通过马来酰亚胺反应改善聚丙烯的粘稠结构及直流电性能

《IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation》：Enhancement of Viscosifying Structure and DC Electrical Properties in Polypropylene via Maleimide Reaction

研究通过马来酰亚胺功能化处理改进冲击共聚聚丙烯（IPC）的粘度和直流性能，显著提升其电缆绝缘应用潜力。

　　

摘要：

与交联聚乙烯（XLPE）相比，使用热塑性聚丙烯（PP）作为电缆绝缘材料可以有效减少碳排放，使其成为更环保的选择。在各种PP材料中，冲击共聚物聚丙烯（IPC）兼具柔韧性和耐热性，因此成为开发PP绝缘电力电缆的首选材料。然而，对于大截面高压电缆而言，IPC的长直链结构导致其零剪切粘度较低，这使得在绝缘挤出后难以满足电缆的圆度要求。为了调节IPC的粘度特性和直流性能，我们通过马来酸酐（MAH）接枝PP使其具有高分支结构，从而增加了IPC链结构的复杂性。由于链间作用力和分支作用的增强，乙烯-丙烯橡胶（EPR）相分散得更加均匀。此外，材料的结晶和熔化温度略有升高，而在0.05 rad/s的剪切速率下，其粘度大幅增加了238%。直流性能测试表明，经过马来酸酐改性的PP在高温下的空间电荷性能和直流击穿强度方面表现更优。这种改性处理不仅提高了EPR相的分散性，引入的极性基团（羰基和氨基）还显著改善了材料的粘度特性、应力-应变特性、空间电荷行为、电阻率和电气强度，使得直流击穿强度提高了33.2%。这项工作为协同改善IPC的粘度特性和直流电气性能提供了新的技术途径，这对于开发长距离、高压直流（HVdc）PP电力电缆绝缘材料至关重要。

引言

热塑性聚丙烯（PP）具有环保、可回收的特点，并且具有优异的电气性能。与交联聚乙烯（XLPE）绝缘电缆相比，PP电缆在制造过程中不会发生交联或烧焦现象。这不仅缩短了生产周期，降低了能耗，还从根本上解决了XLPE制造过程中凝胶杂质的问题。凭借其优异的介电性能和制造工艺，PP已成为下一代高性能电缆的首选绝缘材料[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。然而，高结晶度的PP在低温下硬度较高且易脆，直接用于电缆绝缘较为困难[6]、[7]、[8]。随着石化工业中催化剂的快速发展，无规共聚物聚丙烯（PPR）和冲击共聚物聚丙烯（IPC）的应用范围得到了大幅扩展。它们的共聚结构显著降低了PP的硬度，解决了低温脆性问题，使其能够满足电缆的弯曲要求[9]、[10]、[11]。由于聚合原理的不同，PPR中的乙烯-丙烯橡胶相分散性明显优于IPC。然而，这种分子链级别的均匀分散会严重干扰PPR的结晶过程，导致其耐热温度低于IPC[9]、[10]、[12]。考虑到PP电缆绝缘层处于热塑性状态，在过热情况下PPR比IPC更容易发生绝缘熔化。因此，IPC在高压直流（HVdc）电缆绝缘中的应用潜力更大。