高壓電纜交聯聚乙烯絕緣的關鍵性能與基礎問題

 一、高壓電纜交聯聚乙烯絕緣料關鍵性能探討

高壓電纜交聯聚乙烯絕緣料的關鍵性能主要有以下幾點：

（1）低密度聚乙烯基料的結構與流變性能

交聯聚乙烯絕緣料的流變性能反映其可加工性，是電纜絕緣料的關鍵性能之一。交聯聚乙烯絕緣料的流變性能主要由低密度聚乙烯基料的流變性能決定，並一定程度受複配體係的影響。低密度聚乙烯基料流變性能是指其黏度隨溫度與剪切速率而改變的特性。電纜絕緣料在高溫和剪切作用下擠出時，要求其高溫剪切黏度低，以降低擠出溫度與壓力、提高絕緣層表麵光滑度；而擠出成型後的降溫過程中要求高溫零切黏度高，以提高電纜絕緣層的同心度。例如，150℃下進口基料零切黏度為4.45×104Pa·s，而國產基料為3.81×104Pa·s。國產低密度聚乙烯基料高溫剪切黏度高、高溫零切黏度低，流變性能差，造成擠出壓力大、擠出表麵光滑度不高、絕緣層易偏心等。低密度聚乙烯基料流變性主要取決於分子鏈結構，即相對平均分子質量、相對分子量分布、支化度、長支鏈與短支鏈結構等。

低密度聚乙烯分子鏈示意圖如上圖所示。相對平均分子質量越大黏度越大；相對平均分子質量接近時，相對分子量分布越寬流動性越好；相對平均分子質量和相對分子量分布接近時，流變性受控於支化結構。不同牌號低密度聚乙烯基料的分子鏈結構差異很大。以相對分子量分布為例，國產低密度聚乙烯基料較北歐化工和陶氏化學基料高。以長支鏈數為例，國產低密度聚乙烯基料高分子量區的長支鏈數與進口電纜料接近，而低分子量區長支鏈數目明顯較少。

（2)交聯聚乙烯絕緣料脫氣性能

交聯聚乙烯絕緣料脫氣性是指交聯聚乙烯絕緣在脫氣工藝中除去內部交聯副產物的能力。脫氣性能好壞體現在脫氣時間長短和殘餘交聯副產物含量高低兩方麵，因此直接關係到電纜生產效率高低以及電纜絕緣性能優劣。一方麵，電纜絕緣層脫氣處理所需要的時間相比其它電纜加工環節而言，在整個電纜製造時間中占比最大，約占50%~70%。

國內外脫氣性研究以脫氣過程表征為主。例如，以失重法或高效液相色譜法分析交聯副產物從電纜絕緣中的脫除過程，或者模擬交聯副產物擴散速度，預測脫氣時間以提升脫氣效率。北歐化工和陶氏化學兩家公司生產的最新牌號的電纜絕緣料所需脫氣時間明顯減少，脫氣時間相比舊牌號絕緣料縮短了40%~50%，可使電纜的生產效率大幅提升。另一方麵，脫氣性能改善能夠提升電纜交聯聚乙烯絕緣的純淨度，優化電纜絕緣性能。交聯聚乙烯絕緣料脫氣性能與交聯劑密切相關。例如，北歐化工高壓電纜絕緣料的交聯劑含量約1.6%，而國產高壓電纜絕緣料為1.75%~2%，所需脫氣時間長，生產效率低，純淨度低，電纜絕緣介電損耗大。

