一、高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料關(guān)鍵性能探討

高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料的關(guān)鍵性能主要有以下幾點(diǎn)：

（1）低密度聚乙烯基料的結構與流變性能

交聯(lián)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(guān)鍵性能之一。交聯(lián)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，并一定程度受復配體系的影響。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(shí)，要求其高溫剪切黏度低，以降低擠出溫度與壓力、提高絕緣層表面光滑度；而擠出成型后的降溫過(guò)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(jìn)口基料零切黏度為4.45×104Pa·s，而國產(chǎn)基料為3.81×104Pa·s。國產(chǎn)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、擠出表面光滑度不高、絕緣層易偏心等。低密度聚乙烯基料流變性主要取決于分子鏈結構，即相對平均分子質(zhì)量、相對分子量分布、支化度、長(cháng)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(zhì)量越大黏度越大；相對平均分子質(zhì)量接近時(shí)，相對分子量分布越寬流動(dòng)性越好；相對平均分子質(zhì)量和相對分子量分布接近時(shí)，流變性受控于支化結構。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(chǎn)低密度聚乙烯基料較北歐化工和陶氏化學(xué)基料高。以長(cháng)支鏈數為例，國產(chǎn)低密度聚乙烯基料高分子量區的長(cháng)支鏈數與進(jìn)口電纜料接近，而低分子量區長(cháng)支鏈數目明顯較少。

（2)交聯(lián)聚乙烯絕緣料脫氣性能

交聯(lián)聚乙烯絕緣料脫氣性是指交聯(lián)聚乙烯絕緣在脫氣工藝中除去內部交聯(lián)副產(chǎn)物的能力。脫氣性能好壞體現在脫氣時(shí)間長(cháng)短和殘余交聯(lián)副產(chǎn)物含量高低兩方面，因此直接關(guān)系到電纜生產(chǎn)效率高低以及電纜絕緣性能優(yōu)劣。一方面，電纜絕緣層脫氣處理所需要的時(shí)間相比其它電纜加工環(huán)節而言，在整個(gè)電纜制造時(shí)間中占比最大，約占50%~70%。

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

提升脫氣性能的核心問(wèn)題在于保證交聯(lián)聚乙烯絕緣熱、力學(xué)性能的基礎上提升交聯(lián)劑作用效率、降低交聯(lián)劑用量、改善電纜絕緣脫氣性能，從而提高高壓電纜生產(chǎn)效率，優(yōu)化交聯(lián)聚乙烯絕緣純凈度，并提高高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣性能。因此需要揭示交聯(lián)劑復配與低密度聚乙烯基料聚集態(tài)結構的關(guān)聯(lián)、交聯(lián)反應效率與基料分子鏈結構的關(guān)聯(lián)，進(jìn)一步優(yōu)化絕緣料交聯(lián)劑復配配方和復配工藝，并提出基料鏈結構改進(jìn)方案。此外，針對目前過(guò)氧化二異丙苯交聯(lián)劑可引發(fā)焦燒現象并需要脫氣處理的局限性，國外學(xué)者開(kāi)展的新型交聯(lián)方式研究也具有借鑒意義。例如，通過(guò)兩種接枝聚乙烯共聚物組成的混合材料，該材料在120~140℃溫度范圍內不發(fā)生交聯(lián)反應，而當溫度高于150℃時(shí)發(fā)生交聯(lián)反應而不產(chǎn)生任何副產(chǎn)物。

（3）交聯(lián)聚乙烯絕緣料耐焦燒性能

交聯(lián)聚乙烯絕緣料耐焦燒性是指抑制其擠出過(guò)程中過(guò)早交聯(lián)、生成凝膠現象的能力。電纜絕緣料耐焦燒意味著(zhù)擠出過(guò)程中允許溫度波動(dòng)程度更大，高溫加工時(shí)間更長(cháng)，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。一方面，避免了凝膠產(chǎn)物堵塞擠出濾網(wǎng)，增加了電纜擠出長(cháng)度，提升了電纜生產(chǎn)效率；另一方面，殘留在電纜主絕緣中的凝膠少，局部缺陷少，有利于提升絕緣介質(zhì)內部結構的均勻性，改善電氣絕緣性能。

實(shí)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(shí)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(shí)間值來(lái)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(shí)間較長(cháng)，陶氏化學(xué)電纜絕緣料次之，而某批次國產(chǎn)電纜絕緣料時(shí)間最短，耐焦燒性能較差。這反映出國產(chǎn)電纜絕緣料連續擠出加工時(shí)間較短，電纜生產(chǎn)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(fēng)險。

