纳米氧化镁聚丙烯复合绝缘材料的制备及其性能.docx

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1、高考纳米氧化镁聚丙烯复合绝缘材料的制备及其性能（1.某某交通大学化学化工学院高分子科学与工程系，某某200240；2.某某市电气绝缘与热老化重点实验室，某某200240；3.某某电缆研究所，某某200093）作者:江平开，孙小金，黄宇，卜晶，X军，吴长顺摘要：与传统的电缆材料交联聚乙烯（XLPE）相比，聚丙烯（PP）不仅具有良好的电气性能，而且可循环利用，且其耐热性能好，因此受到研究者的广泛关注。故尝试选用聚丙烯作为基础树脂材料，同时探究添加纳米氧化镁（MgO）对聚丙烯绝缘性能的影响。选择嵌段共聚和均聚两种聚丙烯基础树脂材料，分别将质量分数为0.5%、

2、1%、2%、3%的纳米氧化镁添加到PP中，综合不同样品的直流(DC)击穿场强等多因素，发现1%为纳米MgO的最佳添加量。再用两种不同的工序将质量分数为1%的纳米MgO和质量分数为5%的乙烯−辛烯弹性体（POE）加入到质量分数为95%的PP基体中，并与纯净的PP和PP与POE的共混物做对照。然后对样品的微观形貌、力学性能及电学性能进行表征。研究结果表明：纳米MgO加入到PP中，会起到异相成核剂的作用，减小PP内球晶的尺寸，且会诱导β晶生成；在PP中添加纳米MgO能大大降低其空间电荷密度，但对其力学性能影响不大；添加纳米MgO的PP直流击穿场强和直流叠加冲

3、击电压与交联聚乙烯（XLPE）比较没有明显的差别。由此可知，可回收的热塑性聚丙烯高压直流电缆是未来高压直流电缆的一种新选择。 高考关键词：直流电缆；纳米改性；嵌段共聚聚丙烯；均聚聚丙烯；空间电荷；击穿特性 0引言高压直流输电作为智能电网输电环节最重要的发展方向，是未来的发展趋势。高压直流塑料电缆是直流输电的关键设备之一。相比于油纸绝缘电缆，高压直流塑料电缆具有制造工艺简单、敷设和维护方便、介电性能好、抗化学腐蚀等优势，因此研究和开发直流塑料电缆对直流输电至关重要[1-4]。 研制塑料绝缘电缆最大的困难就是绝缘中的空间电荷问题。聚合物材料的低电导率特性使

4、得内部积聚的空间电荷难以扩散，从而引起局部电场严重畸变，尤其是当满负荷运行中存在温度梯度效应时，此现象更为严重，从而大大降低了电缆的使用寿命[5]。一般来讲，聚合物中空间电荷主要有两部分组成：一部分是在低电场强度作用下，由杂质电离发生迁移造成的，称为异极性电荷，即靠近阴极处为正电荷，靠近阳极处为负电荷；另一部分是在高电场强度作用下，由电极注入的可迁移和入陷的载流子引起的，称为同极性电荷，即靠近阳极处为正电荷，靠近阴极处为负电荷。这些空间电荷的存在会对聚合物的局部电场造成畸变，从而使聚合物的导电性和击穿性能发生改变[6-8]。 20世纪90年代末，日本学

5、者研究发现，nm级无机粉体与交联聚乙烯（XLPE）复合，可以明显抑制空间电荷，但会严重影响材料的可加工性和脉冲击穿场强[9]。2008高考年日本学者提出的纳米氧化镁（MgO）粒子添加剂已成功用于超高压电缆的研发[10]。当聚合物材料中添加纳米粒子后，纳米粒子与聚合物之间会形成很多界面，这些界面会间接影响载流子的迁移。另一方面，纳米粒子的加入会影响复合材料介质内部载流子的浓度[11-12]。纳米粒子特有的表面界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应等，可以有效地改善材料中的电荷积聚和场强畸变现象[13]。 目前国际高压直流输电电缆绝缘材料均采用XLPE[14]

6、，而XLPE为热固性树脂，具有非可塑性、不可回收利用、不符合环境友好的要求等缺点。2015年2月，ABB公司公布了聚丙烯（PP）用于制备高压交、直流电缆的国际专利，而纳米MgO复合XLPE的250kV电压等级直流电缆已经在日本使用了4a时间。500kV电压等级的纳米MgO复合XLPE直流电缆也已经通过了预鉴定试验，但尚待商业化。PP与XLPE一样，具有优良的力学和电绝缘性能，耐化学腐蚀性及耐热性好，热变形温度高，也已经用于10kV电压等级以下的电力电缆。此外，PP还具有可回收的环保特性，因此，在欧洲引起了高度重视，特别是在高压电缆中的应用。 本文尝试选

7、用热塑性树脂PP经纳米改性后，进行高压直流下材料电性能的研究。首先，为了改善PP高结晶导致的低温冲击韧性差的问题，本文选择乙烯−辛烯弹性体（POE）作为改性剂，添加在PP中起到协同增韧[15-16]的作用。其次，为了改善材料中空间电荷积累问题，本文研究了通过加入纳米MgO进行选择性分散，来抑制和降低PP的空间电荷密度的方法。1实验部分1.1试样制备高考为了模拟电缆和材料制备的真实过程，本文选择双螺杆挤出机混合、挤出、造粒和单螺杆挤出自然冷却成型方式。首先将纳米MgO、嵌段共聚PP、均聚PP及POE置于于60℃下的温度条件下干燥24h；通过双螺杆挤出机（

8、德国BerstorffGmbH的ZE25A挤出机）加工成MgO/聚合物母粒，再次挤出加工成含一