提升脫氣性能的核心問題在於保證交聯聚乙烯絕緣熱、力學性能的基礎上提升交聯劑作用效率、降低交聯劑用量、改善電纜絕緣脫氣性能，從而提高高壓電纜生產效率，優化交聯聚乙烯絕緣純淨度，並提高高壓電纜交聯聚乙烯絕緣性能。因此需要揭示交聯劑複配與低密度聚乙烯基料聚集態結構的關聯、交聯反應效率與基料分子鏈結構的關聯，進一步優化絕緣料交聯劑複配配方和複配工藝，並提出基料鏈結構改進方案。此外，針對目前過氧化二異丙苯交聯劑可引發焦燒現象並需要脫氣處理的局限性，國外學者開展的新型交聯方式研究也具有借鑒意義。例如，通過兩種接枝聚乙烯共聚物組成的混合材料，該材料在120~140℃溫度範圍內不發生交聯反應，而當溫度高於150℃時發生交聯反應而不產生任何副產物。

（3）交聯聚乙烯絕緣料耐焦燒性能

交聯聚乙烯絕緣料耐焦燒性是指抑製其擠出過程中過早交聯、生成凝膠現象的能力。電纜絕緣料耐焦燒意味著擠出過程中允許溫度波動程度更大，高溫加工時間更長，加工窗口更寬，可加工性更好。此外，電纜絕緣料耐焦燒可降低凝膠含量。一方麵，避免了凝膠產物堵塞擠出濾網，增加了電纜擠出長度，提升了電纜生產效率；另一方麵，殘留在電纜主絕緣中的凝膠少，局部缺陷少，有利於提升絕緣介質內部結構的均勻性，改善電氣絕緣性能。

實驗室一般采用電纜絕緣料在固定高溫和剪切作用下轉矩隨時間的變化趨勢分析其耐焦燒性能，將轉矩由最小值增加10N·m所需時間值來定量化表征耐焦燒性能。測試結果表明，北歐化工電纜絕緣料轉矩提升10N·m的時間較長，陶氏化學電纜絕緣料次之，而某批次國產電纜絕緣料時間最短，耐焦燒性能較差。這反映出國產電纜絕緣料連續擠出加工時間較短，電纜生產效率低，可能存在絕緣內部結構不均勻，電纜絕緣性能不足的風險。

（4）交聯聚乙烯絕緣電氣絕緣性能

交聯聚乙烯絕緣的電氣絕緣性能關鍵指標包含了介電損耗、介電常數、電導率、擊穿場強等。相比北歐化工電纜絕緣料，國產電纜絕緣料各介電參數不足的原因包括以下幾方麵：首先，國產電纜絕緣料化學純淨度低，表現為極性基團、交聯副產物和抗氧劑等含量高；其次，每千克國產電纜絕緣料中100μm尺寸以上的雜質約有2~5個，而進口電纜絕緣料沒有大於100μm的雜質。微米級雜質的引入將導致擊穿場強顯著下降。此外，各個電性能參數均與交聯聚乙烯絕緣分子鏈結構和聚集態結構相關，例如鏈結構將直接影響電纜絕緣的電機械擊穿溫度特性，例如分子量為2500的低密度聚乙烯，球晶尺寸為17~20μm，其直流擊穿場強僅為250kV/mm，而分子量為37000的低密度聚乙烯，球晶尺寸僅為6~8μm，直流擊穿場強高達430kV/mm。

目前多種技術途徑的電纜絕緣料研發工作往往以電氣絕緣性能的提升為目標，尤其以提升直流電氣絕緣性能為主。例如，直流電纜絕緣料研究中強調抑製電荷注入、調控電導率特性、優化直流接地電樹枝特性、獲得高擊穿場強等。就電氣絕緣性能而言，高壓交流電纜絕緣和高壓直流電纜絕緣差異明顯，表現在電場分布特性、電熱老化特性、電樹枝特性等方麵。電導溫度依賴特性、空間電荷特性及其耦合關係等是決定交聯聚乙烯直流絕緣性能的基礎，而介電常數、介電損耗、介電強度等是決定交聯聚乙烯交流絕緣性能的基礎。高性能電纜絕緣研發需要首先明確上述多種介電特性與交聯聚乙烯絕緣多級結構和雜質缺陷的量化關係。電樹枝化是交流高壓電場下造成電氣絕緣擊穿的主要形式，能夠直接反映高壓電纜交聯聚乙烯絕緣的老化特性和長期服役性能。

