高压电缆材料用聚丙烯复合材料的制备及性能

高压电缆材料用聚丙烯复合材料的制备及性能

薛虹

身份证号：320282198309134864

摘要：聚丙烯在绝缘电缆中的应用广泛，但在长期腐蚀环境下服役后易产生绝缘性变差、力学强度降低等问题，而通过掺加纳米碳酸钙实现改性处理，可改善其绝缘性能。为此，基于聚丙烯与碳酸钙无机纳米粒子等材料制备了不同配比的聚丙烯复合材料，并对其相关性能开展分析。

关键词：纳米碳酸钙；聚丙烯复合材料；高压电缆；性能

引言

高压电缆通常使用聚丙烯复合材料作为绝缘材料，聚丙烯复合材料具有良好的电绝缘性能、耐化学腐蚀性能和机械强度，因此适用于高压电缆的绝缘层。聚丙烯复合材料在电力传输和分配领域中广泛应用，能够有效保护电缆内部导体的安全运行。聚丙烯(PP)材料是绝缘电缆中常用材料之一，其耐热性能良好、电气性能优异。但处于自然环境条件下的电缆在长时间服役过程中会受到雨水、阳光等因素影响，导致材料力学强度降低、绝缘性能变弱。因而需要对PP材料进行改性，以提高其抗腐蚀性、绝缘性以及力学强度等特性。

1.性能测试与表征

以GB/T10247—1988《黏度测试方法》为基准进行黏度测试，使用旋转法，测试温度区间为30~80℃，恒温15min。设定N2气氛、25~625℃条件，采用TG仪进行热分析。

环境条件设置为50%湿度，样品直径为4cm，调节频率为1~105Hz，在25℃测试温度下开展介电性能测试。

以GB/T1408.1—2006《绝缘材料电气强度试验方法第1部分：工频下试验》为基准开展击穿强度测试，电压以20kV为起点，逐渐加压至样品击穿为止。

以ISO527-2—2012《注塑和挤压成型塑料制品的试验条件》、ISO527-1—2019《塑料拉伸性能的测定第1部分：一般原则》为基准开展力学性能测试，测试过程中拉伸速率设置为2mm/min。

以GB/T7141—2008《塑料热老化试验方法》为基准进行耐热空气老化性能测试，设备选用电热恒温鼓风干燥机，调节温度至160℃，放入样品并静置48h，完成老化处理后，再开展击穿强度测试和拉伸性能测试。

以GB/T1690—2010《硫化橡胶或热塑性橡胶耐液体试验方法》为基准开展耐酸碱腐蚀性能测试，测试过程中配制质量分数40%的氢氧化钠和质量分数20%的盐酸，放入样品后在100℃温度条件下进行48h反应，反应完成后取出样品，对样品进行击穿强度、拉伸强度测试并记录对比试验数据。

2.结果与分析

2.1黏度—温度曲线

图1不同PP复合材料的黏度—温度关系

材料属性和黏度之间存在密切关联，材料种类 不同，黏度将表现出显著差异，以此为基础，可以判断是否成功制备PP复合材料。不同PP复合材 料的黏度、温度之间变化关系如图1所示。

由图1可知，不同PP复合材料的黏度随温度提升而下降，其中纯PP材料黏度相对最低，而加入POE后，POE和PP形成共熔体的材料黏度有所提升。加入CaCO3后，作为无机纳米粒子的CaCO3使得材料黏度显著增大，由图1可知，PP-4的黏度在30℃下达到5419Pa·s，为最高值。PP-3、PP-4之间的黏度差异并不大，其原因在于PP基体掺入大量纳米粒子后，黏度已经接近峰值。由图1可知，各个材料之间黏性存在显著差异，因而认定PP复合材料制备成功。

2.2热稳定性能

不同PP复合材料的TG曲线如图2所示。由图2可知，PP-1最大质量损失温度为370℃，热分解温度最低。原因是POE有着较低的热分解温度，掺入PP后，使得材料热分解温度下降。PP-0最大热分解温度为380℃，热分解温度比PP-1更高。PP-4、PP-3和PP-2在温度处于380~530℃期间没有发生明显质量损失，这说明在该条件下POE和PP不再分解；而当温度达到530℃以上时，无机纳米粒子CaCO3逐渐分解并形成CO2和CaO。无机纳米粒子的热稳定性较高，因而PP复合材料中掺入CaCO3后热稳定性会有所提升。

