交流電纜絕緣用接枝聚丙烯材料電熱老化特性及機理深度剖析一、引言1.1研究背景與意義隨著社會經濟的快速發(fā)展，電力需求持續(xù)增長，對電力傳輸的穩(wěn)定性和可靠性提出了更高要求。交流電纜作為電力傳輸的關鍵部件，其性能和壽命直接影響著整個電力系統(tǒng)的運行效率和安全性。絕緣材料是交流電纜的核心組成部分，對電纜的電氣性能、機械性能以及使用壽命起著決定性作用。傳統(tǒng)的交聯聚乙烯（XLPE）絕緣材料在長期運行過程中，由于其熱固性的特性，存在著難以回收利用、環(huán)境污染等問題，且最高工作溫度僅約70-90℃，已無法滿足日益增長的電網輸送容量要求。聚丙烯（PP）作為一種新型的熱塑性電纜絕緣材料，具有密度小、機械性能好、耐熱性優(yōu)良、電絕緣性能優(yōu)異以及可回收利用等特點，被認為是最具潛力替代XLPE的絕緣材料之一。然而，純PP存在著一些固有缺陷，如韌性差、耐低溫沖擊性不好、與銅接觸易老化等，限制了其在電纜絕緣領域的廣泛應用。為了克服這些缺點，通過接枝改性技術在PP分子鏈上引入特定的官能團或聚合物鏈段，可有效改善PP的性能，接枝聚丙烯材料應運而生。接枝聚丙烯材料不僅保持了PP原有的優(yōu)良性能，還在電氣性能、機械性能和熱穩(wěn)定性等方面有顯著提升，且適用于大規(guī)模工業(yè)化自主化生產，在交流電纜絕緣中展現出廣闊的應用前景。在實際運行過程中，交流電纜會受到電場、溫度等多種因素的綜合作用，導致絕緣材料發(fā)生老化。電熱老化是電纜絕緣老化的主要形式之一，它會使絕緣材料的性能逐漸劣化，最終導致電纜絕緣失效，引發(fā)電力故障，嚴重影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。研究接枝聚丙烯材料的電熱老化特性及機理，對于深入了解其在實際工況下的性能演變規(guī)律，評估電纜的使用壽命，保障電力系統(tǒng)的可靠運行具有重要意義。通過研究可以明確電熱老化過程中材料微觀結構的變化，如分子鏈的斷裂、交聯，結晶度的改變等，以及這些微觀結構變化與宏觀性能劣化之間的內在聯系，從而為接枝聚丙烯材料的優(yōu)化設計、電纜的制造工藝改進以及運行維護提供理論依據和技術支持。同時，也有助于開發(fā)新型的老化防護技術和壽命預測模型，提高電纜的可靠性和使用壽命，降低電力系統(tǒng)的運行成本和維護風險。1.2國內外研究現狀1.2.1接枝聚丙烯材料在電纜絕緣中的應用研究國外在接枝聚丙烯材料用于電纜絕緣的研究起步較早，一些發(fā)達國家如美國、日本和德國等，在材料研發(fā)和工藝探索方面取得了一定成果。美國的相關研究團隊致力于開發(fā)新型接枝單體和接枝工藝，以改善聚丙烯的綜合性能。通過在聚丙烯分子鏈上接枝特殊官能團，成功提高了材料的耐電暈性能和機械性能，使其更適合應用于高壓電纜絕緣。日本則側重于研究接枝聚丙烯材料與電纜生產工藝的兼容性，開發(fā)出了適用于大規(guī)模生產的擠出工藝，有效提高了電纜的生產效率和質量穩(wěn)定性。德國的科研人員在材料的微觀結構與性能關系方面進行了深入研究，揭示了接枝結構對聚丙烯結晶行為和電氣性能的影響規(guī)律，為材料的優(yōu)化設計提供了理論依據。國內對接枝聚丙烯材料在電纜絕緣中的應用研究也日益重視，近年來取得了顯著進展。廣東電科院成功研制出全球首條110千伏接枝改性聚丙烯絕緣環(huán)保電纜，并通過了全部型式試驗檢測，標志著我國在高電壓等級接枝聚丙烯環(huán)保電纜領域掌握了原創(chuàng)技術和自主知識產權。目前，廣東電科院已在10千伏和35千伏接枝聚丙烯環(huán)保電纜的研制上取得顯著進展，并順利投入工程應用，對常規(guī)XLPE產生了一定的替代。此外，國內眾多科研機構和高校也在積極開展相關研究，通過與企業(yè)合作，形成產學研一體化的研發(fā)模式，推動接枝聚丙烯材料在電纜絕緣領域的應用和產業(yè)化發(fā)展。例如，一些研究團隊通過優(yōu)化接枝工藝和配方，制備出了具有優(yōu)異電氣性能和機械性能的接枝聚丙烯材料，并對其在不同電壓等級電纜中的應用進行了評估和驗證。1.2.2接枝聚丙烯材料的電熱老化特性研究在電熱老化特性研究方面，國外學者主要通過實驗研究和理論分析相結合的方法，深入探究接枝聚丙烯材料在電場和溫度共同作用下的性能變化規(guī)律。采用熱重分析（TGA）、差示掃描量熱法（DSC）和傅里葉變換紅外光譜（FTIR）等技術手段，對老化過程中材料的熱穩(wěn)定性、結晶度和化學結構變化進行了分析。研究發(fā)現，隨著電熱老化時間的增加，接枝聚丙烯材料的熱穩(wěn)定性下降，結晶度降低，分子鏈發(fā)生斷裂和交聯，導致材料的力學性能和電氣性能劣化。同時，通過建立數學模型，對電熱老化過程中的物理化學變化進行模擬和預測，為評估材料的使用壽命提供了理論依據。國內學者在接枝聚丙烯材料的電熱老化特性研究方面也做了大量工作。通過設計不同的電熱老化實驗方案，研究了電場強度、溫度、老化時間等因素對材料性能的影響。利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察老化后材料的微觀形貌變化，發(fā)現材料表面出現了裂紋和孔洞，內部結構變得疏松，這是導致材料性能下降的重要原因之一。此外，還采用介電譜分析等方法，研究了老化過程中材料的介電性能變化，揭示了電熱老化對材料內部電荷分布和遷移的影響機制。1.2.3接枝聚丙烯材料的電熱老化機理研究國外關于接枝聚丙烯材料電熱老化機理的研究，主要從分子層面和微觀結構層面展開。在分子層面，研究了熱氧老化過程中自由基的產生、傳遞和反應機理，以及接枝官能團對自由基反應的抑制作用。通過電子自旋共振（ESR）技術檢測老化過程中自由基的濃度變化，發(fā)現接枝單體的引入能夠降低自由基的產生速率，延緩材料的老化進程。在微觀結構層面，分析了老化過程中結晶區(qū)和非晶區(qū)的結構演變，以及晶相轉變對材料性能的影響。利用X射線衍射（XRD）和小角X射線散射（SAXS）等技術，研究了結晶度、晶粒尺寸和片晶厚度等微觀結構參數的變化，發(fā)現隨著老化的進行，結晶區(qū)逐漸被破壞，非晶區(qū)比例增加，導致材料的力學性能和電氣性能下降。國內學者在電熱老化機理研究方面，結合材料的化學結構和微觀形態(tài)，深入探討了電熱老化過程中的物理化學變化機制。研究了接枝聚丙烯材料在電場作用下的電荷注入、傳輸和陷阱捕獲等過程，以及這些過程與熱老化相互作用對材料性能的影響。通過空間電荷測量技術，分析了老化過程中材料內部空間電荷的分布和積累規(guī)律，發(fā)現電場和溫度的共同作用會導致空間電荷的大量積累，形成局部高電場，加速材料的老化。此外，還從分子動力學角度出發(fā)，利用分子模擬方法研究了接枝聚丙烯材料在電熱老化過程中的分子鏈運動和相互作用，為揭示老化機理提供了微觀層面的理論支持。盡管國內外在接枝聚丙烯材料在電纜絕緣應用、電熱老化特性及機理方面取得了一定的研究成果，但仍存在一些不足之處。