歐陽本紅，黃凱文，趙 鵬，劉松華，趙健康，劉首文

（1.中國電力科學(xué)研究院有限公司，湖北 武漢 430074；2.國網(wǎng)湖北省電力有限公司，湖北 武漢 430077）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市的建設(shè)，我國建成了較大規(guī)模的電力電纜網(wǎng)絡(luò)。截止2021年9月，國家電網(wǎng)公司中壓配電電纜線路達(dá)86.2萬公里，高壓輸電電纜線路達(dá)3.69萬公里[1]。其中，交聯(lián)聚乙烯（XLPE）憑借優(yōu)異的耐熱性能、介電性能和力學(xué)性能，成為目前電力電纜最常用的絕緣材料[2-3]。然而隨著XLPE電纜的大規(guī)模使用，其在制造生產(chǎn)和退役回收處理等方面的問題也逐步顯現(xiàn)。一方面，XLPE電纜生產(chǎn)耗時久、耗能大；另一方面，XLPE為熱固性高分子聚合物，具有特殊的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，XLPE電纜退役后其絕緣層很難降解，難以被加工再利用[4]。隨著環(huán)保節(jié)能理念成為全球性趨勢以及“雙碳”目標(biāo)的提出，電纜行業(yè)也開始進(jìn)行低碳環(huán)保、材料創(chuàng)新以及回收再循環(huán)利用等研究工作。

熱塑性聚丙烯（PP）絕緣電纜相較于XLPE絕緣電纜有著許多優(yōu)勢，如生產(chǎn)過程無需交聯(lián)、工藝簡單、生產(chǎn)周期短、能耗可以減少50%以上等；電纜退役后，其絕緣層可進(jìn)行回收再利用，符合“雙碳”目標(biāo)的需求[5]。據(jù)報道，中壓10 kV PP絕緣電纜，每1 km的電纜（三芯、線芯截面面積為185 mm2）可減少4 900 kg碳排放和500 kg固體廢棄物[6-8]。我國在運(yùn)的配網(wǎng)電纜年限達(dá)到15年以上的超過10.8萬公里，占比為13%以上。大量的配網(wǎng)電纜面臨著更新替換的局面，推動PP電纜建立試點示范工程以積累一定的運(yùn)行經(jīng)驗，逐步進(jìn)行擴(kuò)大范圍的推廣應(yīng)用，實現(xiàn)對老舊電纜的替換具有重要的意義。但常規(guī)的PP材料具有硬度高、結(jié)晶度高、柔韌性低等缺點，無法直接用于電力電纜。近年來，對熱塑性PP電纜絕緣材料進(jìn)行改性成為研究的熱點。

本文以電力電纜用PP材料為研究對象，詳細(xì)介紹目前國內(nèi)外PP電力電纜的應(yīng)用情況，總結(jié)PP絕緣各種改性方法的優(yōu)點和存在的局限性，同時介紹非交聯(lián)半導(dǎo)電屏蔽料的研究情況和注意問題，最后指出PP材料的研究方向。

1 聚丙烯結(jié)構(gòu)與性能

聚丙烯是由丙烯分子通過添加催化劑發(fā)生加聚反應(yīng)制得的高分子聚合物，甲基在主碳鏈上不同的位置分布決定了PP的不同空間構(gòu)型，可分為等規(guī)聚丙烯（iPP）、無規(guī)聚丙烯（aPP）、間規(guī)聚丙烯（sPP），如圖1所示。其中，在工業(yè)制備的PP樹脂中，95%以上為iPP。aPP為非結(jié)晶聚合物，無法用作電纜材料。sPP可以在均相茂金屬催化劑作用下聚合得到。

圖1 聚丙烯的3種空間構(gòu)型Fig.1 Three spatial configurations of polypropylene

半結(jié)晶PP材料的微觀結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。在分子尺度上，PP是由晶區(qū)、非晶區(qū)和參與這兩個區(qū)域的分子鏈相互連接而成。S GAUTAM等[9]在“三相”理論基礎(chǔ)上，提出聚合物結(jié)晶結(jié)構(gòu)的三相模型，如圖2所示。研究認(rèn)為晶體是由晶相、非晶相和中間相組成。聚合物晶區(qū)和非晶區(qū)的界面之間不是一個完全分明的界限區(qū)域，而是一個過渡區(qū)域，該區(qū)域被稱為剛性的無定型界面相。晶區(qū)的晶體結(jié)晶度及尺寸、結(jié)晶區(qū)-非晶區(qū)間分子鏈的折疊以及相互作用等決定了PP的力學(xué)、電學(xué)等宏觀性能。

