆的出现巧妙地解决了这些问题，并且电缆的输电性能安全稳定、不需要频繁维护，成为城市化发展中电网建设的关键。交联聚乙烯是电缆中主要的绝缘材料，由低密度的线性聚乙烯分子链通过物理或者化学方法连接而成的三维网状结构，由热塑性的线性聚乙烯变为热固性交联聚乙烯，具有优异的绝缘性能、机械性能、电气性能，耐热性、耐老化、耐腐蚀性能好，具有良好的抗蠕变性，是制备电缆的绝佳材料［3-6］。改革开放以来，我国的各项技术能力水平虽然已经得到了较好的提升，具备了制造高压交流、直流电缆的能力，但是相较于发达国家，我国在交联聚乙烯电缆绝缘料方面的研发水平仍然处于落后水平，部分电缆的绝缘料依旧需要进口，因此，亟需提升我国研发交联聚乙烯电缆绝缘料的能力水平［7-8］。交联聚乙烯绝缘料的交联度、微观结构、结晶性能等是影响其性能的主要指标，为此，本文选取了几种不同的交联聚乙烯绝缘料，并对其进行了介电常数与介电损耗、差示扫描量热、交联度等测试，对比分析了几种交联聚乙烯绝缘料的性能参数，对于我国电缆用交联聚乙烯绝缘料的研发以及改善具有重要意义。

1 实验部分

1.1 试样的制备

本实验中选取了一种进口电缆的交联聚乙烯绝缘料，三种国内的由不同厂家生产的电缆交联聚乙烯绝缘料。在试样制备前，需要将这四种交联聚乙烯绝缘料置于温度为70℃的真空干燥箱中12h，进行烘干预处理。然后称取相同质量的四种交联聚乙烯绝缘料，分别置于同一平板硫化机上，进行热压15MPa 条件下交联制备片状试样，将这四种试样分别命名为试样A、试样B、试样C和试样D，其中，试样A 为进口交联聚乙烯绝缘料制备的电缆试样。

1.2 介电常数与介电损耗测试

介电性能是指在电场作用下，材料所表现出对静电能的储蓄和损耗的性能，一般用介电常数和介质损耗两种参数进行表示。交联聚乙烯绝缘料在电缆中的应用与其介电性能有着直接的关系，因此，研究其在电缆中的应用性能需要对其进行介电常数与介电损耗测试。本文采用瑞士 Tettex 2821 型西林电桥对上述四种试样进行介电性能的测试，试样的厚度均为0.3mm，其中，每种试样各取三片进行重复实验，最后求取平均值。

1.3 DSC 测试

DSC 即差示扫描量热法，是一种在程序控制温度下，记录样品和参比物之间的功率差与温度关系的一种方法，主要用于研究高聚物结晶度、样品纯度等。交联聚乙烯属于半结晶聚合物，其分子结构内部含有晶区和非晶区，分子中晶界对于电荷的输运有一定的影响，聚集态结构是否完善对于材料的介电性能有着直接的影响，因此研究交联聚乙烯绝缘料的DSC 曲线有重要意义。本文采用瑞士 Mettler 公司型号为 822e 的差示扫描量热仪，在氮气保护条件下测得4 种试样的DSC 曲线。测试过程中，试样的质量为5～8 mg，测试的温度范围为25～200 ℃，试样在温度为30℃条件下恒温5min，以消除试样的热历史峰，然后以10℃/min 的升温速率升温至200℃，保温5min，然后再以 10℃/min 降温速率降温至 30℃，以上述步骤完成升温- 降温- 升温的环节，最终得到试样的DSC 曲线。

1.4 交联度的测试

交联度是指样品中交联部分所占试样总体质量的百分比。材料的交联度对于其结晶性能、机械性能、热性能、电气性能等有直接的影响，交联程度越高，说明材料的分子结构可能含有的叔氢越多，表明材料容易在交联点发生氧化反应而导致分子链断裂，影响材料的使用性能以及老化性能，因此，对于试样交联程度的测定有重要作用。在测定交联聚乙烯试样的交联度时，选择与其溶解度相似的溶剂进行实验，实验时，交联的聚乙烯只会发生溶胀现象不会发生溶解，而未交联的聚乙烯会发生溶解。实验中通过索氏萃取法利用交联聚乙烯的这一特性进行交联度的测定。具体的实验步骤为，第一，制备不易被溶剂腐蚀的不锈钢网袋并称取质量M1；第二，称取质量为0.2g 左右的试样放于步骤一中的网袋中，称取总质量为M2；第三，将上述网袋置于装有二甲苯和环己烷溶液的烧瓶中，完全浸没，烧瓶于150℃油浴中加热12h；第四，取出网袋，用无水乙醇清洗，并将网袋置于真空烘箱中烘干，称取质量M3；第五，根据公式（1）计算得出交联聚乙烯试样的交联度C。为了保证实验结果的可靠性，每种试样各取三片进行重复实验，最后求取平均值。