（4）交聯(lián)聚乙烯絕緣電氣絕緣性能

交聯(lián)聚乙烯絕緣的電氣絕緣性能關(guān)鍵指標包含了介電損耗、介電常數、電導率、擊穿場(chǎng)強等。相比北歐化工電纜絕緣料，國產(chǎn)電纜絕緣料各介電參數不足的原因包括以下幾方面：首先，國產(chǎn)電纜絕緣料化學(xué)純凈度低，表現為極性基團、交聯(lián)副產(chǎn)物和抗氧劑等含量高；其次，每千克國產(chǎn)電纜絕緣料中100μm尺寸以上的雜質(zhì)約有2~5個(gè)，而進(jìn)口電纜絕緣料沒(méi)有大于100μm的雜質(zhì)。微米級雜質(zhì)的引入將導致?lián)舸﹫?chǎng)強顯著(zhù)下降。此外，各個(gè)電性能參數均與交聯(lián)聚乙烯絕緣分子鏈結構和聚集態(tài)結構相關(guān)，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(chǎng)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(chǎng)強高達430kV/mm。

目前多種技術(shù)途徑的電纜絕緣料研發(fā)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制電荷注入、調控電導率特性、優(yōu)化直流接地電樹(shù)枝特性、獲得高擊穿場(chǎng)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(chǎng)分布特性、電熱老化特性、電樹(shù)枝特性等方面。電導溫度依賴(lài)特性、空間電荷特性及其耦合關(guān)系等是決定交聯(lián)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(lián)聚乙烯交流絕緣性能的基礎。高性能電纜絕緣研發(fā)需要首先明確上述多種介電特性與交聯(lián)聚乙烯絕緣多級結構和雜質(zhì)缺陷的量化關(guān)系。電樹(shù)枝化是交流高壓電場(chǎng)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(lián)聚乙烯絕緣的老化特性和長(cháng)期服役性能。

電樹(shù)枝引發(fā)與生長(cháng)主要受交聯(lián)聚乙烯結構和雜質(zhì)缺陷的影響。雜質(zhì)缺陷或屏蔽層凸起是電樹(shù)枝引發(fā)的關(guān)鍵位置。國產(chǎn)電纜絕緣料雜質(zhì)含量高、擠出絕緣表面不光滑、絕緣/屏蔽層界面凸起等缺陷數量多，造成電纜絕緣電樹(shù)枝引發(fā)概率高，電氣絕緣性能不足。然而，隨著(zhù)高壓電纜電壓等級不斷提升，電纜絕緣微米級雜質(zhì)與屏蔽層凸起缺陷位置外仍可以發(fā)現電樹(shù)枝現象。國內外對電樹(shù)枝研究局限在電樹(shù)枝引發(fā)與生長(cháng)過(guò)程的物理機制，重點(diǎn)關(guān)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(shù)枝的影響。沒(méi)有從抑制電樹(shù)枝角度，對交聯(lián)聚乙烯鏈結構提出要求，無(wú)法指導低密度聚乙烯基料分子鏈結構設計和復配體系設計。因此，迫切需要從乙烯聚合和復配過(guò)程入手，研究提升電纜絕緣料純凈度、減少電纜絕緣料缺陷數量的方法，揭示電樹(shù)枝與電纜絕緣料鏈結構的關(guān)聯(lián)，提升電纜絕緣耐電樹(shù)枝能力，提高高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣性能。

綜上所述，我國高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料自主研發(fā)的關(guān)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(lián)聚乙烯絕緣料自主研發(fā)中所面對的挑戰，即在絕緣料四大關(guān)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(gè)基礎科學(xué)問(wèn)題，如下圖所示。

（1）低密度聚乙烯分子鏈結構設計和控制

交聯(lián)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(guān)。同時(shí)，分子鏈結構還決定了其可交聯(lián)性以及添加劑復配過(guò)程，影響分子鏈交聯(lián)網(wǎng)狀結構和結晶結構。我國目前采用進(jìn)口管式法工業(yè)裝置，經(jīng)超高壓高溫反應合成制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(guān)化工企業(yè)不掌握關(guān)鍵專(zhuān)利技術(shù)，缺乏生產(chǎn)運行過(guò)程安全操作邊界工藝技術(shù)研究基礎，而對低密度聚乙烯的多參數工藝調整必然引發(fā)巨大的安全生產(chǎn)風(fēng)險性，故不能對基料進(jìn)行全面系統的工藝條件優(yōu)化。這些制約了低密度聚乙烯基料的分子結構優(yōu)化與性能提升。針對低密度聚乙烯分子鏈結構設計和控制這一科學(xué)問(wèn)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(yōu)化方案，然后結合模擬仿真計算、小試裝置試驗、反應控制技術(shù)等方面開(kāi)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(guān)聯(lián)；開(kāi)展低密度聚乙烯合成的實(shí)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制技術(shù)；研究控制低密度聚乙烯鏈結構的關(guān)鍵技術(shù)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?xún)?yōu)異的流變性能獲得目標分子鏈結構。同時(shí)，流變性能也影響著(zhù)電纜絕緣料的復配過(guò)程，即影響抗氧劑的添加過(guò)程。針對電纜絕緣料流變行為與設計理論這一科學(xué)問(wèn)題可以開(kāi)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(guān)聯(lián)；研究低密度聚乙烯基料流變行為與復配過(guò)程關(guān)聯(lián)的機理；研究電纜絕緣料應用周期內熔體黏彈特性和動(dòng)態(tài)成型中的流動(dòng)狀態(tài)，提出電纜絕緣料擠出流變行為理論，進(jìn)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(dòng)態(tài)成型調控方法及其對絕緣成型后多級結構的影響規律與機制。