圖2 聚合物的三相模型Fig.2 Three-phase model of polymer

I L HOSIER等[10]研究了晶體形態(tài)對共混材料電氣強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明引入的球晶數(shù)量、晶體大小和類型對共混材料的電氣強(qiáng)度有深遠(yuǎn)的影響，通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)控制可以提高共混材料的電氣強(qiáng)度。D FERRER-BALAS等[11]研究了退火對PP微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度升高到80℃以上時，近晶向單斜相逐漸轉(zhuǎn)變，使得PP的結(jié)晶度和晶體尺寸提高。退火引起的微結(jié)構(gòu)變化使得材料的拉伸性能有很大的改善。這是由于在退火過程中無定形區(qū)域的分子鏈段減少，使非晶相結(jié)構(gòu)疏散，引發(fā)材料的二次結(jié)晶，促進(jìn)片層在沖擊方向上的滑移或伸長，從而提高了PP材料的韌性[12]。

此外，PP材料中晶體的結(jié)構(gòu)和形態(tài)對其性能也有較大的影響。CHEN H B等[13]研究了不同晶體的均聚聚丙烯（PP-H）、嵌段共聚聚丙烯（PP-B）和無規(guī)共聚聚丙烯（PP-R）的斷裂力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)β晶可抑制PP-R中橡膠的分散性，能顯著提高PP-H和PP-B的韌性。同時，研究還確定了引發(fā)β晶PP的能量吸收機(jī)制，在β晶PP中產(chǎn)生高韌性的主要材料相關(guān)參數(shù)為：分子量和連接分子密度（銀紋/孔隙網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定和擴(kuò)展）、層狀排列（有效的應(yīng)力轉(zhuǎn)移和應(yīng)力消除）和β-α相變（由于微孔網(wǎng)絡(luò)的再結(jié)晶和局部“硬化”而吸收能量）。

2 聚丙烯絕緣料改性研究

PP材料具有良好的電氣性能、耐熱性能和加工性能[4-5,14]，如表1所示。PP熔點較高，具有較高的電氣強(qiáng)度和體積電阻率，對于提高電纜運(yùn)行電壓等級和線路載流量意義重大[15]。但是，PP應(yīng)用在電力電纜主絕緣材料中還存在一些缺陷：低溫耐沖擊性能差、耐（熱、電）老化性能差等，使得電纜無法適應(yīng)實際運(yùn)行工況，需要對其進(jìn)一步改性才可在電力電纜絕緣中使用。

表1 不同絕緣材料的性能對比Tab.1 Performance comparison of different insulation materials

2.1 共混改性

共混是指在基體聚合物中摻雜其他聚合物材料來提高單一聚合物的性能。通過PP與乙丙橡膠（EPR）[16]、三元乙丙橡膠（EPDM）[17]、聚烯烴彈性體（POE）[18]、氫化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物（SEBS）[19]等彈性體共混可以有效地改善PP的柔韌性和低溫脆性。在PP中添加彈性體進(jìn)行增韌改性，彈性體會以微小的顆粒均勻分布在PP基體中，形成典型的海島結(jié)構(gòu)[20]，如圖3所示。

圖3 PP共混材料的SEM圖Fig.3 SEM image of PP blending material

當(dāng)共混材料受到外力干擾時彈性體粒子會成為應(yīng)力集中點，產(chǎn)生大量的銀紋和剪切帶。伴隨銀紋在其周圍的不斷支化，外力的沖擊能量因此被吸收消耗。同時，彈性體細(xì)小分散的微粒會阻礙銀紋、剪切帶向更深層次發(fā)展演化為破壞性銀紋，使得PP的韌性得到改善[21]。此外，彈性體的添加會影響PP的結(jié)晶過程，致使PP的球晶更加細(xì)化，有助于提高PP的韌性[22]。

