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交聯(lián)劑、交聯(lián)度對交聯(lián)聚乙烯電性能的影響有哪些?

更新時間:2023-02-01      點(diǎn)擊次數(shù):1443

引言

       目前,工業(yè)上多使用過氧化物交聯(lián)劑來交聯(lián)聚乙烯,過氧化物交聯(lián)聚乙烯的過程機(jī)理已經(jīng)在本文第一章中介紹交聯(lián)聚乙烯的部分進(jìn)行了詳細(xì)的描述。而在過氧化物交聯(lián)聚乙烯的應(yīng)用中,廣泛使用的是過氧化二異丙苯(DCP),因?yàn)?DCP

的分解溫度低于聚乙烯基體的降解溫度,從而避免了聚乙烯交聯(lián)過程中降解的情況,并且能夠有效地防止交聯(lián)聚乙烯的預(yù)交聯(lián)現(xiàn)象。

        使用 DCP 作為交聯(lián)劑的交聯(lián)聚乙烯熱固性塑料一般都有一些氣味,尤其是DCP 交聯(lián)過程氣味較重,而且這種氣味會持續(xù)很久,直到交聯(lián)聚乙烯塑料老化后,失去使用價值時仍有氣味。DCP 是一種二枯基過氧化物,藥品本身是無色、無味、透明的晶體,但是 DCP 分解后的小分子產(chǎn)物主要有苯乙酮,這種產(chǎn)物不易揮發(fā),有臭味,因此使得產(chǎn)品帶有很強(qiáng)烈的刺激氣味,污染環(huán)境,對人體有害。另外,DCP 的交聯(lián)效果一般,在交聯(lián)聚乙烯的過程中 DCP 的使用量一般在 1%到 3%之間,這就使得它的用量比較大,成本提高,并且容易造成與交聯(lián)聚乙烯基體材料混合不均勻,交聯(lián)度不均勻的現(xiàn)象,從而影響塑料制品的力學(xué)性能和電性能穩(wěn)定性。


不同交聯(lián)劑交聯(lián)聚乙烯直流擊穿場強(qiáng)的測試

        使用中航時代的ZJC-100kV 型電壓擊穿試驗(yàn)儀來分別測量 DCP 交聯(lián)的 XLPE 以及 BIPB 所交聯(lián) XLPE 的直流擊穿場強(qiáng)。在此實(shí)驗(yàn)中,使用兩個直徑 200mm 的圓形銅電極作為高壓電極和接地電極,以硅油為介質(zhì)。硅油作為介質(zhì)的作用是防止氣泡的形成,使得所測量的最終擊穿場強(qiáng)是絕緣材料的擊穿場強(qiáng)而不是空氣的擊穿場強(qiáng)。用計(jì)算機(jī)程序控制以 1kV/s 的線性速率升高電壓,直到所測試試片發(fā)生擊穿現(xiàn)象為止,此時記錄電壓數(shù)據(jù)以得出 XLPE 絕緣材料的擊穿電壓。總共包括了 13 個試片,分別是純 LDPE、XLPE/0.5 wt % DCP、XLPE/1.0 wt % DCP、XLPE/1.5 wt % DCP、XLPE/2.0 wt % DCP、XLPE/2.5 wt % DCP、XLPE/3.0wt % DCP、XLPE/0.3 wt % BIPB、XLPE/0.6 wt % BIPB、XLPE/0.9 wt %BIPB、XLPE/1.2 wt % BIPB、XLPE/1.5 wt % BIPB、XLPE/1.8 wt % BIPB。每個試片至少進(jìn)行十次直流電壓擊穿試驗(yàn),由擊穿電壓與試樣的厚度求得試樣的擊穿場強(qiáng),并通過 Weibull 統(tǒng)計(jì)分布對擊穿場強(qiáng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