電樹枝引發與生長主要受交聯聚乙烯結構和雜質缺陷的影響。雜質缺陷或屏蔽層凸起是電樹枝引發的關鍵位置。國產電纜絕緣料雜質含量高、擠出絕緣表麵不光滑、絕緣/屏蔽層界麵凸起等缺陷數量多，造成電纜絕緣電樹枝引發概率高，電氣絕緣性能不足。然而，隨著高壓電纜電壓等級不斷提升，電纜絕緣微米級雜質與屏蔽層凸起缺陷位置外仍可以發現電樹枝現象。國內外對電樹枝研究局限在電樹枝引發與生長過程的物理機製，重點關注結晶結構、抗氧劑與其它改性填料(電壓穩定劑、納米填料)對電樹枝的影響。沒有從抑製電樹枝角度，對交聯聚乙烯鏈結構提出要求，無法指導低密度聚乙烯基料分子鏈結構設計和複配體係設計。因此，迫切需要從乙烯聚合和複配過程入手，研究提升電纜絕緣料純淨度、減少電纜絕緣料缺陷數量的方法，揭示電樹枝與電纜絕緣料鏈結構的關聯，提升電纜絕緣耐電樹枝能力，提高高壓電纜交聯聚乙烯絕緣性能。

綜上所述，我國高壓電纜交聯聚乙烯絕緣料自主研發的關鍵是基料鏈結構與流變性能、脫氣性能、耐焦燒性能和電氣絕緣性能。

針對以上論述的高壓電纜交聯聚乙烯絕緣料自主研發中所麵對的挑戰，即在絕緣料四大關鍵性能，流變性能、脫氣性能、耐焦燒性能和電氣絕緣性能上取得突破，凝練出五個基礎科學問題，如下圖所示。

（1）低密度聚乙烯分子鏈結構設計和控製

交聯聚乙烯絕緣料的流變性能與低密度聚乙烯分子鏈結構直接相關。同時，分子鏈結構還決定了其可交聯性以及添加劑複配過程，影響分子鏈交聯網狀結構和結晶結構。我國目前采用進口管式法工業裝置，經超高壓高溫反應合成製備低密度聚乙烯基料，這對裝置的安全穩定運行要求極高。國內相關化工企業不掌握關鍵專利技術，缺乏生產運行過程安全操作邊界工藝技術研究基礎，而對低密度聚乙烯的多參數工藝調整必然引發巨大的安全生產風險性，故不能對基料進行全麵係統的工藝條件優化。這些製約了低密度聚乙烯基料的分子結構優化與性能提升。針對低密度聚乙烯分子鏈結構設計和控製這一科學問題，首先要綜合加工性能和電氣絕緣性能需求明確低密度聚乙烯基料分子鏈結構的優化方案，然後結合模擬仿真計算、小試裝置試驗、反應控製技術等方麵開展研究工作。構建低密度聚乙烯分子鏈結構與自由基聚合基元反應的關聯；開展低密度聚乙烯合成的實驗研究；研究高壓低密度聚乙烯管式法聚合工藝的模擬計算方法；研究管式反應器各區轉化率控製技術；研究控製低密度聚乙烯鏈結構的關鍵技術和工藝。

（2）電纜絕緣料流變行為與設計理論

電纜絕緣料的分子鏈設計需要以優異的流變性能獲得目標分子鏈結構。同時，流變性能也影響著電纜絕緣料的複配過程，即影響抗氧劑的添加過程。針對電纜絕緣料流變行為與設計理論這一科學問題可以開展如下研究工作：構建電纜絕緣料低密度聚乙烯基料分子鏈結構與流變行為的關聯；研究低密度聚乙烯基料流變行為與複配過程關聯的機理；研究電纜絕緣料應用周期內熔體黏彈特性和動態成型中的流動狀態，提出電纜絕緣料擠出流變行為理論，進而設計符合不同電壓等級電纜擠出加工工藝的流變行為；研究絕緣料擠出動態成型調控方法及其對絕緣成型後多級結構的影響規律與機製。