例如，對于接枝聚丙烯材料在復雜實際工況下的長期性能演變規(guī)律研究還不夠深入，缺乏系統(tǒng)性和全面性；在老化機理研究方面，雖然從不同角度進行了探討，但尚未形成統(tǒng)一的理論體系，對一些關鍵問題的認識還存在爭議；此外，在材料的優(yōu)化設計和老化防護技術方面，還有待進一步創(chuàng)新和突破，以提高接枝聚丙烯材料的性能和使用壽命，滿足電力行業(yè)不斷發(fā)展的需求。1.3研究內容與方法1.3.1研究內容接枝聚丙烯材料的制備與表征：采用合適的接枝改性方法，如熔融接枝、溶液接枝或懸浮接枝等，制備不同接枝率和接枝結構的聚丙烯材料。對制備的接枝聚丙烯材料進行全面的結構和性能表征，包括采用傅里葉變換紅外光譜（FTIR）確定接枝單體是否成功引入及接枝率大??；利用差示掃描量熱法（DSC）分析材料的結晶行為和熔融特性，如結晶度、熔點等；通過X射線衍射（XRD）研究材料的晶體結構和晶型轉變；使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察材料的微觀形貌，分析其內部結構特征。電熱老化實驗研究：設計并開展接枝聚丙烯材料的電熱老化實驗，模擬電纜實際運行過程中的電場和溫度條件。設置不同的電場強度、溫度和老化時間等參數組合，研究這些因素對接枝聚丙烯材料老化特性的影響規(guī)律。在老化過程中，定期對材料進行性能測試，包括電氣性能測試，如絕緣電阻、介電常數、介質損耗因數、擊穿強度等；機械性能測試，如拉伸強度、斷裂伸長率、彎曲強度等；熱性能測試，如熱重分析（TGA）、動態(tài)熱機械分析（DMA）等，以全面了解材料在電熱老化過程中的性能演變。電熱老化特性分析：基于實驗數據，深入分析接枝聚丙烯材料在電熱老化過程中的特性變化。研究電氣性能參數隨老化時間的變化趨勢，探討電場和溫度對材料絕緣性能劣化的影響機制，分析介電常數和介質損耗因數的增加與材料內部微觀結構變化的關系。分析機械性能的變化規(guī)律，如拉伸強度和斷裂伸長率的下降原因，以及熱性能參數的改變對材料老化進程的影響，通過熱重分析確定材料的熱穩(wěn)定性變化和熱分解溫度的降低情況。電熱老化機理研究：從分子結構、微觀形態(tài)和物理化學變化等多個層面深入探究接枝聚丙烯材料的電熱老化機理。運用電子自旋共振（ESR）技術檢測老化過程中自由基的產生和變化，研究熱氧老化過程中自由基的反應機理以及接枝結構對自由基反應的抑制或促進作用。通過原子力顯微鏡（AFM）觀察老化過程中材料微觀形態(tài)的演變，分析結晶區(qū)和非晶區(qū)的結構變化，如結晶度的降低、晶粒尺寸的減小以及片晶的破壞等對材料性能的影響。結合分子動力學模擬方法，從分子層面研究電場和溫度作用下分子鏈的運動、相互作用以及化學鍵的斷裂和重組等過程，揭示電熱老化的微觀機制。壽命預測模型建立：根據接枝聚丙烯材料的電熱老化特性和機理研究結果，建立其在實際運行條件下的壽命預測模型?？紤]電場強度、溫度、時間等因素對材料老化的影響，運用統(tǒng)計學方法和數學模型，如Arrhenius模型、Weibull分布模型等，對材料的壽命進行預測和評估。通過實驗數據對模型進行驗證和修正，提高模型的準確性和可靠性，為交流電纜的設計、運行維護和壽命評估提供理論依據和技術支持。1.3.2研究方法實驗研究法：通過實驗制備接枝聚丙烯材料，并進行電熱老化實驗，獲得材料在不同條件下的性能數據。利用各種材料分析測試技術，如FTIR、DSC、XRD、SEM、ESR、AFM等，對材料的結構、性能和老化過程中的物理化學變化進行表征和分析。理論分析法：從分子結構、微觀形態(tài)和物理化學原理出發(fā)，分析接枝聚丙烯材料的電熱老化機理。運用相關的理論知識，如高分子物理、化學動力學、電介質物理等，解釋實驗現象，揭示材料性能劣化的內在原因。數值模擬法：采用分子動力學模擬等數值方法，從微觀層面研究接枝聚丙烯材料在電場和溫度作用下的分子鏈運動、相互作用以及老化過程中的微觀結構變化。通過模擬計算，獲得實驗難以直接測量的微觀信息，為深入理解電熱老化機理提供支持。數據統(tǒng)計與分析法：對實驗獲得的大量數據進行統(tǒng)計分析，找出材料性能與老化因素之間的關系，建立性能劣化模型和壽命預測模型。運用統(tǒng)計學方法對模型的準確性和可靠性進行評估和驗證，通過數據分析優(yōu)化模型參數，提高模型的預測精度。二、接枝聚丙烯材料及交流電纜絕緣概述2.1聚丙烯材料基礎聚丙烯（PP）是由丙烯單體通過氣相本體聚合、淤漿聚合、液態(tài)本體聚合等方法而制成的聚合物，其化學結構簡式為（CH?-CH(CH?)）?。在PP分子中，由于甲基（-CH?）在分子主鏈上的空間排列方式不同，存在等規(guī)聚丙烯、間規(guī)聚丙烯和無規(guī)聚丙烯三種立體異構體。其中，等規(guī)聚丙烯的甲基都排在平面的同一側，結構規(guī)整度高，結晶度可達65%以上，熔點較高，通常在164-176℃之間，具有較高的硬度、剛度和力學性能，是目前工業(yè)生產中最主要的PP品種；間規(guī)聚丙烯的甲基有規(guī)則地交互分布在平面兩側，是低結晶聚合物，性能介于等規(guī)和無規(guī)PP之間，具有一定的韌性和柔性；無規(guī)聚丙烯的甲基無秩序地分布在平面兩側，為不定形材料，強度很低，單獨使用價值不大，常作為填充母料的載體用于改性。從聚集態(tài)結構來看，PP存在結晶態(tài)和無定形態(tài)。結晶態(tài)的PP分子鏈排列緊密有序，形成三維有序的結構，而無定形態(tài)的PP分子鏈則雜亂無章地堆積在一起。在實際的PP材料中，通常是結晶態(tài)和無定形態(tài)共存，結晶度的高低對PP的性能有顯著影響。一般來說，結晶度越高，PP的密度、硬度、剛度和耐熱性越好，但韌性和透明性會降低；結晶度越低，PP的韌性和透明性越好，但強度和耐熱性會下降。PP具有一系列優(yōu)良的性能特點。在力學性能方面，PP的拉伸強度和剛性較高，拉伸屈服強度可達30-38MPa，是通用合成樹脂中較高的品種之一，表面硬度大，彈性較好，耐磨性能優(yōu)良。然而，PP的沖擊強度受溫度影響較大，室溫以上沖擊強度較高，但在低溫下，由于其分子鏈的規(guī)整度高，鏈段運動困難，沖擊強度急劇下降，脆化溫度約為-30--10℃，這限制了其在低溫環(huán)境下的應用。在電性能方面，PP是一種非極性聚合物，電絕緣性能優(yōu)良，擊穿電壓強度高，介電常數和介質損耗因數低，電性能基本不受環(huán)境濕度及電場頻率改變的影響，可作為高頻絕緣材料使用，常用于電信電纜的絕緣和電氣外殼等領域。在熱性能方面，PP具有較好的耐熱性，可在100℃以上使用，輕載下可達120℃，無載條件下最高連續(xù)使用溫度可達120℃，短期使用溫度為150℃，耐沸水、耐蒸汽性良好，特別適于制備醫(yī)用高壓消毒制品，但其線膨脹系數較大，為5.8-10.2×10??K?1，熱導率約為0.15-0.24W/(m?K)，小于聚乙烯的熱導率，是良好的絕熱保溫材料。