徐航等[17]在PP中分別添加不同的彈性體來改善其力學(xué)性能，結(jié)果表明復(fù)合材料的機(jī)械韌性要高于純PP，但由于PP和彈性體組成的界面容易積聚電荷，導(dǎo)致復(fù)合材料的空間電荷積聚量和電場畸變率均高于純PP。ZHOU Y等[18]探究了PP/POE共混物的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能，結(jié)果表明PP/POE共混物有著較好的柔韌性、優(yōu)異的熱性能以及較高的體積電阻率，具有應(yīng)用于高壓直流電纜的潛力。然而彈性體的引入會導(dǎo)致復(fù)合材料的電氣強(qiáng)度有所下降，異極性空間電荷的積累依然存在。A S VAUGHAN等[23-24]將iPP分別與sPP、乙烯-丙烯共聚物進(jìn)行共混，研究其晶體的微觀形態(tài)和宏觀性能，發(fā)現(xiàn)含有50%的iPP與乙烯-丙烯共聚物的共混材料有望成為電纜用絕緣材料。

電纜用絕緣材料的PP和彈性體的共混物主要是通過雙螺桿機(jī)械熔融共混制備而成。一方面，PP/彈性體共混物容易形成相界面，界面區(qū)域的電特性不同于基體，這可能會導(dǎo)致材料性能的惡化，從而影響材料的長期穩(wěn)定性[25]；另一方面，機(jī)械共混增加了生產(chǎn)過程的工藝步驟，無法避免外來雜質(zhì)的進(jìn)入。同時共混選用的彈性體大多為進(jìn)口，不同批次彈性體性能的一致性也是潛在的問題。根據(jù)前期的研究發(fā)現(xiàn)，不同批次的彈性體共混材料中其熔融指數(shù)存在較大波動，這可能是由于彈性體分散不均勻，導(dǎo)致獲得的共混材料穩(wěn)定性差、可重復(fù)性差。

2.2 共聚改性

通過催化劑的催化作用將丙烯單體與其他烯烴共聚來制備共聚PP，可以提高PP的韌性、低溫性能和電氣性能。共聚PP是一種多相多組分材料，其分散相以一種具有多層核殼的原位核殼粒子均勻分散在PP基體中，賦予了共聚PP優(yōu)異的抗沖性能和低溫性能[26]。同時，非晶態(tài)乙烯-丙烯鏈段形成非晶態(tài)微球，存在于PP的球晶中。這些微球會給共聚PP引入深陷阱，導(dǎo)致j-E曲線的閾值場強(qiáng)增加，且深陷阱密度和能級的增加也會降低載流子遷移率。遷移率的下降會導(dǎo)致載流子遷移過程中獲得的能量減少，分子鏈的破壞被抑制，從而提高共聚PP的電氣強(qiáng)度[27-28]。圖4為不同PP的斷面經(jīng)正庚烷腐蝕后的SEM圖。

圖4 不同PP脆斷面SEM圖Fig.4 SEM images of brittle sections of different PP

從圖4可以看出，iPP材料斷面光滑，為脆性斷裂，而共聚PP斷面有較多起伏，為韌性斷裂。此外，共聚PP斷面還有較多的空洞，這是分散相的核殼粒子經(jīng)正庚烷的溶解形成的。

張偉等[29]對比了iPP和乙烯-丙烯嵌段共聚聚丙烯（EPC）的結(jié)構(gòu)和性能，結(jié)果表明EPC具有優(yōu)異的抗沖擊性能和低溫脆性，其球晶尺寸小，晶體數(shù)量多。MENG P F等[30]研究發(fā)現(xiàn)，無規(guī)共聚聚丙烯（PP-R）具有相對較好的熱性能、高斷裂伸長率和高電氣強(qiáng)度，明顯高于交聯(lián)聚乙烯，PP-R的空間電荷行為也優(yōu)于嵌段共聚聚丙烯（PPB）和交聯(lián)聚乙烯，研究認(rèn)為PP-R可能更適用于可回收電纜絕緣材料。HUANG X Y等[25]研究了iPP、嵌段共聚聚丙烯（bciPP）和無規(guī)共聚聚丙烯（rc-iPP）的性能，結(jié)果表明rc-iPP的力學(xué)性能優(yōu)異、電氣強(qiáng)度高，空間電荷注入得到抑制。I L HOSIER等[31]研究發(fā)現(xiàn)，隨著乙烯-丙烯共聚物中乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，乙烯-丙烯共聚物的柔性和低溫脆性有所改善，共聚物球晶之間模糊的邊界使得它們具有良好的力學(xué)性能和較高的電氣強(qiáng)度。