（3）電纜絕緣料交聯和流變耦合機理

優化設計電纜絕緣的複配體係，精準控製電纜擠出動態成型過程，需要關注電纜絕緣料交聯和流變的耦合機理，針對這一科學問題可以開展如下研究工作：掌握交聯劑擴散遷移對交聯的作用規律和機理；研究交聯劑在電纜絕緣料中的擴散特征與長時穩定性；揭示交聯與流變的耦合作用機製，從分子鏈結構層麵研究流變特性與交聯特性的相互影響作用；研究交聯流變耦合提高交聯效率的理論，研究提升交聯劑交聯效率的理論方法。

（4）電纜絕緣料抗氧化和交聯耦合機理

改善電纜絕緣料的焦燒特性，優化電纜絕緣料複配體係，提升電纜絕緣料的可加工性，需要關注電纜絕緣料抗氧化和交聯耦合機理，針對這一科學問題可以開展如下研究工作：研究電纜絕緣料抗氧化機理；研究絕緣料擠出過程中的產熱規律，厘清內生固相雜質與基料流變行為的關聯；闡明複配體係中抗氧劑擴散和遷移的微觀機製，揭示抗氧劑微觀行為與電纜絕緣料耐焦燒性能的關聯，研究提高電纜絕緣料耐焦燒性能的理論和方法；研發新型抗焦燒複配體係；研究交聯和抗氧化在分子層麵的匹配機製，研究交聯與耐焦燒的耦合機理及兩者同時提高的理論。

（5）電纜絕緣性能與交聯聚乙烯結構和雜質缺陷的關聯

高壓電纜交聯聚乙烯絕緣料研發的目標是使得最終高壓電纜絕緣的性能優異。隨著高壓電纜電壓等級和傳輸容量的提升，不能僅憑增加聚烯烴絕緣厚度實現整體性能提升，否則將造成電纜散熱問題和電纜生產、安裝問題，交聯聚乙烯承受的平均工作電場不斷增強，對交聯聚乙烯絕緣料性能提出了極高的要求。因此，需要建立電纜絕緣性能與交聯聚乙烯多級結構和物理化學雜質缺陷的關聯，探索交聯聚乙烯絕緣性能強化方法。掌握分子鏈結構、聚集態結構、各類結構缺陷和不同尺度雜質對交聯聚乙烯絕緣電荷輸運特性、電場分布特性、介電強度、長期耐老化特性和電樹枝引發與生長過程的影響機製具有重要意義。如前文所述，交聯聚乙烯的多級結構和雜質缺陷與自由基聚合、添加劑複配、擠出成型、交聯與脫氣過程等息息相關。因此，厘清電氣絕緣性能與交聯聚乙烯多級結構和雜質缺陷的關聯，是對高性能電纜絕緣料研發與生產中各個環節提出具體需求的理論基礎。

本文討論了高壓電纜交聯聚乙烯絕緣料成為高壓電纜生產“卡脖子”關鍵電工材料這一現狀；結合生產與應用流程，梳理了高壓電纜交聯聚乙烯絕緣料的四大關鍵性能，即低密度聚乙烯基料結構與流變性能、交聯聚乙烯絕緣料的脫氣性能、耐焦燒性能和電氣絕緣性能；凝練了高壓電纜交聯聚乙烯絕緣的五個基礎科學問題，即低密度聚乙烯分子鏈結構設計和控製、電纜絕緣料流變行為與設計理論、電纜絕緣料交聯和流變耦合機理、電纜絕緣料抗氧化和交聯耦合機理、電纜絕緣性能與交聯聚乙烯結構和雜質缺陷的關聯。通過基礎問題探討，旨在推進我國高壓電纜交聯聚乙烯絕緣料基礎理論的研究，推進我國高壓電纜交聯聚乙烯絕緣料自主研發進程。

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