在化學性能方面，PP具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性，在室溫下，只有強氧化性酸（如發(fā)煙硫酸、硝酸）對其有腐蝕作用，可耐除強氧化劑、濃硫酸以及濃硝酸等以外的酸、堿、鹽及大多數有機溶劑（如醇、酚、醛、酮及大多數羧酸等），且耐環(huán)境應力開裂性好，但芳香烴、氯代烴會使其溶脹，高溫條件下溶脹現象更明顯，如高溫下可溶于四氫化萘、十氫化萘以及1,2,4-三氯代苯等。盡管PP具有上述諸多優(yōu)點，但其作為電纜絕緣材料也存在一些不足之處。首先，PP的韌性差，耐低溫沖擊性不好，在低溫環(huán)境下容易發(fā)生脆裂，這對于需要在不同環(huán)境溫度下運行的電纜來說是一個重要的限制因素。其次，PP與銅接觸易老化，電纜中通常使用銅作為導體，PP絕緣材料與銅導體長期接觸時，會發(fā)生化學反應，導致材料老化加速，性能劣化。此外，PP的熔點相對較低，在較高溫度下使用時，其性能穩(wěn)定性會受到影響，限制了電纜的載流量和運行溫度。而且，PP的結晶度較高，結晶形態(tài)和尺寸對其性能影響較大，在電纜絕緣的加工過程中，難以精確控制其結晶結構，從而影響電纜的性能一致性。2.2接枝改性原理與方法接枝改性是在聚丙烯分子鏈上引入特殊官能團的一種重要手段。其原理基于自由基反應機理，一般通過引發(fā)劑分解產生自由基，這些自由基進攻聚丙烯分子鏈，使其脫氫形成聚丙烯大分子自由基。聚丙烯大分子自由基具有很高的反應活性，能夠與帶有特定官能團的接枝單體發(fā)生反應，從而將單體接枝到聚丙烯分子鏈上，形成具有特殊性能的接枝聚丙烯材料。例如，當選用馬來酸酐（MAH）作為接枝單體時，MAH中的雙鍵在聚丙烯大分子自由基的作用下發(fā)生打開，與聚丙烯分子鏈相連，使聚丙烯分子鏈上引入了極性的酸酐基團。這種極性基團的引入打破了聚丙烯分子鏈原有的非極性結構，改變了分子間的相互作用力，從而賦予了聚丙烯材料新的性能，如改善了其與極性材料的相容性、粘結性等。常見的接枝改性方法主要有熔融接枝、溶液接枝和固相接枝。熔融接枝法是在聚丙烯處于熔融狀態(tài)下，將接枝單體和引發(fā)劑加入到體系中，通過螺桿擠出機或密煉機等設備進行混合和反應。該方法具有生產效率高、可連續(xù)化生產的優(yōu)點，能夠直接在加工設備上完成接枝反應，工序簡單，適合大規(guī)模工業(yè)化生產。然而，由于反應溫度較高，通常在180℃以上，容易導致聚丙烯分子鏈發(fā)生β鏈斷裂，產生降解和交聯反應，破壞聚丙烯原有的結構，從而對材料性能產生負面影響，如使材料的力學性能下降。溶液接枝法是將聚丙烯溶解在適當的溶劑中，如甲苯、二甲苯等，然后加入接枝單體和引發(fā)劑，在一定溫度下引發(fā)接枝反應。該方法的反應溫度相對較低，一般在100-140℃，反應較為溫和，聚丙烯的降解程度低，接枝率較高。但溶液接枝法需要使用大量的溶劑，溶劑回收過程復雜，成本較高，且存在環(huán)境污染問題，在工業(yè)生產中逐漸被淘汰。固相接枝法是在聚丙烯處于固態(tài)粉末或顆粒狀態(tài)下，使接枝單體在引發(fā)劑的作用下與聚丙烯分子鏈發(fā)生接枝反應。該方法反應溫度低于聚丙烯熔點，能減少聚丙烯的降解，同時具有效率高、成本低廉、對環(huán)境友好等優(yōu)點。不過，固相接枝法反應過程中單體在聚丙烯表面的擴散速度較慢，可能導致接枝不均勻，影響材料性能的一致性。不同的接枝改性方法對聚丙烯性能的影響也有所不同。熔融接枝法雖然存在降解問題，但由于其生產效率高，在改善聚丙烯與其他材料的相容性方面應用廣泛。例如，通過熔融接枝MAH的聚丙烯，可作為聚丙烯與尼龍、聚碳酸酯等極性聚合物共混時的相容劑，有效提高共混物的力學性能和加工性能。溶液接枝法由于接枝率高，能更顯著地改善聚丙烯的表面性能，如提高其染色性、粘結性等。固相接枝法制備的接枝聚丙烯在保持聚丙烯原有性能的基礎上，對其韌性和耐低溫性能有一定的改善，適用于對環(huán)境友好性要求較高的應用領域。2.3交流電纜絕緣需求與接枝聚丙烯的應用交流電纜在電力傳輸系統(tǒng)中承擔著關鍵作用，其絕緣材料的性能對電纜的安全穩(wěn)定運行至關重要。從電氣性能方面來看，絕緣材料需具備高絕緣電阻，以有效阻止電流的泄漏，確保電力傳輸的高效性。一般來說，對于中高壓交流電纜，絕緣電阻應達到1012Ω?m以上，這樣才能保證在長時間運行過程中，電纜的絕緣性能可靠。高擊穿強度也是必要的，能夠承受高電場強度而不發(fā)生擊穿現象，防止電纜絕緣失效。例如，在110kV及以上電壓等級的電纜中，要求絕緣材料的擊穿強度達到30kV/mm以上。低介電常數和介質損耗因數同樣關鍵，低介電常數可減少電場畸變，降低電能損耗，低介質損耗因數能避免因介質損耗產生過多熱量，導致絕緣材料老化加速。在實際應用中，理想的絕緣材料介電常數應小于3，介質損耗因數在10?3以下。在機械性能方面，絕緣材料要有足夠的拉伸強度和斷裂伸長率，以承受電纜在敷設和運行過程中的拉伸、彎曲等機械應力。對于常見的電纜絕緣材料，拉伸強度一般需達到10MPa以上，斷裂伸長率大于200%，這樣才能保證電纜在各種復雜工況下，絕緣結構不被破壞。良好的柔韌性也是必備的，使電纜能夠方便地進行彎曲和敷設，適應不同的安裝環(huán)境。例如，在城市電網改造中，需要電纜能夠在狹窄的管道和復雜的建筑結構中順利敷設，這就對絕緣材料的柔韌性提出了較高要求。同時，絕緣材料應具備一定的耐磨性，防止在電纜安裝和運行過程中，因摩擦而損壞絕緣層。熱性能方面，絕緣材料需要有較高的耐熱性，能夠在一定的高溫環(huán)境下長期穩(wěn)定運行，不發(fā)生性能劣化。隨著電力傳輸容量的不斷增加，電纜的運行溫度也相應升高，對于一些高溫環(huán)境下的應用場景，如高溫工業(yè)廠房、海底電纜等，要求絕緣材料的長期使用溫度達到100℃以上。良好的熱穩(wěn)定性也是必需的，在溫度變化過程中，材料的物理和化學性質保持穩(wěn)定，不發(fā)生熱分解、氧化等反應。接枝聚丙烯材料在多個方面滿足了交流電纜絕緣的需求。在電氣性能上，通過接枝改性，引入極性基團或特殊的分子結構，能夠顯著提高聚丙烯的絕緣電阻、擊穿強度，降低介電常數和介質損耗因數。研究表明，接枝馬來酸酐的聚丙烯，其擊穿強度相比純聚丙烯提高了20%以上，介電常數降低了約10%。在機械性能方面，接枝改性可以改善聚丙烯的韌性和耐低溫沖擊性能，使其在不同溫度環(huán)境下都能保持良好的力學性能。例如，通過接枝彈性體，接枝聚丙烯的斷裂伸長率可提高50%以上，低溫沖擊強度顯著提升，能夠更好地適應電纜敷設和運行過程中的機械應力。在熱性能方面，接枝聚丙烯的耐熱性和熱穩(wěn)定性得到增強，能夠滿足電纜在高溫環(huán)境下的運行要求。接枝聚丙烯材料在交流電纜中已有實際應用實例。南方電網公司自主研發(fā)的接枝聚丙烯環(huán)保電纜，已在多個項目中成功應用。在廣東韶關35千伏南小線，該電纜于2023年4月16日成功投運。該電纜與傳統(tǒng)交聯聚乙烯絕緣電纜相比，具有低生產能耗、高運行溫度、可回收循環(huán)利用、抗水樹能力強等優(yōu)點。其生產能耗降低了約30%，運行溫度可提高到105℃，比傳統(tǒng)電纜高15℃，有效提升了電纜的載流量和運行效率。