上述研究的共聚PP基本是選用石化廠直接生產(chǎn)的共聚PP進(jìn)行研究。而現(xiàn)階段石化廠對共聚PP的關(guān)注更多的是在抗沖性能上，在改性過程中對共聚材料電氣性能的關(guān)注較少[26,32-34]。用于電力電纜的PP絕緣材料，不僅需要具有良好的力學(xué)性能（拉伸性能、彎曲性能、柔韌性、沖擊性能），同時還應(yīng)該具備良好的電氣性能（高的電氣強(qiáng)度、較低的介質(zhì)損耗）和穩(wěn)定的耐熱性能（老化性能、熱分解性能）[2,4]。若將現(xiàn)有的抗沖型共聚PP用于電纜材料中，還需添加催化劑、接枝單體、抗氧劑、助劑等對其進(jìn)行后續(xù)的改進(jìn)，以滿足電纜絕緣材料的力學(xué)性能和電氣性能的要求。這樣不但會增加工藝的復(fù)雜性，而且后續(xù)添加物的雜質(zhì)殘留以及副產(chǎn)物等也會影響PP材料的潔凈度和電氣性能。

基于共聚改性的方法，采取在石化廠反應(yīng)釜中直接生產(chǎn)性能符合要求的電纜絕緣料是未來一個重要的發(fā)展方向[25,29]。其中，共聚PP中橡膠相的形態(tài)及含量決定了材料的柔韌性、熱變形性能和低溫性能?；w與橡膠相的分子鏈結(jié)構(gòu)（鏈規(guī)整性和分子量分布）決定了材料的陷阱等電氣性能參數(shù)。石化廠通過采用新型催化劑體系、聚合工藝參數(shù)等調(diào)控手段生產(chǎn)的PP絕緣料具有良好的熔融擠出性能、力學(xué)性能、熱延伸性能、熱氧老化性能和電氣。對中壓聚丙烯和交聯(lián)聚乙烯電纜的絕緣切片試樣研究發(fā)現(xiàn)[35]，直接合成的聚丙烯的力學(xué)性能和電氣性能（見表2和圖5）不遜色于交聯(lián)聚乙烯。

圖5 不同溫度下XLPE和PP的電氣強(qiáng)度Fig.5 Electric strength of XLPE and PP at different temperatures

表2 XLPE電纜和PP電纜的力學(xué)性能對比Tab.2 Comparison of mechanical properties between XLPE cable and PP cable

從石化源頭在反應(yīng)釜中完成對電纜用PP絕緣料進(jìn)行生產(chǎn)控制，一方面，精簡了電纜料的生產(chǎn)工藝步驟，避免了材料的二次加工過程，保證了材料的潔凈度；另一方面，直接合成PP提高了生產(chǎn)過程的可控性與長周期生產(chǎn)的穩(wěn)定性，對降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益也有著重要作用。

2.3 接枝改性

接枝改性法是指在聚合物主鏈上引入各種側(cè)基或功能基團(tuán)，通過接入官能團(tuán)的反應(yīng)性和極性來提高PP的力學(xué)和熱學(xué)性能。其中，熔融接枝馬來酸酐（MAH）改性是工業(yè)化最常用的接枝改性方法之一[36-38]。熔融接枝主要是通過自由基接枝反應(yīng)機(jī)理實現(xiàn)，如圖6所示，即PP在熔融狀態(tài)下加入接枝單體，在引發(fā)劑、助劑等的作用下，在高溫環(huán)境下，引發(fā)劑分解出自由基，引發(fā)單體以自由基形式接枝到聚合物大分子鏈上[39]。在PP中引入MAH可以改變分子鏈的構(gòu)型，影響PP鏈的排列，PP-MAH將形成新的球晶，尺寸小于PP中球晶的尺寸[40]，使得PPMAH在晶界處誘導(dǎo)大量的深陷阱，這些陷阱顯著降低了電荷遷移率并提高了電荷注入勢壘[41]。同時，存在結(jié)晶區(qū)域中的MAH官能團(tuán)能改變晶體的能隙，并且使空間電荷變得更難以積累[40]。