图2不同PP复合材料的TG曲线

2.3介电常数

不同PP复合材料的介电常数如图3所示。由图3可知，未加入其他成分的PP-0的介电常数最低，最小值为2.33，而加入POE后，PP复合材料的介电常数有所提升。究其原因主要是POE自身极性强，具有比PP更大的介电常数。加入CaCO3后，材料介电常数显著升高，且随着CaCO3掺加量的提升而表现出先增加、后降低的趋势。其中，PP-3的介电常数达到3.12，为最大值。CaCO3较于POE、PP而言，自身体积电阻率较大，因而具有更高的介电常数。然而当CaCO3粒子含量超出一定数值后，纳米粒子团聚效应会导致复合物的介电常数下降，如PP-4。总体而言，PP-3的绝缘性能相对较高。

图 3 不同PP复合材料的介电常数

2.4击穿强度

图4为不同PP复合材料的击穿强度。由图4可知，相较于直流电场击穿强度，交流电场下击穿强度更高，其原因在于直流电压下，塑料电缆会产生记忆效应，引发直流偏压，这一偏压需要经过一段时间释放，而击穿试验持续过程中，直流偏压与工作电压发生协同效应，导致电缆承受电压大于额定值，提高了击穿可能性。PP-4、PP-3、PP-2的击穿强度都得到显著提升，原因在于CaCO

3掺入PP复合材料后，材料介电常数升高，绝缘性能显著提升，导致直流电场、交流电场的击穿强度显著提升。其中，PP-3交流击穿强度为62.3kV/mm，直流击穿强度为48.9kV/mm。可以看出，击穿电场强度测试所得结果印证了介电常数测试所得结果，两次试验结果均表明PP-3具有更好的绝缘性能。结合GB/T8815—2008规定来看，20kV/mm是电缆材料对于击穿强度的要求，而PP-3能够有效满足该要求。

图4  不同PP复合材料的击穿强度

2.5拉伸强度

PP复合材料用于电缆时，其拉伸性能对现场 使用效果有着重要影响。试验所得PP复合材料的 拉伸强度如图5所示。由图5可知，PP复合材料的拉伸强度随CaCO3含量的增加而下降，其原因在于CaCO3纳米粒子未经过改性处理，和基体之间存在空隙，相容性弱，而当CaCO3含量过高时，PP基体和粒子之间的结合效果更差。结合GB/T8815—2008可知，电缆材料的拉伸强度应当在15MPa以上，而PP-4、PP-3的拉伸强度分别为14.2、16.4MPa，可见PP-4不符合电缆材料力学性能要求，PP-3符合电缆材料力学性能要求。

图5  不同PP复合材料的拉伸强度

2.6抗老化性能

高压电缆服役运行过程中会受到雨水腐蚀、太 阳辐射等因素影响，对材料性能产生负面影响，因而进一步开展抗腐蚀性能测试。老化处理前后PP- 3样品的击穿强度和拉伸强度如表1所示。由表1可知，PP-3样品的击穿强度、拉伸强度在48h热空气老化处理后均有所减小。受热空气影响，PP复合材料物理性质产生变化，拉伸强度降低4.88%，交流击穿强度下降9.79%，直流击穿强度降低15.13%。其原因可能在于PP复合材料中，CaCO3纳米粒子和PP基体经过热空气老化后接触更加紧密，导致绝缘性降低，更容易被击穿。结合GB/T8815—2008可知，经过老化后，PP-3的拉伸强度依旧满足电缆材料要求。

表1老化前后的PP-3的强度变化

2.7抗腐蚀性能

酸碱腐蚀作用下，PP-3的击穿强度和拉伸强度 如表3所示。由表2可知，PP-3经酸腐蚀后拉伸强度为15.2MPa，经碱腐蚀后拉伸强度为16.2MPa，相较于酸碱腐蚀之前分别下降了7.32%、1.22%。其原因在于CaCO3在酸性条件下和氢离子反应分解，导致材料拉伸强度显著降低；碱性环境对于材料的影响则相对较弱。酸腐蚀条件下，材料交流击穿强度下降15.90%，直流击穿强度降低19.22%；碱腐蚀条件下，材料交流击穿强度降低3.53%，直流击穿强度降低1.64%。可见，经过酸碱腐蚀后，PP-3的各项参数依旧满足电缆使用要求。

表2酸碱腐蚀前后的PP-3的强度变化

结语

（1）使用PP材料和无机纳米粒子CaCO3互容获得的PP复合材料能够表现出良好的绝缘性能，其中，PP-3的绝缘性能为所得PP复合材料中绝缘性能最好的材料，其介电常数为3.12。该材料直流击穿强度和交流击穿强度均为最大值，分别为62.3、48.9kV/mm，拉伸强度为16.4MPa，各项参数均符合GB/T8815—2008要求。（2）PP-3的抗老化性能、抗腐蚀性能均良好，经热空气老化、酸碱腐蚀后，其性能指标依旧满足GB/T8815—2008要求，因而可以将PP-3应用到绝缘电缆生产中。

参考文献

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