研究背景
交联聚乙烯（XLPE）电力电缆因其优异的电气性能、力学性能以及耐热性能等特点，基本取代了油纸电缆。然而XLPE电缆交联工艺复杂，生产耗时久，脱气耗能大。同时，XLPE为热固性材料，电缆在退役后难以被再次加工利用，大多通过焚烧或掩埋处理，对环境造成严重的破坏。年巴黎气候大会举办后，环保节能理念成为全球性趋势，世界各国的电缆行业也开始进行了低碳环保、材料创新以及回收再循环利用等研究工作。同时“碳达峰”和“碳中和”目标的提出，更进一步要求我们开发新型节能环保的电力电缆材料。
热塑性聚丙烯（PP）材料不需要交联和脱气处理，生产中能耗小，可以大幅降低碳排放，在环保方面展现出很大的潜力。研究表明，PP材料具有较高的电气强度和体积电阻率，然而也存在着一些缺陷，影响着聚丙烯电缆的应用。
本文以中压PP电缆和XLPE电缆为研究对象，对电缆进行环切切片处理，通过对切片试样进行熔融结晶、X射线衍射和傅里叶红外光谱等微观结构表征测试，并对力学性能、工频击穿特性和介电常数等宏观性能进行测试分析，结合微观结构研究PP绝缘和XLPE绝缘宏观性能的差异性，进一步讨论PP材料应用于中压电缆的可能性。
研究内容本研究所用电缆绝缘试样均取自江苏上上电缆集团生产的中压PP电缆和XLPE电缆。中压PP电缆已通过型式试验，XLPE电缆为成熟产品。PP电缆的绝缘料为北京燕化石化公司生产（乙烯片段的含量为20%～30%），在石化装置中添加催化剂、抗氧剂、乙烯等直接合成得到，简化了工艺，同时减少了生产过程中杂质的进入，保证了绝缘料的洁净度。
通过DSC和XRD实验发现PP中不存在乙烯的单独结晶过程，但是红外傅里叶光谱能检测到乙烯分子链段在结晶区域的摇摆振动，说明在PP分子链上穿插乙烯链段，这些乙烯片段不会单独结晶，主要嵌在PP的结晶区域中，以一种缺陷的形式存在。嵌段共聚物中由于乙烯分子的插入，使得PP的球晶结构被破坏，生成的晶体尺寸小，球晶界面模糊，这种结构使得PP具有较好的抗冲击性能，同时能较好地降低PP的弹性模量。
▲图1试样的熔融曲线
▲图2试样的FTIR图谱
PP的韧性较差、刚性大等问题是制约其应用到电缆绝缘材料的重要原因。本研究对生产的中压PP电缆和XLPE电缆进行拉伸试验，结果如表1所示，应力应变曲线如图3所示。
▼表1试样的力学性能
▲图3试样的应力-应变曲线
从图3可以看出，PP和XLPE的斜率相差不大，拉伸曲线的初始阶段斜率可以表征材料的弹性模量，能一定程度上反映材料的柔韧性。本研究的PP具有较高的断裂伸长率，有利于降低PP电缆在安装过程中的施工难度。
从PP和XLPE试样的介电常数和介质损耗因数随温度变化曲线（图4）可以看出，PP和XLPE的介电常数和介质损耗因数在20～90℃变化不大，其中20℃下PP和XLPE的介质损耗因数分别为3.4×10-4和3.8×10-4，90℃下的介质损耗因数分别为5.6×10-4和4.9×10-4，符合标准要求。
▲图4试样介电常数和介质损耗因数随温度变化曲线
▼表2不同温度击穿试验的Weibull参数
从表2可以看出，PP击穿试验的形状参数整体要大于XLPE，数据的分散性更小，这与PP中晶体的尺寸分布均匀相关。20℃下PP与XLPE的电气强度相差不大。温度升高到90℃，XLPE的电气强度相较于20℃下降了49.4%；PP的电气强度为相较于20℃下降了29.8%，且高于XLPE。这是由于PP中晶体的分布尺寸更为均匀，熔点更高，在高温下具有更好的稳定性。正常工作温度下，较高的电气强度有利于保证电缆的正常运行。当温度达到℃以及℃，XLPE已经软化，无法进行击穿试验，而PP具有较高的熔点温度（.47℃），依然保持着较高的电气强度，这对后期聚丙烯电缆的推广应用以及提高电缆的最高运行温度具有较大意义。在聚丙烯中引入乙烯链段，材料内部会产生深陷阱，导致电导电流随外加电场强度变化（j-E）曲线的阈值场强增加，即碰撞可电离的载流子增加。同时，深陷阱的增加也会降低载流子迁移率，载流子迁移过程中获得的能量减少，从而提高了电气强度。研究结论
（1）直接合成PP的分子链上穿插了乙烯链段，导致PP材料的熔点降低，但仍远高于XLPE的熔点。乙烯链段会参与到PP的结晶过程中，但不会单独结晶，PP晶体的尺寸分布更均匀。
（2）合成过程中插入的乙烯链段，改善了PP的力学性能，断裂伸长率为%，高于XLPE的断裂伸长率%。
（3）PP的介电常数随温度变化不明显，其20℃和90℃的介质损耗因数分别为3.4×10-4和5.6×10-4。PP的电气强度随温度变化小，常温下的电气强度达到.3kV/mm，90℃下的电气强度为91.5kV/mm。较高的熔点和电气强度使其具有应用于更高工作温度环境的可能性。
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本文发布在《绝缘材料》年第3期，