圖6 接枝改性原理圖Fig.6 Schematic diagram of graft modification

YUAN H等[42]在聚丙烯均聚物接枝5%苯乙烯，試樣的直流電阻率有較大的提高，直流電氣強(qiáng)度提高了35.6%。在分子水平上對接枝材料進(jìn)行電子能帶結(jié)構(gòu)和三維電勢分布的模擬，揭示了接枝聚合物中的深陷阱來源于接枝官能團(tuán)修飾的電子能帶結(jié)構(gòu)。ZHA J W等[40]利用反應(yīng)擠出法在PP上接枝MAH，結(jié)果表明PP球晶尺寸隨著MAH接枝量的增大而減小，同時與純PP相比，接枝質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的MAH能有效抑制空間電荷注入，且其體積電阻率隨溫度變化的穩(wěn)定性更好，接枝后材料的介質(zhì)損耗也保持在較低水平。ZHOU Y等[41]研究了MAH熔融接枝對PP電學(xué)性能的影響，結(jié)果表明PP-g-MAH具有出色的電學(xué)性能，比如顯著地抑制了空間電荷的積累，降低了電導(dǎo)電流，增加了臨界電場并提高了電氣強(qiáng)度，這為高壓直流電纜絕緣材料的發(fā)展提供了一種新的材料改性策略。然而PP接枝改性反應(yīng)過程難以控制、反應(yīng)產(chǎn)物較復(fù)雜、過氧化物會導(dǎo)致PP鏈段斷裂、接枝殘留單體難以去除[37,43]，這都會影響其在電纜絕緣材料中的應(yīng)用。此外，大規(guī)模批量化生產(chǎn)接枝改性的電纜絕緣材料的穩(wěn)定性還未得到進(jìn)一步驗證。

2.4 納米改性

無機(jī)納米顆粒是零維納米材料，它在三維空間均處于納米尺度，由于其具有大的表面能和比表面積，從而表現(xiàn)出特有的量子尺寸效應(yīng)、表面界面效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)。在PP的共混物或者PP共聚物中添加納米顆粒來改善電氣性能是高壓直流電纜中常見的改性方法[44-45]。納米顆粒均勻分散在基體中，并且與PP基體通過化學(xué)鍵或物理作用結(jié)合在一起，形成具有一定厚度的過渡區(qū)域，稱為界面區(qū)（如圖7所示）。界面具有不同于基體和納米粒子的物理化學(xué)特性，從而影響材料中的電荷輸運(yùn)特性[46]；同時，納米粒子可以改變聚合物分子鏈的構(gòu)象，尤其是少量摻雜時，納米粒子作為成核劑可以影響基體分子的結(jié)晶行為，從而影響PP材料的電氣性能[47]。常見的納米顆粒有MgO[48-52]、SiO2[53-54]、Al2O3[55]等。ZHOU Y等[56]研究了不同納米粒子（氧化鎂、二氧化鈦、氧化鋅、氧化鋁）對PP電學(xué)性能的影響，結(jié)果表明在4種納米粒子中，氧化鎂和二氧化鈦納米粒子表現(xiàn)出優(yōu)異的空間電荷抑制能力。在含有3份氧化鎂和1份二氧化鈦納米粒子的PP納米復(fù)合材料中幾乎沒有空間電荷，這兩種納米復(fù)合材料的直流電氣強(qiáng)度相較于純PP分別提高了約43%和29%。研究認(rèn)為，氧化鎂和二氧化鈦納米粒子比氧化鋅和氧化鋁納米粒子更能改善PP的電學(xué)性能，更有可能用作可回收高壓直流電纜用絕緣材料。江平開等[51]研究表明，納米氧化鎂加入到PP中會起到異相成核劑的作用，使得PP的結(jié)晶行為發(fā)生改變，球晶尺寸減小，且會誘導(dǎo)β晶生成。M TAKALA等[57]研究了PP-二氧化硅納米復(fù)合材料的介電性能，結(jié)果表明納米復(fù)合材料的交流和直流電氣強(qiáng)度分別提高了19.9%和52.3%，且納米復(fù)合材料的形狀參數(shù)值都高于純PP，表明納米改性材料的均勻性更好。

圖7 半結(jié)晶聚合物結(jié)構(gòu)模型及納米復(fù)合界面Fig.7 Semi-crystalline polymer structure model and nanocomposite interface

