- 頭條SEBS/PP較強的抗滑移能力，可高效抑制水樹枝生長2021-03-29 作者：高銘澤 趙洪 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語工程電介質及其應用技術教育部重點實驗室（哈爾濱理工大學）的研究人員高銘澤、趙洪、呂洪雷、陳俊岐、鄭昌佶，在2019年第24期《電工技術學報》上撰文（論文標題為“SEBS/PP復合材料抗水樹枝性能研究”）指出，SEBS/PP較高的結晶度和由力學性能體現出的片晶之間較強的抗滑移能力是其抑制水樹枝生長能力優于LDPE的主要原因。 該文采用水刀電極法對苯乙烯嵌段共聚物（SEBS）/聚丙烯（PP）復合材料和低密度聚乙烯（LDPE）進行加速水樹枝老化實驗，并通過結晶特性和力學特性實驗對兩者在抗水樹特性上的差異進行分析。通過偏光顯微鏡（PLM）、差示掃描量熱儀（DSC）和掃描電子顯微鏡（SEM）分別對材料的水樹枝形貌和球晶結構、熔融-結晶特性以及片晶結構進行觀察與分析，并選用動態熱機械分析儀（DMA）和電子拉力機分別研究材料的動態松弛特性和應力-應變特性。 水刀電極法結果顯示，高結晶度的PP與非結晶的彈性體SEBS沒有發生水樹枝老化，而SEBS/PP復合材料雖然出現水樹枝結構，但其尺寸仍明顯低于LDPE。結晶特性與力學特性實驗結果顯示，與LDPE相比，PP具有較高的結晶度與結晶尺寸，并且具有較高的機械強度和較低的動態松弛損耗因數；SEBS在復合體系中以“島”相存在，PP片晶變細變短，并且其球晶邊界也變得模糊，體現出更強的非晶特性，導致PP片晶之間在外力作用下的抗滑移能力降低。
擠壓式塑料絕緣電力電纜具有電學和力學特性優異以及加工性能良好等優點。隨著經濟社會的持續發展，綠色環保、可回收利用的熱塑性材料是電纜絕緣發展的重要趨勢和必然要求。其中，具有較好機械強度、耐熱性和電絕緣性能的熱塑性材料聚丙烯（Polypropylene，PP）逐漸受到人們的青睞。
早在2002年，K. Kurahashi等研究者以間規聚丙烯（Syndiotactic Polypropylene，SPP）為主絕緣，并添加聚乙烯（Polyethylene, PE）與抗氧化劑共混制成世界上首例0.6kV和22kV聚丙烯電纜，研究發現交流擊穿強度和介質損耗可滿足實際應用的要求。
但聚丙烯材料本身也有一些缺點，如低溫韌性差，不能直接用于電纜主絕緣，因此需在PP中添加適量彈性體（如苯乙烯嵌段共聚物（Styrene-Ethylene/ Butylene-Styrene triblock copolymer，SEBS）或乙烯-辛烯共聚物POE等）以改善其韌性，Changji Zheng等以等規均聚聚丙烯（Isotactic Polypropylene, IPP）和彈性體共混，研究發現共混物柔性增加，SEBS的摻入使得共混材料的擊穿強度較PP出現不同程度的下降，其中SEBS組分為質量分數為25%的共混材料幾乎保留了純PP的耐電強度。在未來，聚丙烯極有可能作為電力電纜的主絕緣而得到更為廣泛的應用。
從20世紀60年代起，電力電纜絕緣的水樹枝老化現象逐漸引起了人們的注意。在潮濕環境中，電力電纜的絕緣在交變電場的作用下會逐漸吸收水分并形成水樹枝結構，這種現象在中壓電力電纜中尤其普遍。水樹枝的存在不僅會造成電力電纜絕緣機械與介電性能劣化，同時有可能發展成電樹枝結構，從而極大地影響電力電纜的使用壽命和運行可靠性。
為了有效提高絕緣的抗水樹性能，學者們采用修復液注入技術以及無機納米粒子來抑制或減緩絕緣中的水樹枝老化現象。但是目前對水樹枝老化現象的研究對象均為半結晶性聚合物PE或交聯聚乙烯（Cross-Linked Polyethylene, XLPE），已有研究報道，具有高結晶度聚合物材料不易產生水樹枝老化現象，但是高結晶度的聚丙烯與非結晶的彈性體共混材料耐水樹枝老化現象尚無報道。因此，本文研究聚丙烯與彈性體共混的絕緣材料抗水樹性能，并為其進一步的工程應用提供基礎性能信息。
本文采用熔融共混法制備了SEBS/PP復合材料，并利用水刀電極法比較了其與傳統電力電纜選用的熱塑性材料低密度聚乙烯（Low-density Polyethylene, LDPE）的抗水樹特性。
其中，PP材料選擇目前研究最為廣泛的IPP，而彈性體選擇SEBS是由于其有一定的介電強度，可以獲得具備優良的電氣性能的復合材料，更貼近于實際工程應用。同時，本文還在結晶特性和力學特性上對兩種材料體系進行了研究，以分析造成兩者在抗水樹性能上存在差異的原因。
圖1 水樹枝形貌觀測結果
圖2 SEM觀測下SEBS在PP中的分散形態
圖5 水樹枝的電-機械應力生長機理示意圖
結論
本文采用水刀電極水法比較了SEBS/PP復合材料和LDPE的抗水樹枝老化能力，并通過結晶特性與力學特性實驗，分析了造成兩種材料體系在抗水樹性能上差異的原因。
1）高結晶度的PP和非結晶的彈性體SEBS兩種材料本身具有極強的抗水樹生長能力。PP和SEBS共混后雖然抗水樹性能降低，但仍優于LDPE。
2）SEBS與PP共混后，非結晶的SEBS以“島”相分布于結晶形態的PP“海”相中。SEBS的加入雖然對PP相的結晶度和結晶融化溫度影響較小，但PP相的球晶邊界變模糊，片晶變細、變短，形成更多片晶間非晶特質，增大了水樹枝的生長空間。
3）SEBS的存在增強了PP片晶間的活動性，使微水珠更容易在不均勻電場作用下破壞材料形成水樹枝通道。SEBS/PP復合材料較小的α損耗峰值和較高的屈服強度是其抗水樹性能優于LDPE的重要原因。
