CN115028775A - 一种接枝改性交联聚乙烯绝缘层及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种接枝改性交联聚乙烯绝缘层及其制备方法与应用，属于输电设备绝缘层技术领域。为提高现有高压直流电缆用绝缘材料的直流介电性能，改善高压直流电缆绝缘层的空间电荷问题，本发明提供了一种接枝改性交联聚乙烯绝缘层，由热塑性聚乙烯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、过氧化二异丙苯和抗氧剂经熔融共混、挤出和交联制成。本发明通过接枝改性对材料内部引入深陷阱能级，有效抑制载流子迁移，降低材料高温电导率，提高材料的直流击穿强度。将本发明提供的接枝改性交联聚乙烯绝缘层用于制备高压直流电缆，能够抑制电荷继续向材料内部的注入，改善高压直流电缆绝缘层的空间电荷问题。
Description
技术领域
本发明属于输电设备绝缘层技术领域，尤其涉及一种接枝改性交联聚乙烯绝缘层及其制备方法与应用。
背景技术
高压直流输电电缆线路不仅能够实现长距离、大容量的电力传输，还适用于水下线缆输电、地下电缆输电等方面，可联接异步电网，具有稳定性好，调节速度快，线路损耗小等诸多优点，其应用日益受到重视。聚乙烯具有良好的介电性、化学稳定性，生产加工方便且使用周期较长，是全球使用数量最多、应用最广的塑料产品之一。但是，高压直流电缆使用传统交联聚乙烯(XLPE)绝缘层时，由于在直流高压电场的持续作用下，存在较大温度梯度导致绝缘层内部材料电导率随温度变化，从而导致绝缘层出现电场反转现象；同时，由于绝缘材料的加工过程中的填料、杂质和材料本征物理特性导致材料内部存在浅陷阱，在长时高压直流电作用下绝缘内部会积聚大量空间电荷，从而导致绝缘层内部的电场分布发生畸变，加速材料老化甚至击穿。
公开号为CN108623877A的发明专利申请《一种高压直流电缆用绝缘材料及其制备方法》通过加入助交联剂降低了交联剂的用量，减少了交联副产物的生成量；进而通过延长塑化时间、缩短脱气时间，减少了交联副产物的浓度，提高了电缆的绝缘性能。但该方法并没有解决高压直流电缆用绝缘材料的直流介电性能下降的问题。
发明内容
为提高现有高压直流电缆用绝缘材料的直流介电性能，改善高压直流电缆绝缘层的空间电荷问题，本发明提供了一种接枝改性交联聚乙烯绝缘层及其制备方法与应用。
本发明的技术方案：
一种接枝改性交联聚乙烯绝缘层，包括如下重量份的组分经熔融共混、挤出和交联制成：
进一步的，所述热塑性聚乙烯为低密度聚乙烯或聚乙烯混合物中的一种，所述聚乙烯混合物为低密度聚乙烯与高密度聚乙烯或线性低密度聚乙烯中的一种按任意质量比组成的混合物。
进一步的，所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1035或抗氧剂300中的一种或几种的组合。
一种接枝改性交联聚乙烯绝缘层的制备方法，步骤如下：
步骤一、将热塑性聚乙烯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、过氧化二异丙苯和抗氧剂按重量份均匀混合，将所得混合物在一定温度、转速下熔融共混，得到含有可接枝极性基团的聚乙烯组合物；
步骤二、步骤一所得聚乙烯组合物在一定温度下挤出，然后在一定压强和温度条件下进行交联，得到接枝改性交联聚乙烯绝缘层。
进一步的，步骤一所述熔融共混的温度为100～120℃，转速为45～55r/min，熔融共混的时间为10～20min。
进一步的，步骤二所述挤出温度为110～130℃；所述交联压强为14～16bar，交联温度为270～330℃。
一种接枝改性交联聚乙烯绝缘层在制备高压直流电缆中的应用。
进一步的，所述高压直流电缆的制备方法为：
步骤1、将权利要求1-3任一项所述的接枝改性交联聚乙烯绝缘层中的热塑性聚乙烯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、过氧化二异丙苯和抗氧剂按重量份均匀混合，将所得混合物在一定温度、转速下熔融共混，得到含有可接枝极性基团的聚乙烯组合物；