納米粒子的加入對PP的電氣性能有顯著的改善，如直流電氣強(qiáng)度、電阻率和空間電荷積聚。但是納米改性方法的可行性和有效性在較大程度上取決于納米粒子在基體中的分散性。良好的分散體系能提供足夠的電荷捕獲位點，與大團(tuán)聚體相比表現(xiàn)出更好的電氣性能[58-60]。但納米粒子的團(tuán)聚效應(yīng)在大規(guī)模的工業(yè)化絕緣料生產(chǎn)中很難避免。當(dāng)納米粒子產(chǎn)生較大的團(tuán)聚，反而會降低材料的電氣強(qiáng)度[60]，加重復(fù)合材料中的空間電荷積聚。為了提高納米粒子的分散，需要對其表面進(jìn)行修飾，改善納米材料的界面耦合效應(yīng)。M ROY等[58]研究表明，填料尺寸在決定材料整體性能（電學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)）方面的重要性是不可否認(rèn)的，但顆粒表面的微觀修飾基團(tuán)對復(fù)合材料的電氣性能也具有較大的作用，主要原因是界面區(qū)分子間的相互作用發(fā)生改變，導(dǎo)致陷阱分布特性的顯著變化[59]。

此外，我國在進(jìn)行國產(chǎn)化高壓直流XLPE電纜絕緣材料研發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，實驗室壓片制備的納米材料電氣強(qiáng)度較高，但其電纜模型較為容易擊穿[61]。研究表明，由于電纜絕緣擠出和脫氣等生產(chǎn)工藝的問題，真型電纜與實驗室壓片試樣存在本質(zhì)差異[62]。納米XLPE電纜在大規(guī)模擠出和后處理過程中可能存在工藝控制不良等問題，導(dǎo)致電纜本體中存在擊穿弱點，最終國產(chǎn)XLPE絕緣料的研發(fā)路線確定為超凈料體系，這與目前北歐化工商用的高壓電纜料LE4253 DC和LS4258 DCE超凈路線相一致[2-3]。未來將PP/納米復(fù)合材料改性用于高壓直流電力電纜材料時，這一點要尤其注意。

2.5 晶型改性

PP是一種具有多種晶型的半結(jié)晶聚合物，其晶型有α、β、γ、δ和擬六方晶等，其中α晶型是PP中最常見也是熱穩(wěn)定性最好的晶型，熔點在170℃左右。β晶型是PP的熱動力學(xué)亞穩(wěn)定晶型，其熔點在150℃左右，比α晶型低。α晶型和β晶型在微觀結(jié)構(gòu)上存在很大的差異性。α晶型是以α晶核為中心沿徑向方向向周圍呈十字放射性生長形成的結(jié)構(gòu)；而β晶型是以晶核為中心，由球晶中心、晶片平行集結(jié)成束，然后向外支化生長，或螺旋狀地向外生長形成的完整球晶[63]。圖8為PP不同晶型的形態(tài)。

圖8 PP的不同晶型Fig 8 Different crystals of polypropylene

從圖8可以看出，相較于α晶型，β晶型內(nèi)部排列更疏散，β晶型的球晶尺寸和片晶層間更大[63]，兩種晶型微觀的差別導(dǎo)致了PP宏觀性能上的差異。在PP中誘導(dǎo)生成β晶型可以提高材料的沖擊強(qiáng)度，改善斷裂韌性，同時還能提高材料的電氣強(qiáng)度，減少空間電荷的積聚[64-66]。β晶型表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能有以下3種原因[63]：①在外力作用下，β晶型平行排列的晶片會發(fā)生滑移；②β晶區(qū)之間連接的分子鏈較多；③α球晶之間呈現(xiàn)明顯的邊界，而β晶型的晶體和晶體之間、晶體和非晶區(qū)之間沒有明顯的界面，如圖8所示，機(jī)械耦合作用較弱。在電氣性能方面，β晶型可以有效降低深陷阱的能級，同時增加晶體之間的界面，增大陷阱的密度，自由電子容易被深陷阱捕獲，導(dǎo)致電子數(shù)量減少，因而β晶PP表現(xiàn)出較高的電氣強(qiáng)度和較少的空間電荷積聚特性。