2 结果与讨论

2.1 介电性能

试样A～D 的介电常数和介电损耗值见表1。

表1 不同试样的介电常数和介电损耗值Table 1 Dielectric constant and dielectric loss of different samples

根据国标要求，用于电缆的绝缘材料的介电常数值必须要≤2.3，而介电损耗的数值必须要≤5×10-4。由表1 中的数据可以明显看出，试样A～D 的介电常数和介电损耗数值都达到了国标的要求，但是从介电常数看，国产的交联聚乙烯绝缘料制备的试样B～D 的介电常数均为2.3，而进口交联聚乙烯绝缘料制备的试样A 的介电常数值为2.25，虽然差别不大，但是进口交联聚乙烯绝缘料的介电常数稍微较小；从介电损耗来看，国产的交联聚乙烯绝缘料制备的试样B～D 的介电损耗虽然都符合国标的要求，但是其数值明显要高于进口交联聚乙烯绝缘料制备的试样A。说明，国产的交联聚乙烯绝缘料内部杂质含量可能相对较高，在生产过程中需要进一步提高纯度。

2.2 DSC 测试

对试样A～D 进行DCS 测试后，得到试样的DSC 结晶曲线（图1）和熔融曲线（图2），以及表2 所示试样A～D 的结晶参数。

图1 试样A～D 的结晶曲线Fig. 1 Crystallization curve of sample A～D

图2 试样A～D 的熔融曲线Fig. 2 Melting curves of sample A～D

表2 试样A～D 的结晶参数Table 2 The crystallization parameters of sample A～sample D

由图1、图2 以及表2 中的数据可知，四种试样的熔融温度基本相同，约为107℃，且四种试样的宏观结晶度相差也不明显，基本都在35% 以上。而试样D 的结晶度最低，且初始熔融温度也最低，说明相对于其他3个试样来说，试样D 的结晶不完善。另外试样D 的熔程也较长，说明试样D 中可能存在较多的交联副产物。试样A 结晶度最大以及熔程最短，说明其结晶较为完善。总得来说，进口的交联聚乙烯绝缘料制备的试样的结晶相对于国产的交联聚乙烯绝缘料制备的试样而言结晶度更为完善，在这一方面，国产聚乙烯绝缘料仍具有较大的优化空间。

2.3 交联度测试结果与分析

在对四种试样进行索氏萃取实验后，所得到的测试结果见表3。

表3 四种试样的交联度(%)Table 3 Crosslinking degree of four samples

由表3 中的数据可以看出，试样D 的交联度约为86.33%，而试样A～C 的交联程度较小，其中试样A 的交联度最小。一方面交联度越大越容易导致分子在交联点位置发生氧化反应导致分子链断裂，另一方面，交联度越大说明交联副产物可能越多。综合来说，交联度越大材料性能反而越差。

从上述各项性能的测试结果来看，进口的和国产的交联聚乙烯绝缘料相差并不大，但是试样A 即进口交联聚乙烯绝缘料制备的电缆的综合性能优于国产的三种交联聚乙烯绝缘料制备的电缆，国产的绝缘料仍旧存在不足，各方面性能还有待提高。

3 结语

绝缘材料的介电性能、结晶性能等各项性能对于电缆输送功率和输送电压的等级有直接的影响，几乎对于电缆的优劣有着决定性的作用。交联聚乙烯绝缘料是目前在电缆中应用性能较好、使用最多的材料，对其物理化学性质的性能评估和研究对于电缆整体性能提升有重要意义。本文分析了进口和国产交联聚乙烯绝缘料的性能差异，对于国产交联聚乙烯绝缘料的进一步改善和研究有参考意义，对于未来的研究方向有一定的指导作用。