哈爾濱理工大學楊佳明副教授團隊:混煉工藝對聚丙烯基絕緣材料的力學及電學性能研究丨電氣工程學報論文推薦

2022-01-04 電氣工程學報

本篇文章為哈爾濱理工大學楊佳明副教授團隊發表在《電氣工程學報》2021年2期的「高壓電工裝備絕緣」專欄中的原創文章，感興趣的朋友們可以點擊「閱讀原文」免費獲取全文。

楊俊, 楊佳明, 趙新東, 楊旭, 王暄. 混煉工藝對聚丙烯基絕緣材料的力學及電學性能研究[J]. 電氣工程學報, 2021, 16(2): 33-41.

YANG Jun, YANG Jiaming, ZHAO Xindong, YANG Xu, WANG Xuan. Study on the Mechanical and Electrical Properties of Polypropylene-based Insulating Materials by Mixing Process[J]. Journal of Electrical Engineering, 2021, 16(2): 33-41.

1. 彈性體摻入後複合材料屈服應力下降，機械韌性得到改善，但耐電強度下降，空間電荷注入量增多。其中SEBS/PP複合材料機械韌性最好且耐電強度最高。

2. 雙螺杆擠出機混煉工藝使得彈性體在聚丙烯內分散更均勻，體系粘度增大，複合材料結晶度變大，耐電強度升高。

3. 雙螺杆擠出機混煉工藝導致部分大分子鏈降解為小分子鏈，材料結構缺陷增多，空間電荷注入量增大。

聚丙烯因其具有較好的耐熱及電氣性能，並且由於其可回收的特點符合環保發展理念引起了廣泛關注。目前我國 XLPE電纜佔比95%以上。然而，目前許多線路已經達到了40年的使用壽命，由於XLPE具有熱固性，報廢后難以回收的環境問題愈發嚴峻，這有悖於現代環境保護的理念。熱塑性材料既可熔融回收又可以連續擠出，熱塑型高壓電纜絕緣材料因此引起重視。高剛性和脆性是限制PP作為電纜絕緣使用的最大障礙，採用共混等工業界易於接受的加工方式改善其力學性能一直是研究的熱點。使用不同的共混工藝及設備，所製得的共混物結構形態及界面層結構不盡相同，從而將導致共混物性能差異，因此共混工藝對共混物結構和性能也有著舉足輕重的作用。試樣製備：將PP分別與質量分數為30%的POE、SEBS和2%的抗氧劑300經過轉矩流變儀與雙螺杆擠出機進行熔融共混。其中轉矩流變儀四個區溫度均設置為190 ℃，轉速為60 r/min，共混時間設置為5 min。雙螺杆擠出機擠出速度設置為30 r/min，一區溫度設置為165 ℃，二區175 ℃，三區185 ℃，四區195 ℃，五區205 ℃，六區210 ℃。隨後用平板硫化儀將所製得的材料在190 ℃下壓製成不同厚度的平板試樣，進行各項試驗。
掃描電子顯微鏡測試觀測試樣斷面的形貌；差式掃描量熱法測試觀測試樣熔融、結晶溫度並計算結晶度。熔融指數性能測試通過測量10 min流過標準口模的重量來表徵複合材料的流動性；拉伸性能測試來判斷材料韌性是否得到改善；熱延伸性能測試表徵試樣在溫度為165 ℃情況下材料機械強度；交、直流介電強度性能測試表徵材料在被施加交、直流電壓情況下能夠耐受住的最大電場強度；空間電荷特性測試複合材料內部空間電荷積聚及電場畸變情況。

SEM試驗發現複合材料呈明顯的海島結構，剪切應力更大的雙螺杆具有更好的分散性；

DSC試驗發現加入彈性體後材料的熔融溫度和結晶度相比於純PP有不同程度下降，經雙螺杆混煉後，SEBS/PP複合材料結晶度比流變儀混煉的稍大；

拉伸性能試驗發現，摻入彈性體後複合材料柔韌性提高，SEBS/PP體系複合材料增韌效果最優；

熱延伸試驗發現，經雙螺杆製備的複合材料，其熱延伸形變量相對較低；

MFR試驗發現，隨著彈性體摻入，材料流過標準口模的重量出現了下降，且雙螺杆混煉的複合材料熔融指數變小；交、直流耐電強度試驗發現，複合材料耐電強度下降，雙螺杆混煉的複合材料耐電強度提高；

空間電荷試驗發現，複合材料空間電荷積聚增多，電場畸變程度增加，且雙螺杆混煉的複合材料空間電荷積聚量及電場畸變程度略大。

SEM試驗結果圖

目前我國廣泛採用以交聯聚乙烯（XLPE） 作為主絕緣材料，而聚丙烯(PP)同交聯聚乙烯(XLPE)相比具有更高的熔點，可以滿足電纜在較高溫度下運行的需求。PP因其具有較高的擊穿強度和體積電阻率，對提高電纜線路載流量和運行電壓等級意義重大。高剛性和脆性是限制PP作為電纜絕緣使用的最大障礙，採用共混等工業界易於接受的加工方式改善其力學性能一直是研究的熱點。

楊佳明，男，1984年生，博士，副教授，碩士生導師。主要從事聚合物絕緣理論與應用、高壓電纜絕緣技術等領域研究工作。參與973、863和國家自然基金重點課題多項，主持企業委託課題5項，在IEEETrans.和中國電機工程學報等國內外期刊發表學術論文20餘篇，其中被SCI和EI收錄10餘篇。

楊俊，男，1996年生，碩士研究生，主要從事聚丙烯複合絕緣材料方面研究。

工程電介質及其應用教育部重點實驗室建設單位為哈爾濱理工大學，依託於高電壓與絕緣技術國家重點學科（2007年）、工程電介質博士點學科（1998年）和電氣工程博士後流動站（2001年）。

實驗室緊緊圍繞國家中長期科學與技術發展規劃，結合國家交直流特/超高壓遠距離輸電與軌道交通工程以及相關領域，以納米電介質研究為前沿、以材料的介電性能研究為特色、以製造業為服務對象，瞄準國際研究前沿，形成了特色鮮明的三個研究方向：納米工程電介質材料及特性、工程電介質製備與評價、工程電介質應用技術。

實驗室目前擁有全職在編人員51名，其中：中國工程院院士1名，龍江學者特聘教授2名，教育部新世紀優秀人才3名，黑龍江省傑出青年基金獲得者4名，黑龍江省新世紀優秀人才2名；省級學科帶頭人3名，後備帶頭人3名；高級職稱人員31名，具有博士學位人員39名。

實驗室建立了四個功能完善、具有特色的研究平臺：（1）高聚物結構表徵及空間電荷測試技術平臺；（2）高聚物/無機納米複合物絕緣材料製備技術平臺；（3）材料介電性能測試技術平臺；（4）高電壓及絕緣檢測技術平臺。

沒有人永遠18歲

但總有人18歲

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