1、23塑料助剂2023年第3期（总第159 期）电线电缆用交联聚乙烯材料性能刘兆燕，李强，张磊，吕阳，王昊婧？（1.国网北京市电力公司，北京10 0 0 0 0；2.国网北京市电力公司经济技术研究院，北京10 0 0 0 0）摘要：介绍了采用硅烷交联聚乙烯制备交联聚乙烯方法，利用性能测试的方式验证材料的耐湿热性能。为保证测试结果的精准度，向材料中混入聚乙烯基吡咯烷酮或混杂纤维，并将混合后的材料置于沸水内持续煮2 0 0 h，以此模拟真实的湿热老化环境。通过对测试结果进行分析可知，在复合材料中添加6%聚乙烯基吡咯烷酮，或者添加混杂纤维复合材料厚度在6.6 mm时，交联聚乙烯的性能达到最佳。关键词：
2、电线电缆；交联聚乙烯；耐湿热性能；测试分析doi:10.3969/j.issn.1671-6294.2023.03.0008Performance Analysis of Crosslinked Polyethylene Material for Wire and CableLiu Zhaoyan,Li Qiang,Zhang Lei,Lv Yang,Wang Haojing(1.State Grid Beijing Electric Power Company,Beijing 100000,China;2.State Grid Beijing Economics Research Insti
3、tute,Beijing 100000,China)Abstract:In order to improve the production efficiency and performance of wire and cable,the crosslinkedpolyethylene material as the main research object,using silane crosslinked polyethylene technology to completethe preparation of crosslinked polyethylene material.In orde
4、r to ensure the accuracy of the test results,polyethylene pyrrolidone or hybrid fiber were mixed into the material,and the mixed material was boiled inboiling water for 200 h,so as to simulate the real humidity and heat aging environment.Through the analysis ofthe test results,it can be seen that 6%
5、polyethylene pyrrolidone or 6.6 mm hybrid fiber reinforced can achieve thebest performance of crosslinked polyethylene.Keywords:wire and cable;crosslinked polyethylene;heat and humidity resistance;test and analysis电线电缆的主要生产原材料为交联聚乙烯，其是加人过氧化物体系，再经过特殊工艺而制成的电缆绝缘材料。经过交联改性的聚乙烯在性能方面得到大幅度提升，但该材料的交联技术存在设备昂贵
6、、工艺操作较为烦琐等问题。收稿日期：2 0 2 2-0 4-2 7基金项目：基于数据中台的数据质量在线监测研究应用，项目编号：SCFJXT00WLXX21002161电线电缆用交联聚乙烯材料概述1.1交联聚乙烯材料的特点交联聚乙烯实际上是一种半结晶的聚合物，其结构包含结晶区和无定形区。结晶区的微观形态呈球晶状，该球晶的尺寸为10 m，外围被放射状结构且排列较为整齐的片晶包裹。片晶之间为无定形区，无定形区占空间比例为6 5%。片晶由互相折叠的C一H分子链规律排列构成，无定242023年第3期（总第159 期）塑料助剂形区内水分子、气体分子、交联剂以及分子链均杂乱分布。结晶区和无定形区的特性均可决
7、定电荷和宏观特性。交联聚乙烯具有优良的耐热性能、绝缘性能、力学性能以及耐化学性能。交联聚乙烯材料内部的网状立体结构使其具有良好的耐热性能，在30 0 以内的高温环境下不易发生热分解，并且该材料的温度可长期稳定在9 0 左右。制备交联聚乙烯的过程最大限度地保留了聚乙烯的绝缘性能，使该材料具有绝缘电阻大、不易受温度影响等特性。交联聚乙烯的硬度、刚度性能较好，其主要原因为材料的大分子间均含有化学键。交联聚乙烯材料可有效保留聚乙烯的耐化学性，有利于提高材料的耐酸碱、耐油性能。1.2交联聚乙烯材料生产技术聚乙烯经过辐照或者化学交联反应即可生成交联聚乙烯材料。其中，辐照包括高能辐照、紫外线辐照等，为提升材
8、料的交联效果，在材料制备过程中，还要加人敏化剂、抗氧剂等添加剂。采用高能辐照方法对材料进行生产，可有效控制材料的质量与生产效率，但该方法易受辐射源的影响，无法生产出绝缘层较厚的聚乙烯材料。紫外线辐照方法的生产速度较快，并且材料的生产成本较低，不易出现绝缘性能的缺陷问题2 。化学交联方法可以以过氧化物、硅烷作为交联剂。过氧化物在高温条件下易产生自由基，自由基与聚乙烯之间发生交联，即可获得交联聚乙烯。但该方法的能耗较高，无法保证材料生产的效率。硅烷交联法可按照生产流程分为一步法、两步法和共聚法，乙烯基硅烷与聚乙烯在引发剂的作用下，可产生硅烷接枝聚合物，反应过程中应保证聚乙烯处于熔融状态。采用硅烷交