中航時代50kv (24).jpg

交聯(lián)度對交聯(lián)聚乙烯擊穿性能的影響

         對未經(jīng)交聯(lián)過程的線性低密度聚乙烯試樣、六個不同含量的 DCP 交聯(lián)的交聯(lián)聚乙烯試樣以及六個不同含量的 BIPB 交聯(lián)的交聯(lián)聚乙烯試樣進(jìn)行的直流電壓擊穿試驗(yàn)結(jié)果如圖 2-3 所示。圖 2-3a 是未經(jīng)交聯(lián)過程的線性低密度聚乙烯試樣與六個不同含量的 DCP 交聯(lián)的交聯(lián)聚乙烯試樣的直流擊穿場強(qiáng)的 Weibull 分布圖,圖2-3b 是未經(jīng)交聯(lián)過程的線性低密度聚乙烯試樣與六個不同含量的 BIPB 交聯(lián)的交聯(lián)聚乙烯試樣的直流擊穿場強(qiáng)的 Weibull 分布圖。

image.png

        由圖 2-3a 可知,未經(jīng)過交聯(lián)的線性低密度聚乙烯試樣的直流擊穿場強(qiáng)在 130kV/mm 左右,而經(jīng)過交聯(lián)劑 DCP 交聯(lián)的交聯(lián)聚乙烯試樣的直流擊穿場強(qiáng)普遍大于未交聯(lián)的試樣,即使當(dāng)交聯(lián)聚乙烯中 DCP 的含量僅為 0.5 wt %時,試樣的直流擊穿場強(qiáng)也增至 150 kV/mm 左右,數(shù)值較未經(jīng)過交聯(lián)的線性低密度聚乙烯試樣的提高了 20 kV/mm。并且隨著交聯(lián)劑 DCP 含量的增加,試樣的直流擊穿場強(qiáng)也在不斷增大,當(dāng) DCP 含量為 1.0 wt %時,試樣的直流擊穿場強(qiáng)大約為 160 kV/mm;當(dāng) DCP 含量為 1.5 wt %時,試樣的直流擊穿場強(qiáng)大約為 180 kV/mm;當(dāng) DCP 含量為 2.0 wt %時,試樣的直流擊穿場強(qiáng)大約為 205 kV/mm。當(dāng) DCP 含量繼續(xù)增加至 2.5 wt %時,試樣的直流擊穿場強(qiáng)達(dá)到了最大值的 230 kV/mm,但是當(dāng) DCP含量繼續(xù)增加至 3.0 wt %時,試樣的直流擊穿場強(qiáng)反而下降至 215 kV/mm。

        通過分析圖 2-3b,我們可以發(fā)現(xiàn)同上一樣的規(guī)律,但是 BIPB 所交聯(lián)的交聯(lián)聚乙烯試樣與 DCP 所交聯(lián)的交聯(lián)聚乙烯試樣不同的是在 BIPB 含量為 1.5 wt %時,試樣的直流擊穿場強(qiáng)達(dá)到了 245 kV/mm,其數(shù)值上比 DCP 含量為 2.5 wt %

試樣的直流擊穿場強(qiáng)大 15 kV/mm 左右。

        通過將圖 2-3 直流擊穿場強(qiáng)所示數(shù)據(jù)與圖 2-2 交聯(lián)劑含量與交聯(lián)度的關(guān)系結(jié)合在一起,我們可以發(fā)現(xiàn)。隨著交聯(lián)聚乙烯試樣交聯(lián)度的提高,試樣的直流擊穿場強(qiáng)也在不斷增大,并且其變化規(guī)律與交聯(lián)度一致。當(dāng)試樣中 DCP 含量為 2.5wt %與 BIPB 含量為 2.5 wt %時,交聯(lián)聚乙烯達(dá)到了最大交聯(lián)度,并且在此時,試樣的直流擊穿場強(qiáng)也達(dá)到了最大值。這是因?yàn)檫^氧化物的交聯(lián)過程使得低密度聚乙烯通過分子鏈之間的交聯(lián)由線性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),從而大大提高了它的介電性能和擊穿場強(qiáng)。而當(dāng)過氧化物含量過多的情況下,過氧化物分解產(chǎn)生自由基無法引發(fā)鏈反應(yīng)而殘留在試樣中,并且交聯(lián)之后會產(chǎn)生過多的交聯(lián)副產(chǎn)物,包括苯乙酮、α-乙烯與苯甲醇等,這些物質(zhì)會在一定程度上影響試樣的擊穿場強(qiáng)。在值得注意的是,在試樣到達(dá)最大交聯(lián)度的基礎(chǔ)上,BIPB 所交聯(lián)的交聯(lián)聚乙烯試樣的直流擊穿電壓要大于 DCP 所交聯(lián)的交聯(lián)聚乙烯試樣的直流擊穿電壓,這是因?yàn)?BIPB 交聯(lián)劑交聯(lián)效率高、用量少并且副產(chǎn)物含量少的原

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