步骤2、步骤1所得聚乙烯组合物放入三层共挤电缆挤出机中，与所述聚乙烯组合物与屏蔽材料同时在一定温度下进行三层共挤，得到由外屏蔽层-聚乙烯组合物绝缘层-内屏蔽层组成的三层电缆材料；
在所述三层电缆材料被挤出的同时将电缆导体包覆于其中，所述三层电缆材料与被其包覆的电缆导体共同以一定的线芯运行速度经过具有一定压强和温度的交联管道，得到高压直流电缆。
进一步的，步骤1所述熔融共混的温度为100～120℃，转速为45～55r/min，熔融共混的时间为10～20min。
进一步的，步骤2所述挤出温度为110～130℃；所述线芯运行速度为1.4～1.6m/min；所述交联管道的压强为14～16bar，温度为270～330℃。
本发明的有益效果：
本发明提供的接枝改性交联聚乙烯绝缘层通过对材料内部引入深陷阱能级，使材料中的初始载流子可以入陷形成荷电点阵，有效抑制载流子迁移，降低材料高温电导率，从而抑制高压直流电缆运行状态下出现的电场反转问题；同时自由电子被深陷阱捕获和散射，缩短电子寿命与平均自由程，提高材料的直流击穿强度。
将本发明提供的接枝改性交联聚乙烯绝缘层用于制备高压直流电缆，在高压直流电作用下，入陷至材料表面的电荷，形成均匀分布的库伦力场，抑制电荷继续向材料内部的注入，改善高压直流电缆绝缘层的空间电荷问题。
本发明采用化学交联方法，以过氧化二异丙苯-DCP为引发剂，在高温高压下引发交联反应，在聚乙烯材料交联的同时在交联聚乙烯材料的分子链上接枝一定量三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯-TMPTMA，完成接枝改性交联聚乙烯绝缘层的制备。本发明提供的制备方法工艺简单，所需原料和设备价格低廉，适合大规模生产并能够与目前的工业化电缆制造工艺相适应。
附图说明
图1为实施例1、实施例3与对比例1、对比例3制得的交联聚乙烯绝缘层测试样常温下的拉伸实验应力-应变曲线图；
图2为实施例2、实施例4与对比例2、对比例4制得的交联聚乙烯绝缘层测试样常温下的拉伸实验应力-应变曲线图；
图3为实施例1制得的接枝交联聚乙烯绝缘层测试样(XLPE-g-0.2TMPTMA/1.8DCP)常温下的空间电荷分布图；
图4为实施例2制得的接枝交联聚乙烯绝缘层测试样(XLPE-g-0.2TMPTMA/2.0DCP)常温下的空间电荷分布图；
图5为实施例3制得的接枝交联聚乙烯绝缘层测试样(XLPE-g-0.4TMPTMA/1.8DCP)常温下的空间电荷分布图；
图6为实施例4制得的接枝交联聚乙烯绝缘层测试样(XLPE-g-0.4TMPTMA/2.0DCP)常温下的空间电荷分布图；
图7为对比例1制得的接枝交联聚乙烯绝缘层测试样(XLPE-g-0.6TMPTMA/1.8DCP)常温下的空间电荷分布图；
图8为对比例2制得的接枝交联聚乙烯绝缘层测试样(XLPE-g-0.6TMPTMA/2.0DCP)常温下的空间电荷分布图；
图9为对比例3制得的交联聚乙烯绝缘层测试样(XLPE/1.8DCP)常温下的空间电荷分布图；
图10为对比例4制得的交联聚乙烯绝缘层测试样(XLPE/2.0DCP)常温下的空间电荷分布图；
图11为实施例1制得的接枝交联聚乙烯绝缘层测试样(XLPE-g-0.2TMPTMA/1.8DCP)在不同温度条件下材料电导率图；
图12为实施例2制得的接枝交联聚乙烯绝缘层测试样(XLPE-g-0.2TMPTMA/2.0DCP)在不同温度条件下材料电导率图；
图13为实施例3制得的接枝交联聚乙烯绝缘层测试样(XLPE-g-0.4TMPTMA/1.8DCP)在不同温度条件下材料电导率图；
图14为实施例4制得的接枝交联聚乙烯绝缘层测试样(XLPE-g-0.4TMPTMA/2.0DCP)在不同温度条件下材料电导率图；
图15为对比例1制得的接枝交联聚乙烯绝缘层测试样(XLPE-g-0.6TMPTMA/1.8DCP)在不同温度条件下材料电导率图；
图16为对比例2制得的接枝交联聚乙烯绝缘层测试样(XLPE-g-0.6TMPTMA/2.0DCP)在不同温度条件下材料电导率图；