9、联法可有效降低能耗，并提高材料的生产效率13-4。2加入聚乙烯基吡咯烷酮后交联聚乙烯材料的耐湿热性能向交联聚乙烯材料中添加聚乙烯基吡咯烷酮可以提高材料的尺寸稳定性。为提高测试结果的准确度，要模拟湿热老化环境，将混合后的材料置于沸水内持续煮2 0 0 h后检测性能。2.1耐湿热性能测试方法为检测材料的尺寸稳定性，可将材料置于指定环境的尺寸变动中，充分体现湿热环境下材料对自身形状和尺寸性能的保持情况。采用体积变动率表示材料的尺寸稳定性，有利于减小测试结果的误差。采用ZMG1材料检测仪对交联聚乙烯材料的可弯曲强度、弯曲保持度进行检测，检测标准可参照GB2570一19 9 5。材料的冲击强度可采用冲击
10、检测仪进行检测，动态力学性能DMA检测仪进行检测。交联聚乙烯材料测试过程中，聚乙烯基吡咯烷酮的质量分数分别为0、3%、6%、9%、12%5,2.2耐湿热性能测试结果通过对水煮前材料的可弯曲强度测试结果进行分析可知，当聚乙烯基吡咯烷酮的含量为9%时，交联聚乙烯材料的性能达到最高值，水煮后交联聚乙烯材料的性能可在聚乙烯基吡咯烷酮含量为6%时达到最高值（图1）。将交联聚乙烯材料置于湿热环境中，为提高材料的可弯曲强度，应将添加剂的含量控制在6%。140水煮前水煮后120100806040200036912聚乙烯基吡咯烷酮含量/%图1材料可弯曲强度分析结果Fig.1Results of material
11、 bending strength analysis交联聚乙烯材料的弯曲强度保持率与聚乙烯基吡咯烷酮之间的变化规律为：当聚乙烯基吡咯烷酮的质量分数大于6%时，材料弯曲强度保持率变化较小；当聚乙烯基吡咯烷酮的质量分数为12%时，材料弯曲强度保持率数值较大。由此可知，湿热环境下应将聚乙烯基吡咯烷酮的质量分数控制在6%。抗冲击强度变动测试结果如图2 所示。当聚乙烯基吡咯烷酮的质量分数为6%时，交联聚乙烯材料的抗冲击强度最大。通过对材料的介电性能和尺寸稳定性进行分25刘兆燕，等：电线电缆用交联聚乙烯材料性能析可知，无论是否对交联聚乙烯材料进行水煮湿热老化，该材料的介电性能均可在6%的聚乙烯基吡咯烷酮中
12、维持最佳状态。随着水煮时间的延长，材料的尺寸稳定性存在一定变动，但向材料中混人6%的聚乙烯基吡咯烷酮，材料的尺寸稳定性达到最高。8水煮前水煮后76543210036912聚乙烯基吡咯烷酮含量/%图2抗冲击强度变动测试结果Fig.2Test results of impact resistance strength variation3加入混杂纤维后交联聚乙烯材料的耐湿热性能向交联聚乙烯材料添加混杂纤维（玻璃纤维、碳纤维的混合物）以增加材料的强度。混合后的材料置于沸水内持续煮2 0 0 h，沙测试材料性能。3.1耐湿热性能测试方法在对交联聚乙烯材料进行性能测试时，应将复合材料的厚度调整为6.6
13、mm、8.6 m m。同时精准记录交联聚乙烯材料力学性能随水煮时间延长的变化情况7 。3.2耐湿热性能测试结果通过对材料的力学性能测试结果进行分析可知，加入复合材料后，湿热环境下交联聚乙烯材料的弯曲强度与弯曲模量之间存在一定起伏。产生该现象的主要原因是交联聚乙烯可在水汽的影响下产生溶胀塑化现象，并蔓延至基体和纤维之间，从而影响基体的剪切强度。对材料的剪切强度保留率进行测试可知，当湿热老化的时间达到2 0 0 h时，6.6 mm材料的保留率为6 0%，该数值高于8.6 mm的材料，随着时间的不断延长，6.6 mm电缆材料的可弯曲强度保留率均高于8.6 mm的电缆材料（表1）8 。由此表明：复合材
14、料的厚度为6.6 mm时，交联聚乙烯复合材料的性能最佳。表1湿热老化时间与剪切强度保留率测试结果Tab.1Test results of damp-heat aging time and retention rateof shear strength剪切强度保留率/%水煮老化时间/h8.6 mm6.6 mm2510010050858875688810075801256070150576517550602005760通过对表1的结果进行分析可知，复合材料的厚度为6.6 mm时，交联聚乙烯复合材料的耐湿热性能较好。4丝结束语交联聚乙烯具有较好的电气性能和较低的介电损耗。为提高电线电缆的质量，通过对
15、湿热环境中的交联聚乙烯材料的性能测试结果进行分析，发现在材料制作中加人6%聚乙烯基吡咯烷酮或者添加混杂纤维的复合材料厚度在6.6 mm时，电线电缆在湿热环境下的力学性能较好。参考文献1 张庆，张梦林.10 kV交联聚乙烯电缆热缩附件原理及电缆敷设J.农村电气化,2 0 2 1(3):6 5-6 8.2李欢，翟双，陈杰，等.热历史过程对XLPE电缆热历史温度的影响研究J.电力工程技术,2 0 19,38(5):157-16 3.3 袁欣雨，孔明，于冰洋.交联聚乙烯电缆在线监测技术研究J.粘接,2 0 2 0,43(7):16 8-17 1.4郑迎雷，孙晋，华晔，等.测试条件对测定交联聚乙烯管材交
16、联度的影响J.塑料工业,2 0 2 0,48(S1):112-114,150.5 胡丽斌，陈杰，翟双，等.交联聚乙烯电缆材料晶体的熔融特性研究J.陕西理工大学学报(自然科学版),2 0 2 0,36(3):28-32,46.6袁宝，毛应涛，李维康，等.助交联剂对过氧化物交联聚乙烯绝缘料性能的影响J.绝缘材料,2 0 2 0,53(5):34-40.7李欢，李建英，马永翔，等.不同温度热老化对XLPE电缆绝缘材料晶体结构的影响研究J.中国电机工程学报，2017,37(22):6740-6748,6787.8夏碧华，徐文强，王珂，等.交联聚乙烯发泡材料的研究进展J.中国塑料,2 0 19,33(3):12 8-135.