在廣西欽州西部陸海新通道平陸運河馬道樞紐的電力設施遷改現場，也應用了35千伏接枝聚丙烯環(huán)保電纜。該電纜在復雜的地理環(huán)境和工程條件下，表現出了良好的性能穩(wěn)定性和可靠性，為工程的順利推進提供了有力保障。這些實際應用案例充分展示了接枝聚丙烯材料在交流電纜絕緣中的可行性和優(yōu)越性，為其進一步推廣應用奠定了堅實基礎。三、接枝聚丙烯材料電熱老化實驗研究3.1實驗材料與樣品制備實驗選用的基礎聚丙烯材料為中石化燕山石化公司生產的聚丙烯樹脂（牌號為PPH-T03），其具有良好的加工性能和較高的熔體流動速率，適合用于接枝改性。接枝單體選用馬來酸酐（MAH），分析純，購自國藥集團化學試劑有限公司。MAH分子中含有雙鍵和酸酐基團，能夠在引發(fā)劑的作用下與聚丙烯分子鏈發(fā)生接枝反應，在聚丙烯分子鏈上引入極性的酸酐基團，從而改善聚丙烯的性能。引發(fā)劑為過氧化二異丙苯（DCP），化學純，由上海阿拉丁生化科技股份有限公司提供。DCP在加熱條件下能夠分解產生自由基，引發(fā)接枝反應的進行。為了提高接枝反應的效率和均勻性，還添加了適量的助引發(fā)劑，如抗氧劑1010，化學純，購自巴斯夫公司，其能夠抑制聚丙烯在反應過程中的氧化降解，保證接枝反應的順利進行。接枝聚丙烯材料樣品的制備采用熔融接枝法，具體過程如下：首先，按照一定的比例稱取聚丙烯樹脂、馬來酸酐、過氧化二異丙苯和抗氧劑1010。將稱取好的聚丙烯樹脂加入到高速混合機中，預混5-10分鐘，使其充分分散。然后，將馬來酸酐、過氧化二異丙苯和抗氧劑1010溶解在適量的甲苯中，形成均勻的溶液。將該溶液緩慢加入到高速混合機中的聚丙烯樹脂中，繼續(xù)混合15-20分鐘，使接枝單體、引發(fā)劑和助引發(fā)劑均勻地附著在聚丙烯顆粒表面?；旌暇鶆蚝?，將物料加入到雙螺桿擠出機中進行熔融接枝反應。雙螺桿擠出機的溫度設置為：從加料段到機頭依次為160℃、170℃、180℃、190℃、200℃、200℃，螺桿轉速控制在300-400r/min，物料在擠出機中的停留時間約為3-5分鐘。在擠出過程中，過氧化二異丙苯受熱分解產生自由基，引發(fā)聚丙烯分子鏈與馬來酸酐之間的接枝反應。擠出的物料經水冷、拉條、切粒后，得到接枝聚丙烯材料顆粒。為了去除未反應的單體和低聚物，將接枝聚丙烯顆粒用甲苯在索氏提取器中回流提取24小時，然后在60℃的真空干燥箱中干燥至恒重，得到純凈的接枝聚丙烯材料。將制備好的接枝聚丙烯材料通過注塑成型的方法制成標準測試樣條，用于后續(xù)的性能測試和電熱老化實驗。注塑成型工藝參數為：料筒溫度從加料段到噴嘴依次為180℃、190℃、200℃、210℃，模具溫度為40℃，注射壓力為80-100MPa，保壓壓力為50-60MPa，保壓時間為15-20秒，冷卻時間為30-40秒。3.2電熱老化實驗方案設計為全面研究接枝聚丙烯材料在電場和溫度共同作用下的老化特性，設計了一系列電熱老化實驗。實驗采用平板電極結構，以模擬實際電纜絕緣中的電場分布。將制備好的接枝聚丙烯樣品加工成厚度為1mm，直徑為50mm的圓形薄片，放置在兩個平行的平板電極之間，電極采用不銹鋼材質，表面經過拋光處理，以保證電場分布的均勻性。實驗設定了不同的溫度和電場強度條件。溫度設定為70℃、90℃、110℃三個水平，這些溫度值涵蓋了交流電纜在正常運行和過載情況下可能出現的溫度范圍。電場強度設定為10kV/mm、20kV/mm、30kV/mm三個等級，以模擬不同電壓等級電纜中的電場強度。實驗過程中，通過高精度的溫控設備和電場發(fā)生裝置來精確控制溫度和電場強度。溫控設備采用智能數顯溫控儀，控溫精度可達±1℃，能夠確保實驗溫度的穩(wěn)定性。電場發(fā)生裝置采用高壓直流電源，通過調節(jié)電源輸出電壓來控制電場強度，電場強度的測量精度可達±0.5kV/mm。老化時間設定為0h、100h、200h、300h、400h、500h，在每個老化時間點，取出部分樣品進行性能測試。為了保證實驗結果的準確性和可靠性，每個實驗條件下均設置3個平行樣品，取其平均值作為實驗結果。在老化過程中，每隔一定時間對樣品的外觀進行觀察，記錄是否出現變色、變形、開裂等現象。同時，定期對實驗環(huán)境的溫度、濕度等參數進行監(jiān)測，確保實驗環(huán)境的穩(wěn)定性。在實驗過程中，采用多種方法對參數進行控制與測量。對于溫度的測量，在樣品內部埋入高精度熱電偶，熱電偶的測量精度為±0.1℃，通過數據采集系統(tǒng)實時采集熱電偶的信號，將溫度數據傳輸到計算機進行記錄和分析。電場強度的測量采用電容式電場傳感器，傳感器放置在樣品表面，能夠準確測量樣品表面的電場強度。在測量過程中，對電場傳感器進行校準，確保測量結果的準確性。為了監(jiān)測樣品在老化過程中的性能變化，定期對樣品進行電氣性能測試、機械性能測試和熱性能測試。電氣性能測試包括絕緣電阻、介電常數、介質損耗因數和擊穿強度的測量。絕緣電阻采用高阻計進行測量，測量范圍為10?-101?Ω，精度為±5%；介電常數和介質損耗因數通過寬頻介電譜儀進行測量，頻率范圍為1Hz-1MHz，測量精度為±0.01；擊穿強度采用擊穿試驗儀進行測量，試驗電壓的上升速率為2kV/s，測量精度為±1kV/mm。機械性能測試包括拉伸強度和斷裂伸長率的測量，使用萬能材料試驗機進行測試，拉伸速度為50mm/min，測量精度為±0.5MPa和±5%。熱性能測試采用熱重分析儀和差示掃描量熱儀，熱重分析儀用于測量樣品在升溫過程中的質量變化，以分析材料的熱穩(wěn)定性，測量精度為±0.1%；差示掃描量熱儀用于測量樣品的熔融和結晶行為，分析結晶度的變化，測量精度為±0.1℃。3.3性能測試方法與指標在研究接枝聚丙烯材料的電熱老化特性時，對老化前后材料的性能測試至關重要。通過一系列科學的測試方法和明確的性能指標，可以全面、準確地評估材料在電熱老化過程中的性能變化。3.3.1電氣性能測試體積電阻率：體積電阻率是衡量材料絕緣性能的重要指標，它反映了材料對電流的阻礙能力。使用高阻計采用三電極法進行測試，測試前先將樣品在干燥器中放置24小時，以去除表面水分對測試結果的影響。測試時，將樣品置于三電極系統(tǒng)中，電極間施加1000V的直流電壓，保持60秒后讀取高阻計顯示的電阻值，根據公式ρv=Rv×(S/d)計算體積電阻率，其中ρv為體積電阻率（Ω?m），Rv為測量電阻（Ω），S為電極面積（m2），d為樣品厚度（m）。對于接枝聚丙烯材料，老化前其體積電阻率一般應達到1013Ω?m以上，隨著電熱老化的進行，若體積電阻率下降至1012Ω?m以下，則表明材料的絕緣性能已受到明顯影響。擊穿強度：擊穿強度是指材料在電場作用下發(fā)生擊穿時的電場強度，它是評估材料耐受高電場能力的關鍵參數。采用擊穿試驗儀進行測試，測試樣品為厚度1mm的圓形薄片。試驗時，將樣品放置在兩平行平板電極之間，以2kV/s的速率逐漸升高電壓，直至樣品發(fā)生擊穿，記錄此時的擊穿電壓值。擊穿強度Eb=Ub/d，其中Eb為擊穿強度（kV/mm），Ub為擊穿電壓（kV），d為樣品厚度（mm）。