图17为对比例3制得的交联聚乙烯绝缘层测试样(XLPE/1.8DCP)在不同温度条件下材料电导率图；
图18为对比例4制得的交联聚乙烯绝缘层测试样(XLPE/2.0DCP)在不同温度条件下材料电导率图；
图19为实施例1、2、3、4与对比例1、2、3、4制得的交联聚乙烯绝缘层测试样常温击穿场强威布尔分布图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置，若未特别指明，本发明实施例中所用的原料等均可市售获得；若未具体指明，本发明实施例中所用的技术手段均为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1
本实施例提供了一种接枝改性交联聚乙烯绝缘层，由如下重量份的组分经熔融共混、挤出和交联制成：
将本实施例提供的接枝改性交联聚乙烯绝缘层用于制备高压直流电缆，具体制备方法步骤如下：
步骤1、将低密度聚乙烯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、过氧化二异丙苯和抗氧剂1010按重量份均匀混合，将所得混合物加入密炼机，在温度为110℃，转速为40r/min的条件下熔融共混10min，得到含有可接枝极性基团的聚乙烯组合物；
步骤2、将步骤1所得聚乙烯组合物放入三层共挤电缆挤出机中，以聚乙烯组合物作为绝缘层材料，将其与屏蔽层材料同时在120℃进行三层共挤，得到由外屏蔽层-聚乙烯组合物绝缘层-内屏蔽层组成的三层电缆材料；
在所述三层电缆材料被挤出的同时将电缆导体包覆于其中，三层电缆材料与被其包覆的电缆导体共同以1.5m/min的线芯运行速度经过压强为16bar，温度为300℃的交联管道得到高压直流电缆，其中聚乙烯组合物在交联管道内交联，得到接枝改性交联聚乙烯绝缘层(XPLE-g-0.2TMPTMA/1.8DCP)。
屏蔽材料采用市售±525kV半导电屏蔽料，电缆导体采用市售无氧铜经拉丝、绞合工序制备的电缆导体。
实施例2
本实施例提供了一种接枝改性交联聚乙烯绝缘层，由如下重量份的组分经熔融共混、挤出和交联制成：
将本实施例提供的接枝改性交联聚乙烯绝缘层用于制备高压直流电缆，具体制备方法步骤如下：
步骤1、将低密度聚乙烯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、过氧化二异丙苯和抗氧剂1010按重量份均匀混合，将所得混合物加入密炼机，在温度为110℃，转速为40r/min的条件下熔融共混10min，得到含有可接枝极性基团的聚乙烯组合物；
步骤2、将步骤1所得聚乙烯组合物放入三层共挤电缆挤出机中，以聚乙烯组合物作为绝缘层材料，将其与屏蔽材料同时在120℃进行三层共挤，得到由外屏蔽层-聚乙烯组合物绝缘层-内屏蔽层组成的三层电缆材料；
在所述三层电缆材料被挤出的同时将电缆导体包覆于其中，三层电缆材料与被其包覆的电缆导体共同以1.5m/min的线芯运行速度经过压强为16bar，温度为300℃的交联管道得到高压直流电缆，其中聚乙烯组合物在交联管道内交联，得到接枝改性交联聚乙烯绝缘层(XPLE-g-0.2TMPTMA/2.0DCP)。
屏蔽材料采用市售±525kV半导电屏蔽料，电缆导体采用市售无氧铜经拉丝、绞合工序制备的电缆导体。
实施例3
本实施例提供了一种接枝改性交联聚乙烯绝缘层，由如下重量份的组分经熔融共混、挤出和交联制成：
将本实施例提供的接枝改性交联聚乙烯绝缘层用于制备高压直流电缆，具体制备方法步骤如下：
步骤1、将低密度聚乙烯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、过氧化二异丙苯和抗氧剂1010按重量份均匀混合，将所得混合物加入密炼机，在温度为110℃，转速为40r/min的条件下熔融共混10min，得到含有可接枝极性基团的聚乙烯组合物；
步骤2、将步骤1所得聚乙烯组合物放入三层共挤电缆挤出机中，以聚乙烯组合物作为绝缘层材料，将其与屏蔽层材料同时在120℃进行三层共挤，得到由外屏蔽层-聚乙烯组合物绝缘层-内屏蔽层组成的三层电缆材料；
