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

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(huì)持續(xù)很久，直到交聯(lián)聚乙烯塑料老化后，失去使用價(jià)值時(shí)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(shí)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(gè)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(shí)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(gè)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(gè)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。

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(gè)不同含量的 DCP 交聯(lián)的交聯(lián)聚乙烯試樣以及六個(gè)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(gè)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(gè)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。

        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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，交聯(lián)聚乙烯達(dá)到了最大交聯(lián)度，并且在此時(shí)，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(huì)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(huì)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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