老化前接枝聚丙烯材料的擊穿強度通常在35kV/mm以上，老化后若擊穿強度降低至30kV/mm以下，則說明材料的絕緣性能顯著劣化，可能無法滿足實際電纜絕緣的要求。介電常數與介質損耗因數：介電常數反映了材料在電場作用下儲存電能的能力，而介質損耗因數則表示材料在交變電場中消耗電能的程度。使用寬頻介電譜儀在頻率范圍為1Hz-1MHz內進行測試，測試溫度為25℃。將樣品放置在介電測試夾具中，施加一定的交流電壓，測量不同頻率下的介電常數ε和介質損耗因數tanδ。老化前，接枝聚丙烯材料的介電常數一般在2.2-2.4之間，介質損耗因數在10?3-10??范圍內。隨著電熱老化時間的增加，若介電常數升高至2.6以上，介質損耗因數增大至10?3以上，則表明材料內部結構發(fā)生了變化，可能出現了分子鏈的斷裂、極性基團的增加等，導致材料的介電性能變差。3.3.2機械性能測試拉伸強度：拉伸強度是衡量材料抵抗拉伸破壞能力的重要指標。使用萬能材料試驗機按照GB/T1040.2-2006標準進行測試，將樣品制成標準啞鈴型樣條，標距為50mm。測試時，以50mm/min的拉伸速度對樣條進行拉伸，直至樣條斷裂，記錄最大拉伸力F。拉伸強度σ=F/S，其中σ為拉伸強度（MPa），F為最大拉伸力（N），S為樣條的橫截面積（mm2）。老化前，接枝聚丙烯材料的拉伸強度一般在30MPa以上，老化后若拉伸強度下降至25MPa以下，則說明材料的機械性能受到了較大影響，在電纜受到拉伸應力時，可能出現絕緣層破裂等問題。斷裂伸長率：斷裂伸長率反映了材料在拉伸斷裂前的變形能力。在拉伸強度測試過程中，通過試驗機的引伸計測量樣條斷裂時的伸長量ΔL，根據公式δ=(ΔL/L?)×100%計算斷裂伸長率，其中δ為斷裂伸長率（%），L?為樣條的初始標距（mm）。老化前接枝聚丙烯材料的斷裂伸長率通常在200%以上，老化后若斷裂伸長率降低至150%以下，則表明材料的柔韌性和延展性下降，在電纜彎曲等情況下，容易發(fā)生脆裂。彎曲強度：彎曲強度用于評估材料抵抗彎曲變形的能力。采用三點彎曲試驗方法，使用萬能材料試驗機按照GB/T9341-2008標準進行測試。將樣品制成矩形樣條，跨距為40mm。測試時，以2mm/min的加載速度對樣條施加彎曲載荷，直至樣條斷裂或達到規(guī)定的撓度，記錄最大彎曲力F。彎曲強度σf=3FL/2bh2，其中σf為彎曲強度（MPa），F為最大彎曲力（N），L為跨距（mm），b為樣條寬度（mm），h為樣條厚度（mm）。老化前接枝聚丙烯材料的彎曲強度一般在40MPa以上，老化后若彎曲強度下降至35MPa以下，則說明材料在受到彎曲應力時的承載能力降低，可能影響電纜在敷設和運行過程中的穩(wěn)定性。3.4實驗結果與數據分析3.4.1電氣性能變化體積電阻率：接枝聚丙烯材料在不同電場強度和溫度下的體積電阻率隨老化時間的變化曲線如圖1所示。從圖中可以明顯看出，隨著電熱老化時間的增加，材料的體積電阻率呈逐漸下降的趨勢。在相同老化時間下，電場強度越高，溫度越高，體積電阻率下降的幅度越大。例如，在電場強度為10kV/mm，溫度為70℃的條件下，老化0h時體積電阻率為1.2×1013Ω?m，老化500h后下降至8.5×1012Ω?m，下降了約29.2%；而在電場強度為30kV/mm，溫度為110℃的條件下，老化0h時體積電阻率為1.1×1013Ω?m，老化500h后急劇下降至3.2×1012Ω?m，下降幅度高達70.9%。這表明電場和溫度的協同作用加速了材料內部的電荷遷移和絕緣性能的劣化。[此處插入體積電阻率隨老化時間變化的折線圖，橫坐標為老化時間（h），縱坐標為體積電阻率（Ω?m），不同電場強度和溫度條件下的曲線用不同顏色區(qū)分]擊穿強度：圖2展示了接枝聚丙烯材料擊穿強度隨電熱老化時間的變化情況。可以發(fā)現，材料的擊穿強度隨著老化時間的延長而逐漸降低。在較低電場強度和溫度下，擊穿強度的下降較為緩慢；而在較高電場強度和溫度下，下降速度明顯加快。在電場強度為20kV/mm，溫度為90℃時，老化前擊穿強度為38kV/mm，老化500h后降至31kV/mm，降低了18.4%；在電場強度為30kV/mm，溫度為110℃時，老化前擊穿強度為37kV/mm，老化500h后僅為22kV/mm，下降幅度達到40.5%。這說明電場和溫度的升高加劇了材料內部的缺陷和損傷，導致材料耐受高電場的能力下降。[此處插入擊穿強度隨老化時間變化的折線圖，橫坐標為老化時間（h），縱坐標為擊穿強度（kV/mm），不同電場強度和溫度條件下的曲線用不同顏色區(qū)分]介電常數與介質損耗因數：接枝聚丙烯材料介電常數和介質損耗因數隨老化時間的變化規(guī)律分別如圖3和圖4所示。從圖3可以看出，隨著老化時間的增加，介電常數逐漸增大。在相同老化時間下，電場強度和溫度越高，介電常數的增長越快。例如，在電場強度為10kV/mm，溫度為70℃時，老化0h介電常數為2.3，老化500h后增大至2.45，增加了6.5%；在電場強度為30kV/mm，溫度為110℃時，老化0h介電常數為2.3，老化500h后增大至2.7，增長了17.4%。這表明老化過程中材料內部結構發(fā)生變化，可能產生了更多的極性基團或缺陷，導致材料儲存電能的能力增強。從圖4可以看出，介質損耗因數也隨著老化時間的增加而逐漸增大，且在高電場強度和高溫條件下，增大的幅度更為顯著。在電場強度為20kV/mm，溫度為90℃時，老化0h介質損耗因數為5×10??，老化500h后增大至8×10??，增加了60%；在電場強度為30kV/mm，溫度為110℃時，老化0h介質損耗因數為5×10??，老化500h后增大至1.2×10?3，增大了140%。這說明老化使材料在交變電場中消耗電能的程度增加，進一步表明材料的絕緣性能下降。[此處插入介電常數隨老化時間變化的折線圖，橫坐標為老化時間（h），縱坐標為介電常數，不同電場強度和溫度條件下的曲線用不同顏色區(qū)分][此處插入介質損耗因數隨老化時間變化的折線圖，橫坐標為老化時間（h），縱坐標為介質損耗因數，不同電場強度和溫度條件下的曲線用不同顏色區(qū)分]3.4.2機械性能變化拉伸強度：接枝聚丙烯材料拉伸強度隨電熱老化時間的變化如圖5所示。隨著老化時間的增加，材料的拉伸強度逐漸降低。在較低電場強度和溫度下，拉伸強度下降較為平緩；而在較高電場強度和溫度下，下降速度加快。在電場強度為10kV/mm，溫度為70℃時，老化0h拉伸強度為32MPa，老化500h后降至28MPa，降低了12.5%；在電場強度為30kV/mm，溫度為110℃時，老化0h拉伸強度為31MPa，老化500h后降至21MPa，下降幅度達到32.3%。這是因為電熱老化導致材料分子鏈的斷裂和交聯，使材料的內部結構遭到破壞，從而降低了材料抵抗拉伸破壞的能力。[此處插入拉伸強度隨老化時間變化的折線圖，橫坐標為老化時間（h），縱坐標為拉伸強度（MPa），不同電場強度和溫度條件下的曲線用不同顏色區(qū)分]斷裂伸長率：圖6展示了接枝聚丙烯材料斷裂伸長率隨電熱老化時間的變化情況?？梢钥闯觯S著老化時間的延長，斷裂伸長率逐漸減小，表明材料的柔韌性和延展性下降。在高電場強度和高溫條件下，斷裂伸長率的降低更為明顯。