在所述三层电缆材料被挤出的同时将电缆导体包覆于其中，三层电缆材料与被其包覆的电缆导体共同以1.5m/min的线芯运行速度经过压强为16bar，温度为300℃的交联管道得到高压直流电缆，其中聚乙烯组合物在交联管道内交联，得到接枝改性交联聚乙烯绝缘层(XPLE-g-0.4TMPTMA/1.8DCP)。
屏蔽材料采用市售±525kV半导电屏蔽料，电缆导体采用市售无氧铜经拉丝、绞合工序制备的电缆导体。
实施例4
本实施例提供了一种接枝改性交联聚乙烯绝缘层，由如下重量份的组分经熔融共混、挤出和交联制成：
将本实施例提供的接枝改性交联聚乙烯绝缘层用于制备高压直流电缆，具体制备方法步骤如下：
步骤1、将低密度聚乙烯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、过氧化二异丙苯和抗氧剂1010按重量份均匀混合，将所得混合物加入密炼机，在温度为110℃，转速为40r/min的条件下熔融共混10min，得到含有可接枝极性基团的聚乙烯组合物；
步骤2、将步骤1所得聚乙烯组合物放入三层共挤电缆挤出机中，以聚乙烯组合物作为绝缘层材料，将其与屏蔽层材料同时在120℃进行三层共挤，得到由外屏蔽层-聚乙烯组合物绝缘层-内屏蔽层组成的三层电缆材料；
在所述三层电缆材料被挤出的同时将电缆导体包覆于其中，三层电缆材料与被其包覆的电缆导体共同以1.5m/min的线芯运行速度经过压强为16bar，温度为300℃的交联管道得到高压直流电缆，其中聚乙烯组合物在交联管道内交联，得到接枝改性交联聚乙烯绝缘层(XPLE-g-0.4TMPTMA/2.0DCP)。
屏蔽材料采用市售±525kV半导电屏蔽料，电缆导体采用市售无氧铜经拉丝、绞合工序制备的电缆导体。
实施例5
本实施例提供了一种接枝改性交联聚乙烯绝缘层，由如下重量份的组分经熔融共混、挤出和交联制成：
本实施例使用的聚乙烯混合物为低密度聚乙烯和线性低密度聚乙烯组成的聚乙烯混合物，其中低密度聚乙烯和线性低密度聚乙烯的质量比为8:2。
将本实施例提供的接枝改性交联聚乙烯绝缘层用于制备高压直流电缆，具体制备方法步骤如下：
步骤1、将聚乙烯混合物、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、过氧化二异丙苯和抗氧剂300按重量份均匀混合，将所得混合物加入密炼机，在温度为100℃，转速为45r/min的条件下熔融共混15min，得到含有可接枝极性基团的聚乙烯组合物；
步骤2、将步骤1所得聚乙烯组合物放入三层共挤电缆挤出机中，以聚乙烯组合物作为绝缘层材料，将其与屏蔽层材料同时在125℃进行三层共挤，得到由外屏蔽层-聚乙烯组合物绝缘层-内屏蔽层组成的三层电缆材料；
在所述三层电缆材料被挤出的同时将电缆导体包覆于其中，三层电缆材料与被其包覆的电缆导体共同以1.4m/min的线芯运行速度经过压强为14bar，温度为270℃的交联管道得到高压直流电缆，其中聚乙烯组合物在交联管道内交联，得到接枝改性交联聚乙烯绝缘层。
屏蔽材料采用市售±525kV半导电屏蔽料，电缆导体采用市售无氧铜经拉丝、绞合工序制备的电缆导体。
实施例6
本实施例提供了一种接枝改性交联聚乙烯绝缘层，由如下重量份的组分经熔融共混、挤出和交联制成：
本实施例使用的聚乙烯混合物为低密度聚乙烯和线性低密度聚乙烯组成的聚乙烯混合物，其中低密度聚乙烯和线性低密度聚乙烯的质量比为7:3。
将本实施例提供的接枝改性交联聚乙烯绝缘层用于制备高压直流电缆，具体制备方法步骤如下：
步骤1、将聚乙烯混合物、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、过氧化二异丙苯和抗氧剂1035按重量份均匀混合，将所得混合物加入密炼机，在温度为120℃，转速为55r/min的条件下熔融共混20min，得到含有可接枝极性基团的聚乙烯组合物；