（3）電纜絕緣料交聯(lián)和流變耦合機理

優(yōu)化設計電纜絕緣的復配體系，精準控制電纜擠出動(dòng)態(tài)成型過(guò)程，需要關(guān)注電纜絕緣料交聯(lián)和流變的耦合機理，針對這一科學(xué)問(wèn)題可以開(kāi)展如下研究工作：掌握交聯(lián)劑擴散遷移對交聯(lián)的作用規律和機理；研究交聯(lián)劑在電纜絕緣料中的擴散特征與長(cháng)時(shí)穩定性；揭示交聯(lián)與流變的耦合作用機制，從分子鏈結構層面研究流變特性與交聯(lián)特性的相互影響作用；研究交聯(lián)流變耦合提高交聯(lián)效率的理論，研究提升交聯(lián)劑交聯(lián)效率的理論方法。

（4）電纜絕緣料抗氧化和交聯(lián)耦合機理

改善電纜絕緣料的焦燒特性，優(yōu)化電纜絕緣料復配體系，提升電纜絕緣料的可加工性，需要關(guān)注電纜絕緣料抗氧化和交聯(lián)耦合機理，針對這一科學(xué)問(wèn)題可以開(kāi)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(guò)程中的產(chǎn)熱規律，厘清內生固相雜質(zhì)與基料流變行為的關(guān)聯(lián)；闡明復配體系中抗氧劑擴散和遷移的微觀(guān)機制，揭示抗氧劑微觀(guān)行為與電纜絕緣料耐焦燒性能的關(guān)聯(lián)，研究提高電纜絕緣料耐焦燒性能的理論和方法；研發(fā)新型抗焦燒復配體系；研究交聯(lián)和抗氧化在分子層面的匹配機制，研究交聯(lián)與耐焦燒的耦合機理及兩者同時(shí)提高的理論。

（5）電纜絕緣性能與交聯(lián)聚乙烯結構和雜質(zhì)缺陷的關(guān)聯(lián)

高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料研發(fā)的目標是使得最終高壓電纜絕緣的性能優(yōu)異。隨著(zhù)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(shí)現整體性能提升，否則將造成電纜散熱問(wèn)題和電纜生產(chǎn)、安裝問(wèn)題，交聯(lián)聚乙烯承受的平均工作電場(chǎng)不斷增強，對交聯(lián)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(lián)聚乙烯多級結構和物理化學(xué)雜質(zhì)缺陷的關(guān)聯(lián)，探索交聯(lián)聚乙烯絕緣性能強化方法。掌握分子鏈結構、聚集態(tài)結構、各類(lèi)結構缺陷和不同尺度雜質(zhì)對交聯(lián)聚乙烯絕緣電荷輸運特性、電場(chǎng)分布特性、介電強度、長(cháng)期耐老化特性和電樹(shù)枝引發(fā)與生長(cháng)過(guò)程的影響機制具有重要意義。如前文所述，交聯(lián)聚乙烯的多級結構和雜質(zhì)缺陷與自由基聚合、添加劑復配、擠出成型、交聯(lián)與脫氣過(guò)程等息息相關(guān)。因此，厘清電氣絕緣性能與交聯(lián)聚乙烯多級結構和雜質(zhì)缺陷的關(guān)聯(lián)，是對高性能電纜絕緣料研發(fā)與生產(chǎn)中各個(gè)環(huán)節提出具體需求的理論基礎。

本文討論了高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料成為高壓電纜生產(chǎn)“卡脖子”關(guān)鍵電工材料這一現狀；結合生產(chǎn)與應用流程，梳理了高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料的四大關(guān)鍵性能，即低密度聚乙烯基料結構與流變性能、交聯(lián)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(lián)聚乙烯絕緣的五個(gè)基礎科學(xué)問(wèn)題，即低密度聚乙烯分子鏈結構設計和控制、電纜絕緣料流變行為與設計理論、電纜絕緣料交聯(lián)和流變耦合機理、電纜絕緣料抗氧化和交聯(lián)耦合機理、電纜絕緣性能與交聯(lián)聚乙烯結構和雜質(zhì)缺陷的關(guān)聯(lián)。通過(guò)基礎問(wèn)題探討，旨在推進(jìn)我國高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料基礎理論的研究，推進(jìn)我國高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料自主研發(fā)進(jìn)程。

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