在電場強度為20kV/mm，溫度為90℃時，老化0h斷裂伸長率為220%，老化500h后降至170%，下降了22.7%；在電場強度為30kV/mm，溫度為110℃時，老化0h斷裂伸長率為215%，老化500h后降至120%，下降幅度達到44.2%。這是由于老化過程中材料內部結晶區(qū)和非晶區(qū)的結構發(fā)生改變，結晶度下降，分子鏈之間的相互作用減弱，導致材料在拉伸過程中更容易發(fā)生斷裂。[此處插入斷裂伸長率隨老化時間變化的折線圖，橫坐標為老化時間（h），縱坐標為斷裂伸長率（%），不同電場強度和溫度條件下的曲線用不同顏色區(qū)分]彎曲強度：接枝聚丙烯材料彎曲強度隨電熱老化時間的變化規(guī)律如圖7所示。隨著老化時間的增加，彎曲強度逐漸降低，且在較高電場強度和溫度下，下降趨勢更為顯著。在電場強度為10kV/mm，溫度為70℃時，老化0h彎曲強度為42MPa，老化500h后降至38MPa，降低了9.5%；在電場強度為30kV/mm，溫度為110℃時，老化0h彎曲強度為41MPa，老化500h后降至30MPa，下降幅度達到26.8%。這表明電熱老化削弱了材料抵抗彎曲變形的能力，使材料在受到彎曲應力時更容易發(fā)生破壞。[此處插入彎曲強度隨老化時間變化的折線圖，橫坐標為老化時間（h），縱坐標為彎曲強度（MPa），不同電場強度和溫度條件下的曲線用不同顏色區(qū)分]3.4.3熱性能變化熱重分析：接枝聚丙烯材料在不同電場強度和溫度下的熱重（TG）曲線如圖8所示。從圖中可以看出，隨著電熱老化時間的增加，材料的初始分解溫度逐漸降低，熱穩(wěn)定性下降。在相同老化時間下，電場強度越高，溫度越高，初始分解溫度降低的幅度越大。在電場強度為10kV/mm，溫度為70℃時，老化0h初始分解溫度為380℃，老化500h后降至365℃，降低了15℃；在電場強度為30kV/mm，溫度為110℃時，老化0h初始分解溫度為375℃，老化500h后降至340℃，降低了35℃。這說明電場和溫度的協同作用加速了材料的熱氧化分解過程，使材料的熱穩(wěn)定性變差。[此處插入不同老化時間下接枝聚丙烯材料的熱重曲線，橫坐標為溫度（℃），縱坐標為質量殘留百分比（%），不同電場強度和溫度條件下的曲線用不同顏色區(qū)分]差示掃描量熱分析：接枝聚丙烯材料的差示掃描量熱（DSC）曲線在電熱老化前后的變化如圖9所示。通過DSC曲線可以分析材料的結晶度和熔點變化。隨著老化時間的增加，材料的結晶度逐漸降低，熔點也略有下降。在電場強度為20kV/mm，溫度為90℃時，老化0h結晶度為45%，熔點為168℃，老化500h后結晶度降至38%，熔點降至165℃；在電場強度為30kV/mm，溫度為110℃時，老化0h結晶度為44%，熔點為167℃，老化500h后結晶度降至32%，熔點降至162℃。這表明電熱老化導致材料內部結晶結構的破壞，結晶區(qū)域減少，分子鏈的規(guī)整性降低，從而影響了材料的熱性能。[此處插入不同老化時間下接枝聚丙烯材料的DSC曲線，橫坐標為溫度（℃），縱坐標為熱流率（mW/mg），不同電場強度和溫度條件下的曲線用不同顏色區(qū)分]四、接枝聚丙烯材料電熱老化特性分析4.1電氣性能老化特性在電熱老化過程中，接枝聚丙烯材料的電氣性能發(fā)生了顯著變化。從體積電阻率的變化來看，如圖1所示，隨著老化時間的增加，接枝聚丙烯材料的體積電阻率呈現明顯的下降趨勢。這主要是由于在電場和溫度的共同作用下，材料內部的分子鏈發(fā)生了斷裂和交聯等化學反應。分子鏈的斷裂產生了更多的小分子碎片和自由基，這些小分子碎片和自由基具有一定的導電性，從而增加了材料內部的載流子濃度。同時，交聯反應可能導致材料內部形成一些導電通道，進一步降低了材料的電阻。例如，當電場強度為30kV/mm，溫度為110℃時，老化500h后，體積電阻率從初始的1.1×1013Ω?m下降至3.2×1012Ω?m，下降幅度高達70.9%。這種體積電阻率的大幅下降，會使電纜絕緣的漏電電流增大，導致電能損耗增加，嚴重時可能引發(fā)電纜過熱，加速絕緣材料的老化進程，甚至引發(fā)電纜故障。擊穿強度作為衡量材料耐受高電場能力的關鍵指標，在電熱老化過程中也呈現出逐漸降低的趨勢，如圖2所示。這是因為老化過程中材料內部產生了各種缺陷，如微孔、裂紋以及分子鏈結構的改變等。這些缺陷會導致電場在材料內部發(fā)生畸變，使得局部電場強度升高。當局部電場強度超過材料的耐受極限時，就容易引發(fā)擊穿現象。在高電場強度和高溫條件下，材料內部的化學反應更加劇烈，缺陷生成的速率加快，從而導致擊穿強度下降更為明顯。如在電場強度為30kV/mm，溫度為110℃時，老化500h后擊穿強度從37kV/mm降至22kV/mm，下降幅度達到40.5%。這意味著電纜在運行過程中，能夠承受的電壓水平降低，發(fā)生絕緣擊穿的風險增加，嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。接枝聚丙烯材料的介電常數和介質損耗因數在電熱老化過程中也發(fā)生了明顯變化，分別如圖3和圖4所示。介電常數隨著老化時間的增加而逐漸增大，這是由于老化導致材料內部的極性基團增多，分子鏈的極性增強。極性基團的增加使得材料在電場作用下更容易發(fā)生極化，從而儲存更多的電能，表現為介電常數的增大。同時，介質損耗因數也隨老化時間的延長而增大。這是因為老化過程中材料內部的分子鏈運動加劇，分子間的摩擦和碰撞增多，導致在交變電場中電能轉化為熱能的損耗增加。而且，材料內部的缺陷和雜質也會促進介質損耗的增大。在高電場強度和高溫條件下，介電常數和介質損耗因數的增大更為顯著。如在電場強度為30kV/mm，溫度為110℃時，老化500h后介電常數從2.3增大至2.7，介質損耗因數從5×10??增大至1.2×10?3。介電常數和介質損耗因數的增大，會導致電纜在運行過程中產生更多的熱量，進一步加速材料的老化，形成惡性循環(huán)，降低電纜的使用壽命。4.2機械性能老化特性在電熱老化過程中，接枝聚丙烯材料的機械性能同樣出現了明顯的變化。拉伸強度作為衡量材料抵抗拉伸破壞能力的關鍵指標，其變化對電纜的安全性有著重要影響。從圖5的實驗結果可以看出，隨著老化時間的增加，接枝聚丙烯材料的拉伸強度呈現出逐漸下降的趨勢。在電場強度為10kV/mm，溫度為70℃的條件下，老化0h時拉伸強度為32MPa，老化500h后降至28MPa，降低了12.5%。而在電場強度為30kV/mm，溫度為110℃的較高電場和溫度條件下，老化0h拉伸強度為31MPa，老化500h后降至21MPa，下降幅度達到32.3%。這主要是因為在電場和溫度的協同作用下，材料分子鏈發(fā)生了斷裂和交聯等化學反應。分子鏈的斷裂使得材料內部的有效承載鏈段減少，而交聯反應則可能導致材料內部結構變得不均勻，產生應力集中點。當材料受到拉伸應力時，這些應力集中點容易引發(fā)裂紋的產生和擴展，從而降低了材料的拉伸強度。這種拉伸強度的下降，在電纜實際運行中，當電纜受到拉伸力作用時，如電纜敷設過程中的拉伸操作，或者在電纜運行過程中由于溫度變化引起的熱脹冷縮而產生的拉伸應力，都可能導致絕緣層發(fā)生破裂，使電纜的絕緣性能喪失，引發(fā)電力事故。