步骤2、将步骤1所得聚乙烯组合物放入三层共挤电缆挤出机中，以聚乙烯组合物作为绝缘层材料，将其与屏蔽层材料同时在130℃进行三层共挤，得到由外屏蔽层-聚乙烯组合物绝缘层-内屏蔽层组成的三层电缆材料；
在所述三层电缆材料被挤出的同时将电缆导体包覆于其中，三层电缆材料与被其包覆的电缆导体共同以1.6m/min的线芯运行速度经过压强为16bar，温度为330℃的交联管道得到高压直流电缆，其中聚乙烯组合物在交联管道内交联，得到接枝改性交联聚乙烯绝缘层。
屏蔽材料采用市售±525kV半导电屏蔽料，电缆导体采用市售无氧铜经拉丝、绞合工序制备的电缆导体。
对比例1
本对比例提供了一种交联聚乙烯绝缘层，由如下重量份的组分经熔融共混、挤出和交联制成：
将本对比例提供的交联聚乙烯绝缘层用于制备高压直流电缆，具体制备方法步骤如下：
步骤1、将低密度聚乙烯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、过氧化二异丙苯和抗氧剂1010按重量份均匀混合，将所得混合物加入密炼机，在温度为110℃，转速为40r/min的条件下熔融共混10min，得到聚乙烯组合物；
步骤2、将步骤1所得聚乙烯组合物放入三层共挤电缆挤出机中，以聚乙烯组合物作为绝缘层材料，将其与屏蔽层材料同时在120℃进行三层共挤，得到由外屏蔽层-聚乙烯组合物绝缘层-内屏蔽层组成的三层电缆材料；
在三层电缆材料被挤出的同时将电缆导体包覆于其中，三层电缆材料与被其包覆的电缆导体共同以1.5m/min的线芯运行速度经过压强为16bar，温度为300℃的交联管道得到高压直流电缆，其中聚乙烯组合物在交联管道内交联，得到交联聚乙烯绝缘层(XPLE-g-0.6TMPTMA/1.8DCP)。
屏蔽材料采用市售±525kV半导电屏蔽料，电缆导体采用市售无氧铜经拉丝、绞合工序制备的电缆导体。
对比例2
本对比例提供了一种交联聚乙烯绝缘层，由如下重量份的组分经熔融共混、挤出和交联制成：
将本对比例提供的交联聚乙烯绝缘层用于制备高压直流电缆，具体制备方法步骤如下：
步骤1、将低密度聚乙烯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、过氧化二异丙苯和抗氧剂1010按重量份均匀混合，将所得混合物加入密炼机，在温度为110℃，转速为40r/min的条件下熔融共混10min，得到聚乙烯组合物；
步骤2、将步骤1所得聚乙烯组合物放入三层共挤电缆挤出机中，以聚乙烯组合物作为绝缘层材料，将其与屏蔽层材料同时在120℃进行三层共挤，得到由外屏蔽层-聚乙烯组合物绝缘层-内屏蔽层组成的三层电缆材料；
在三层电缆材料被挤出的同时将电缆导体包覆于其中，三层电缆材料与被其包覆的电缆导体共同以1.5m/min的线芯运行速度经过压强为16bar，温度为300℃的交联管道得到高压直流电缆，其中聚乙烯组合物在交联管道内交联，得到交联聚乙烯绝缘层(XPLE-g-0.6TMPTMA/2.0DCP)。
屏蔽材料采用市售±525kV半导电屏蔽料，电缆导体采用市售无氧铜经拉丝、绞合工序制备的电缆导体。
对比例3
本对比例提供了一种交联聚乙烯绝缘层，由如下重量份的组分经熔融共混、挤出和交联制成：
低密度聚乙烯 100份
过氧化二异丙苯 1.8份
抗氧剂1010 0.3份。
将本对比例提供的交联聚乙烯绝缘层用于制备高压直流电缆，具体制备方法步骤如下：
步骤1、将低密度聚乙烯、过氧化二异丙苯和抗氧剂1010按重量份均匀混合，将所得混合物加入密炼机，在温度为110℃，转速为40r/min的条件下熔融共混10min，得到聚乙烯组合物；
步骤2、将步骤1所得聚乙烯组合物放入三层共挤电缆挤出机中，以聚乙烯组合物作为绝缘层材料，将其与屏蔽层材料同时在120℃进行三层共挤，得到由外屏蔽层-聚乙烯组合物绝缘层-内屏蔽层组成的三层电缆材料；
在三层电缆材料被挤出的同时将电缆导体包覆于其中，三层电缆材料与被其包覆的电缆导体共同以1.5m/min的线芯运行速度经过压强为16bar，温度为300℃的交联管道得到高压直流电缆，其中聚乙烯组合物在交联管道内交联，得到交联聚乙烯绝缘层(XPLE/1.8DCP)。
屏蔽材料采用市售±525kV半导电屏蔽料，电缆导体采用市售无氧铜经拉丝、绞合工序制备的电缆导体。
对比例4
本对比例提供了一种交联聚乙烯绝缘层，由如下重量份的组分经熔融共混、挤出和交联制成：
低密度聚乙烯 100份
过氧化二异丙苯 2.0份
抗氧剂1010 0.3份。
将本对比例提供的交联聚乙烯绝缘层用于制备高压直流电缆，具体制备方法步骤如下：
步骤1、将低密度聚乙烯、过氧化二异丙苯和抗氧剂1010按重量份均匀混合，将所得混合物加入密炼机，在温度为110℃，转速为40r/min的条件下熔融共混10min，得到聚乙烯组合物；
步骤2、将步骤1所得聚乙烯组合物放入三层共挤电缆挤出机中，以聚乙烯组合物作为绝缘层材料，将其与屏蔽层材料同时在120℃进行三层共挤，得到由外屏蔽层-聚乙烯组合物绝缘层-内屏蔽层组成的三层电缆材料；
在三层电缆材料被挤出的同时将电缆导体包覆于其中，三层电缆材料与被其包覆的电缆导体共同以1.5m/min的线芯运行速度经过压强为16bar，温度为300℃的交联管道得到高压直流电缆，其中聚乙烯组合物在交联管道内交联，得到交联聚乙烯绝缘层(XPLE/2.0DCP)。
屏蔽材料采用市售±525kV半导电屏蔽料，电缆导体采用市售无氧铜经拉丝、绞合工序制备的电缆导体。
接枝改性交联聚乙烯绝缘层的性能检测：
(一)热延伸试验
从实施例1、实施例2、实施例3、实施例4与对比例1、对比例2、对比例3、对比例4制得的交联聚乙烯绝缘层中取样进行热延伸试验，热延伸实验具体依据标准GB/T2951.21-2008进行，采用JB/T 10437-2004标准中规定的5A型哑铃试样，厚度为1±0.05mm，每种材料分别对三个试样测试200℃、0.2MPa负荷下伸长率，最终结果取平均值，结果如表1所示。
表1
由表1数据对比可知，以上6种材料的热延伸均可满足电缆用XLPE绝缘的标准要求，且功能性化合物接枝后，材料的热延伸率出现小幅下降，说明接枝反应过程中未影响材料的交联程度。以此说明，DCP并未因接枝反应对自由基的消耗而阻碍交联反应的进行，接枝材料的耐热稳定性依然很好。
(二)应力应变测试实验
从实施例1、实施例2、实施例3、实施例4与对比例1、对比例2、对比例3、对比例4制得的交联聚乙烯绝缘层中取样进行应力应变测试实验，按照GB/T 1040.2-2006的标准进行应力应变试验，测量试样应力应变曲线，试样采用标准哑铃型试样，为确保试样进行应力应变曲线测试时的精度，试样的尺寸与热延伸试验一致。拉伸速度为250mm/min，标距为20mm，每种材料至少准备3个试样进行测试。
实施例1、实施例2、实施例3、实施例4与对比例1、对比例2、对比例3、对比例4制得的交联聚乙烯绝缘层中取样所得的材料应力应变测试结果中拉伸强度与断裂伸长率如表2和图1、图2所示。
表2
从图1与表2可以看出，添加1.8phr引发剂DCP时，实施例1中添加0.2phrTMPTMA的试样比对比例3制得的试样的拉伸强度略有上升，但断裂伸长率略有下降。而从实施例3与对比例1进行比较可以得出，添加更多的TMPTMA后材料的拉伸强度与断裂伸长率会有明显的下降，说明过量功能性化合物在接枝过程中会影响材料的力学性能。
从图2与表1可以看出，在添加2.0phr引发剂DCP时，材料力学性能结果相类似。应力应变测试结果分析得出，功能性化合物的添加会影响材料的力学性能，且添加量越多力学性能下降幅度越大。
(三)空间电荷分布测试
分别从实施例1、实施例2、实施例3、实施例4与对比例1、对比例2、对比例3、对比例4制得的交联聚乙烯绝缘层中取样进行空间电荷分布测试，测试采用电声脉冲法(PEA)原理，温度为常温，将试样施加+40kV/mm的直流电场下进行极化30min，各测试样的空间电荷分布情况如图3至图10所示。
图3至图10分别为实施例1至实施例4与对比例1至对比例4制得的测试样在直流电场作用下的空间电荷分布图，横坐标表示测试样的厚度(μm)，纵坐标表示空间电荷密度(C·m-3)。