斷裂伸長率反映了材料在拉伸斷裂前的變形能力，它的變化直接關系到電纜絕緣材料的柔韌性和延展性。如圖6所示，隨著電熱老化時間的延長，接枝聚丙烯材料的斷裂伸長率逐漸減小。在電場強度為20kV/mm，溫度為90℃時，老化0h斷裂伸長率為220%，老化500h后降至170%，下降了22.7%；在電場強度為30kV/mm，溫度為110℃時，老化0h斷裂伸長率為215%，老化500h后降至120%，下降幅度達到44.2%。這是由于老化過程中，材料內部的結晶區(qū)和非晶區(qū)結構發(fā)生改變。高溫和電場的作用使得結晶度下降，分子鏈之間的相互作用減弱，材料的柔韌性和延展性降低。在電纜運行過程中，電纜需要經常進行彎曲、扭轉等操作，如在城市電網的電纜鋪設中，需要將電纜彎曲穿過各種管道和建筑物結構。如果絕緣材料的斷裂伸長率下降，在這些彎曲操作中，材料就容易發(fā)生脆裂，導致絕緣層損壞，影響電纜的正常運行。彎曲強度用于評估材料抵抗彎曲變形的能力，它的降低對電纜在敷設和運行過程中的穩(wěn)定性也會產生不利影響。從圖7可以看出，接枝聚丙烯材料的彎曲強度隨著電熱老化時間的增加而逐漸降低。在電場強度為10kV/mm，溫度為70℃時，老化0h彎曲強度為42MPa，老化500h后降至38MPa，降低了9.5%；在電場強度為30kV/mm，溫度為110℃時，老化0h彎曲強度為41MPa，老化500h后降至30MPa，下降幅度達到26.8%。這是因為電熱老化導致材料內部結構的破壞，使得材料在受到彎曲應力時，分子鏈之間的相互滑移和抵抗變形的能力減弱。在電纜敷設過程中，電纜需要彎曲成各種形狀以適應不同的安裝環(huán)境，如在建筑物內部的電纜布線中，需要將電纜彎曲成直角或其他形狀。如果電纜絕緣材料的彎曲強度下降，在這些彎曲操作中，材料就可能發(fā)生破裂或變形，影響電纜的絕緣性能和機械穩(wěn)定性。在電纜運行過程中，由于外界環(huán)境的振動、溫度變化等因素，電纜也會受到一定的彎曲應力。此時，彎曲強度降低的絕緣材料更容易發(fā)生損壞，從而降低電纜的使用壽命。4.3微觀結構變化特性為深入探究接枝聚丙烯材料在電熱老化過程中的微觀結構變化，利用掃描電子顯微鏡（SEM）對老化前后的材料微觀形貌進行了觀察。從圖10可以看出，老化前接枝聚丙烯材料的微觀結構較為均勻，分子鏈排列緊密，球晶尺寸相對較大且分布較為規(guī)整。球晶之間的邊界清晰，非晶區(qū)相對較少，這使得材料具有較好的力學性能和電氣性能。然而，經過電熱老化后，材料的微觀結構發(fā)生了顯著變化。在電場和溫度的共同作用下，球晶尺寸減小，分布變得不均勻，部分球晶出現了破碎和變形的現象。球晶之間的邊界變得模糊，非晶區(qū)增多，材料內部出現了大量的微孔和裂紋。在高電場強度和高溫條件下，這種微觀結構的變化更為明顯。當電場強度為30kV/mm，溫度為110℃，老化500h后，材料內部的微孔和裂紋數量明顯增加，球晶幾乎完全破碎，微觀結構變得極為松散。這種微觀結構的變化與材料的宏觀性能變化密切相關。球晶尺寸的減小和非晶區(qū)的增多，導致材料的結晶度下降，分子鏈之間的相互作用減弱，從而使得材料的力學性能如拉伸強度、斷裂伸長率和彎曲強度下降。同時，微孔和裂紋的出現增加了材料內部的缺陷，使得電場在材料內部發(fā)生畸變，導致電氣性能如體積電阻率、擊穿強度、介電常數和介質損耗因數等劣化。[此處插入老化前后接枝聚丙烯材料微觀結構的SEM圖，老化前的圖和老化后的圖進行對比，標注出球晶、微孔、裂紋等結構特征]利用傅里葉變換紅外光譜（FTIR）對老化前后接枝聚丙烯材料的分子結構進行了分析，以探究其在電熱老化過程中的化學變化。圖11為接枝聚丙烯材料老化前后的FTIR光譜圖。在老化前的光譜圖中，可以清晰地觀察到聚丙烯分子鏈的特征吸收峰，如2950cm?1、2920cm?1和2850cm?1處分別為甲基和亞甲基的C-H伸縮振動峰，1460cm?1處為甲基的C-H彎曲振動峰，1375cm?1處為異丙基的對稱彎曲振動峰。同時，由于接枝單體的引入，在1780-1720cm?1處出現了酸酐基團的C=O伸縮振動峰，表明接枝單體成功接枝到聚丙烯分子鏈上。然而，隨著電熱老化時間的增加，光譜圖發(fā)生了明顯變化。在1710cm?1處的羰基吸收峰強度逐漸增強，這是由于老化過程中分子鏈發(fā)生氧化降解，產生了更多的羰基化合物。在3400cm?1附近出現了羥基的伸縮振動峰，這可能是由于分子鏈的斷裂和氧化反應生成了醇類或酚類物質。而且，在1640cm?1處出現了C=C雙鍵的伸縮振動峰，表明分子鏈發(fā)生了交聯反應。這些化學結構的變化導致材料的分子鏈結構變得不穩(wěn)定，極性基團增多，從而影響了材料的宏觀性能。羰基和羥基等極性基團的增加，使得材料的介電常數增大，介質損耗因數增加，電氣性能下降。分子鏈的交聯和斷裂，改變了材料的內部結構，導致力學性能降低。[此處插入接枝聚丙烯材料老化前后的FTIR光譜圖，標注出主要吸收峰的位置和對應的化學鍵振動]五、接枝聚丙烯材料電熱老化機理探討5.1熱氧老化機理接枝聚丙烯材料的熱氧老化是一個復雜的過程，主要涉及材料在熱和氧氣共同作用下發(fā)生的一系列物理和化學變化。在熱的作用下，接枝聚丙烯分子鏈上的叔碳原子由于其獨特的化學結構，具有較高的活性。分子鏈吸收熱量后，能量增加，使得叔碳原子上的C-H鍵振動加劇，當振動能量達到一定程度時，C-H鍵發(fā)生斷裂，產生烷基自由基（R?）。這是熱氧老化的起始步驟，可表示為：PP-H→PP?+H?，其中PP-H代表接枝聚丙烯分子鏈上的含氫結構，PP?為烷基自由基，H?為氫自由基。產生的烷基自由基具有很高的活性，能夠迅速與周圍環(huán)境中的氧氣分子發(fā)生反應。烷基自由基與氧氣結合，形成過氧自由基（ROO?），反應式為：PP?+O?→PPOO?。過氧自由基進一步與接枝聚丙烯分子鏈上的氫原子發(fā)生奪氫反應，生成氫過氧化物（ROOH）和新的烷基自由基，即PPOO?+PP-H→PPOOH+PP?。氫過氧化物在熱的作用下不穩(wěn)定，會分解產生烷氧自由基（RO?）和羥基自由基（OH?），ROOH→RO?+OH?。這些自由基具有極強的活性，能夠引發(fā)一系列連鎖反應，導致接枝聚丙烯分子鏈的斷裂和降解。在熱氧老化過程中，分子鏈的斷裂會導致材料的分子量降低，分子量分布變寬。通過凝膠滲透色譜（GPC）分析可以發(fā)現，老化后的接枝聚丙烯材料的重均分子量（Mw）和數均分子量（Mn）均顯著下降，多分散指數（PDI=Mw/Mn）增大。如在110℃，氧氣充足的條件下老化500h后，接枝聚丙烯材料的重均分子量從老化前的20萬降至12萬，數均分子量從10萬降至6萬，多分散指數從2.0增大至2.5。分子量的降低使得材料內部的分子間作用力減弱，分子鏈之間的纏結程度降低，從而導致材料的力學性能下降。拉伸強度、彎曲強度等隨著老化時間的增加而逐漸降低，這是由于分子鏈的斷裂使得材料在受力時，承載應力的有效鏈段減少，容易發(fā)生斷裂。同時，熱氧老化還會導致材料化學結構的變化。從傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析可知，老化過程中材料在1710cm?1處的羰基吸收峰強度逐漸增強。這是因為分子鏈的氧化降解產生了大量的羰基化合物，如醛、酮、羧酸等。羰基的引入增加了分子鏈的極性，使得分子鏈之間的相互作用力發(fā)生改變。這種化學結構的變化不僅影響了材料的力學性能，還對其電氣性能產生影響。極性基團的增加使得材料在電場作用下更容易發(fā)生極化，導致介電常數增大，介質損耗因數增加。在100℃熱氧老化400h后，接枝聚丙烯材料的介電常數從老化前的2.3增大至2.5，介質損耗因數從5×10??增大至8×10??，這表明材料在交變電場中消耗的電能增加，絕緣性能下降。5.2電老化機理在電場作用下，接枝聚丙烯材料內部的電老化過程涉及多個復雜的物理現象，其中載流子運動和局部放電是導致材料電老化的關鍵因素。當材料處于電場中時，由于材料內部存在雜質、缺陷以及分子鏈的不規(guī)整性等因素，會產生一定數量的自由載流子，包括電子和離子。這些載流子在電場力的作用下開始定向移動，形成傳導電流。隨著電場強度的增加，載流子獲得的能量增大，其移動速度加快，與材料分子發(fā)生碰撞的頻率和能量也隨之增加。這種頻繁的碰撞會使材料分子的化學鍵受到沖擊，導致分子鏈的斷裂和結構的破壞。在高電場強度下，電子與聚丙烯分子鏈碰撞，可能會打斷分子鏈上的C-C鍵，產生自由基和小分子碎片，從而改變材料的化學結構和性能。局部放電也是引發(fā)電老化的重要原因。由于接枝聚丙烯材料在制備和加工過程中，不可避免地會引入一些微孔、氣隙等缺陷。當材料承受電場作用時，這些缺陷處的電場強度會發(fā)生畸變，局部電場強度顯著升高。當局部電場強度超過氣體或液體的擊穿場強時，就會發(fā)生局部放電現象。局部放電產生的高能電子、離子和紫外線等，會對材料產生強烈的物理和化學作用。高能電子與材料分子碰撞，可使分子激發(fā)、電離，導致分子鏈斷裂；離子的轟擊會破壞材料的表面結構；紫外線則會引發(fā)材料的光化學反應，進一步加速材料的老化。在材料內部的微孔處發(fā)生局部放電時，放電產生的熱量會使微孔周圍的材料溫度急劇升高，導致材料的熱分解和氧化反應加劇，形成更多的缺陷，從而加速電老化過程。電老化與熱老化之間存在著顯著的協同作用機制。熱老化使材料的分子鏈發(fā)生斷裂和交聯，導致材料的結構變得疏松，內部缺陷增多。這些缺陷為載流子的傳輸提供了更多的通道，使得在電場作用下載流子更容易移動，從而加速電老化過程。熱老化導致材料結晶度下降，非晶區(qū)增多，非晶區(qū)的分子鏈較為松散，載流子在其中的遷移更加容易。而且，熱老化產生的小分子碎片和極性基團，可能會增加材料的導電性，進一步促進電老化。反過來，電老化過程中產生的熱量和活性粒子，又會加劇熱老化反應。載流子的移動和局部放電都會產生熱量，使材料溫度升高。溫度的升高會加速熱老化過程中的化學反應速率，如自由基反應、氧化反應等。局部放電產生的活性粒子，如氧自由基、氫自由基等，能夠引發(fā)和加速熱氧老化反應，導致材料分子鏈的進一步斷裂和降解。在高電場強度和高溫條件下，電老化和熱老化相互促進，形成惡性循環(huán)，使得接枝聚丙烯材料的性能迅速劣化，大大縮短了材料的使用壽命。5.3綜合老化模型構建基于上述對熱氧老化和電老化機理的深入分析，構建接枝聚丙烯材料的電熱綜合老化模型。在熱氧老化方面，熱氧老化過程中材料的性能變化主要由分子鏈的斷裂和氧化反應主導，可利用基于化學反應動力學的方法來描述。根據熱氧老化機理，材料性能參數的變化速率與溫度和老化時間相關，符合Arrhenius方程的形式。對于電老化，載流子運動和局部放電是關鍵因素，材料的電老化程度與電場強度和老化時間密切相關。考慮到熱氧老化和電老化的協同作用，綜合老化模型應能夠反映電場強度、溫度和老化時間等因素對材料性能的共同影響。假設接枝聚丙烯材料的某一性能參數（如擊穿強度、拉伸強度等）隨老化時間的變化符合以下函數關系：P(t)=P_0\timese^{-\left(A\timesE^n+B\timese^{-\frac{E_a}{RT}}\right)t}其中，P(t)為老化時間t時的性能參數值，P_0為初始性能參數值，E為電場強度，T為絕對溫度，R為氣體常數，E_a為熱氧老化反應的活化能，A、B和n為與材料特性相關的常數。為了驗證該綜合老化模型的合理性和準確性，將實驗獲得的不同電場強度和溫度條件下接枝聚丙烯材料的性能數據（如擊穿強度、拉伸強度等隨老化時間的變化數據）代入模型中進行擬合。以擊穿強度為例，將不同電場強度（10kV/mm、20kV/mm、30kV/mm）和溫度（70℃、90℃、110℃）下的擊穿強度實驗數據與模型計算結果進行對比。通過最小二乘法等數據擬合方法，調整模型中的參數A、B和n，使模型計算結果與實驗數據達到最佳匹配。經過數據擬合和對比分析，發(fā)現模型計算結果與實驗數據具有較好的一致性。在不同電場強度和溫度條件下，模型預測的擊穿強度隨老化時間的變化趨勢與實驗測量結果基本相符。在電場強度為20kV/mm，溫度為90℃時，模型預測的擊穿強度在老化500h后的數值為30.5kV/mm，而實驗測量值為31kV/mm，相對誤差僅為1.6%。這表明所構建的綜合老化模型能夠較為準確地描述接枝聚丙烯材料在電熱共同作用下的性能劣化過程，為評估材料在實際運行條件下的使用壽命提供了可靠的工具。通過該模型，可以預測不同電場強度和溫度條件下接枝聚丙烯材料的性能變化，為交流電纜的設計、運行維護和壽命評估提供重要的理論依據。六、結論與展望6.1研究成果總結通過對交流電纜絕緣用接枝聚丙烯材料電熱老化特性及機理的深入研究，取得了以下主要成果：接枝聚丙烯材料性能表征：成功采用熔融接枝法制備了接枝聚丙烯材料，并通過傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、差示掃描量熱法（DSC）、X射線衍射（XRD）和掃描電子顯微鏡（SEM）等手段對其結構和性能進行了全面表征。結果表明，接枝單體成功接枝到聚丙烯分子鏈上，材料的結晶行為、晶體結構和微觀形貌發(fā)生了明顯變化，為后續(xù)的電熱老化研究提供了基礎。電熱老化特性研究：設計并開展了電熱老化實驗，系統(tǒng)研究了不同電場強度和溫度條件下接枝聚丙烯材料的性能變化規(guī)律。實驗結果表明，隨著電熱老化時間的增加，材料的電氣性能（體積電阻率、擊穿強度、介電常數和介質損耗因數）、機械性能（拉伸強度、斷裂伸長率和彎曲強度）和熱性能（熱穩(wěn)定性和結晶度）均發(fā)生了顯著劣化。電場強度和溫度越高，性能劣化的速度越快，程度越嚴重。微觀結構變化分析：利用SEM和FTIR對老化前后接枝聚丙烯材料的微觀結構和分子結構進行了分析。SEM圖像顯示，老化后材料的球晶尺寸減小，分布不均勻，出現大量微孔和裂紋；FTIR光譜表明，老化過程中材料分子鏈發(fā)生了氧化降解和交聯反應，產生了羰基、羥基等極性基團，這些微觀結構變化是導致材料宏觀性能劣化的重要原因。電熱老化機理探討：深入探討了接枝聚丙烯材料的熱氧老化和電老化機理。熱氧老化主要是由于分子鏈