从图3至图10可以看出，不同引发剂DCP份数下的对比例3与对比例4制得的交联聚乙烯测试样内部的最大空间电荷密度分别为-4C·m-3与-8C·m-3，接枝TMPTMA的交联聚乙烯测试样内部空间电荷积累出现大幅抑制，但是接枝较少份数的的接枝交联聚乙烯测试样的电极注入的电荷在试样表层发生明显积累，以至于电荷峰出现向试样内部移动，但是在相同接枝含量下随着DCP含量从1.8phr至2.0phr的提高，其表面电荷积累情况出现明显抑制。在相同DCP含量下，随着TMPTMA含量的增加，材料内部的空间电荷累积发生明显下降，且试样表层积累电荷也逐渐下降，电荷峰向试样内移动发生明显抑制。由图7可以看出在接枝0.6phr的TMPTMA的试样空间电荷出现电荷峰向试样内部移动，这是由于接枝过程消耗了大量的自由基导致接枝率有所下降，材料空间电荷抑制效果变差。
空间电荷分布特性测试结果表明，接枝后绝缘材料的空间电荷积聚现象较交联聚乙烯材料有明显改善，空间电荷抑制效果随交联剂DCP与适量范围内功能性化合物接枝含量提升有所加强，电荷注入现象被显著抑制，空间电荷抑制效果会随接枝含量上升呈现先增强后衰弱趋势，由此可以证明含有极性基团的TMPTMA在试样内部引入能级较深的陷阱，捕获电荷后在试样表面形成电荷点阵产生库伦力场，阻挡来自电极的电荷进一步注入。
(四)电导率测试
分别从实施例1、实施例2、实施例3、实施例4与对比例1、对比例2、对比例3、对比例4制得的交联聚乙烯绝缘层中取样，进行各测试样的30℃、50℃、70℃和90℃下的电导率测试，测试采用三电极系统，试样厚度为200μm，试样经48h高温脱气处理后在两侧蒸镀铝膜三电极，其中测量极直径为50mm，保护极内径为54mm、外径为74mm，高压极直径为76mm，测试场强从5kV/mm、10kV/mm、15kV/mm直至40kV/mm，每个加压场强施加15min后的电流记为准稳态电流，测试结果如图11至图18所示。
从图11至图18可以看出，在90℃下接枝0.2phr TMPTMA的接枝交联聚乙烯测试样的电导率在低于20kV/mm的场强下具有较为明显的抑制现象，而在更高场强下会发生较为明显的增加；而对于接枝0.4phr与0.6phr的接枝交联聚乙烯测试样，在90℃下具有较强的抑制作用。且30℃条件下未出现较强的抑制作用，故可以有效降低高压直流电缆绝缘层工作电场强度(20kV/mm)下的90℃与30℃下的电导率比值，改善材料电导-温度敏感性，抑制绝缘层电场分布随温度梯度下的不均匀性。这是由于接枝改性在材料内部引入的深陷阱，载流子会在电子(空穴)受陷的深陷阱处发生散射或复合行为，从而抑制载流子迁移速率，降低材料电导率。
从图11至图18可以看出，对于实施例1制得的接枝交联聚乙烯绝缘层测试样(XPLE-g-0.2TMPTMA/1.8DCP)在20kV/mm的电场强度下，90℃材料电导率与30℃材料电导率之比约为216；实施例2制得的接枝交联聚乙烯测试样(XPLE-g-0.2TMPTMA/2.0DCP)的材料电导率之比约为186；实施例3制得的接枝交联聚乙烯测试样(XPLE-g-0.4TMPTMA/1.8DCP)材料电导率之比约为47；实施例4制得的接枝交联聚乙烯测试样(XPLE-g-0.4TMPTMA/2.0DCP)材料电导率之比约为106；对比例1制得的接枝交联聚乙烯测试样(XPLE-g-0.6TMPTMA/1.8DCP)材料电导率之比约为72；对比例2制得的接枝交联聚乙烯测试样(XPLE-g-0.6TMPTMA/2.0DCP)材料电导率之比约为45；对比例3制得的交联聚乙烯测试样(XPLE/1.8DCP)材料电导率之比约为112；对比例3制得的交联聚乙烯测试样(XPLE/2.0DCP)材料电导率之比约为99。
与对比例3、4制得的纯交联聚乙烯测试样相比，实施例3、4与对比例1、2接枝交联聚乙烯绝缘层材料可以明显抑制电导率的温度敏感性，且通过J-E曲线可以看出，接枝0.6phr TMPTMA的交联聚乙烯测试样随着DCP的含量增加电导-温度敏感性出现下降，且工作场强下电导率比值从实施例3的47上升至对比例1的72，在提高TMPTMA接枝份数下材料电导-温度敏感性未抑制反而提高。
(五)击穿场强威布尔分布测试
分别从实施例1、实施例2、实施例3、实施例4与对比例1、对比例2、对比例3、对比例4制得的交联聚乙烯绝缘层中取样制作各样品的击穿场强威布尔分布图，结果如图19所示，横坐标表示击穿场强(kV/mm)，纵坐标表示累计击穿概率(％)。
从图19可以看出，接枝交联聚乙烯绝缘层测试样相比于交联聚乙烯绝缘层测试样的常温特征击穿场强均有提高，这是由于自由电子被深陷阱捕获和散射，缩短电子寿命与平均自由程，提高材料的直流击穿强度，故本发明制备的高压直流绝缘层材料具备优异的介电性能。
Claims (10)
1.一种接枝改性交联聚乙烯绝缘层，其特征在于，包括如下重量份的组分经熔融共混、挤出和交联制成：
2.根据权利要求1所述的一种接枝改性交联聚乙烯绝缘层，其特征在于，所述热塑性聚乙烯为低密度聚乙烯或聚乙烯混合物中的一种，所述聚乙烯混合物为低密度聚乙烯与高密度聚乙烯或线性低密度聚乙烯中的一种按任意质量比组成的混合物。
3.根据权利要求1或2任一项所述的一种接枝改性交联聚乙烯绝缘层，其特征在于，所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1035或抗氧剂300中的一种或几种的组合。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的接枝改性交联聚乙烯绝缘层的制备方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一、将热塑性聚乙烯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、过氧化二异丙苯和抗氧剂按重量份均匀混合，将所得混合物在一定温度、转速下熔融共混，得到含有可接枝极性基团的聚乙烯组合物；
步骤二、步骤一所得聚乙烯组合物在一定温度下挤出，然后在一定压强和温度条件下进行交联，得到接枝改性交联聚乙烯绝缘层。
5.根据权利要求4所述的一种接枝改性交联聚乙烯绝缘层的制备方法，其特征在于，步骤一所述熔融共混的温度为100～120℃，转速为45～55r/min，熔融共混的时间为10～20min。
6.根据权利要求4或5任一项所述的一种接枝改性交联聚乙烯绝缘层的制备方法，其特征在于，步骤二所述挤出温度为110～130℃；所述交联压强为14～16bar，交联温度为270～330℃。
7.一种如权利要求1-3任一项所述的接枝改性交联聚乙烯绝缘层在制备高压直流电缆中的应用。
8.根据权利要求7所述的接枝改性交联聚乙烯绝缘层在制备高压直流电缆中的应用，其特征在于，所述高压直流电缆的制备方法为：
步骤1、将权利要求1-3任一项所述的接枝改性交联聚乙烯绝缘层中的热塑性聚乙烯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、过氧化二异丙苯和抗氧剂按重量份均匀混合，将所得混合物在一定温度、转速下熔融共混，得到含有可接枝极性基团的聚乙烯组合物；
步骤2、步骤1所得聚乙烯组合物放入三层共挤电缆挤出机中，与所述聚乙烯组合物与屏蔽材料同时在一定温度下进行三层共挤，得到由外屏蔽层-聚乙烯组合物绝缘层-内屏蔽层组成的三层电缆材料；
在所述三层电缆材料被挤出的同时将电缆导体包覆于其中，所述三层电缆材料与被其包覆的电缆导体共同以一定的线芯运行速度经过具有一定压强和温度的交联管道，得到高压直流电缆。
9.根据权利要求8所述的接枝改性交联聚乙烯绝缘层在制备高压直流电缆中的应用，其特征在于，步骤1所述熔融共混的温度为100～120℃，转速为45～55r/min，熔融共混的时间为10～20min。
10.根据权利要求9所述的接枝改性交联聚乙烯绝缘层在制备高压直流电缆中的应用，其特征在于，步骤2所述挤出温度为110～130℃；所述线芯运行速度为1.4～1.6m/min；所述交联管道的压强为14～16bar，温度为270～330℃。
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