ZHANG W等[64-66]在PP中添加成核劑TMB-5和稀土成核劑WBG，研究其晶型的形態(tài)以及對PP性能的影響。結(jié)果表明含β晶的iPP具有良好的力學(xué)性能，同時也具有優(yōu)異的電氣性能，如電導(dǎo)率隨溫度變化穩(wěn)定，較高的電氣強(qiáng)度，較少的空間電荷積聚。WU Y H等[67]通過誘導(dǎo)摻雜成核劑二環(huán)己基對苯二胺（DCTH）研究β晶對iPP電荷傳輸?shù)挠绊憽＝Y(jié)果表明DCTH作為晶體核心具有電子親合力，阻止電荷載流子通過iPP的非晶區(qū)，可以有效地抑制電荷載流子的注入。此外，生長在DCTH表面的晶體具有較大的彎曲間隙，限制載流子的輸運(yùn)，能有效地提高材料的電氣強(qiáng)度，降低電導(dǎo)電流。彭兆偉等[68]研究發(fā)現(xiàn)在PP中添加β成核劑可以提高材料的電老化閾值，改善空間電荷問題。

晶型的改變可以有效地改善iPP的低溫韌性和低溫沖擊性能，但改善的幅度有限，仍無法滿足于電力電纜應(yīng)用場景的需求。且β晶型對溫度的穩(wěn)定性不如α晶型，在高溫下容易發(fā)生向α晶型的轉(zhuǎn)化，因此應(yīng)用于電纜料時仍需進(jìn)行進(jìn)一步熱處理使得晶體趨向于穩(wěn)定。

3 聚丙烯半導(dǎo)電屏蔽料研究

電纜的半導(dǎo)電屏蔽料一般由基體樹脂、導(dǎo)電填料及其他添加劑制成?；w樹脂需要保證在添加大量導(dǎo)電填料后仍然維持良好的加工性能和力學(xué)性能，目前XLPE電纜大多采用基礎(chǔ)力學(xué)性能較好且具有較高酯含量的乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）、乙烯-丙烯酸乙酯（EEA）等樹脂作為基體。這類材料具有很好的流動性，其結(jié)晶度低，有利于炭黑在基體中的分布，交聯(lián)后具備優(yōu)異的力學(xué)性能和耐熱性能。但發(fā)展環(huán)保型電力電纜，不僅僅要求絕緣材料部分為熱塑性非交聯(lián)，對其屏蔽材料也有同樣的要求。而未交聯(lián)的乙烯酸酯共聚物熔點低，耐熱性較差，并不能適用于熱塑性非交聯(lián)PP電纜中。要發(fā)展非交聯(lián)環(huán)保型PP電纜，必須有相應(yīng)的PP半導(dǎo)電屏蔽材料與PP絕緣相匹配。半導(dǎo)電屏蔽材料需要與絕緣具有良好的粘合性、界面光滑性和匹配性以及相近的耐熱性[69]。

目前國內(nèi)高校、科研院所等的研究主要集中在熱塑性PP絕緣，對PP基屏蔽料的研究較少。孫博陽等[69]以等規(guī)PP/乙烯-辛烯共聚物彈性體（POE）添加炭黑制備了高炭黑填充熱塑性PP半導(dǎo)電材料，結(jié)果表明炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為31%的iPP/POE體系具有良好的導(dǎo)電性能、較低的熔體黏度以及較好的加工性能，可用作熱塑性PP電纜的屏蔽材料。高麗平[70]在PP中接枝MAH后，再添加SEBS獲得復(fù)合基體體系，混入導(dǎo)電炭黑制備了半導(dǎo)電內(nèi)屏蔽材料，結(jié)果表明屏蔽材料具有較低的體積電阻率、較好的力學(xué)性能和流動性能。薛志剛[71]在PP/POE復(fù)合體系中添加卡博特導(dǎo)電碳黑，研究碳黑添加量對復(fù)合材料性能的影響，結(jié)果表明半導(dǎo)電炭黑主要分散在POE中，增大炭黑的填充量會降低復(fù)合材料的力學(xué)性能，但可以提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性能和抑制空間電荷能力，研究發(fā)現(xiàn)含15份炭黑的半導(dǎo)電屏蔽材料體積電阻率隨溫度變化小，力學(xué)性能優(yōu)異，可作為熱塑性電纜半導(dǎo)電屏蔽材料。張仁尹[72]和丁成等[73]對熱塑性電纜的半導(dǎo)電屏蔽層也進(jìn)行了相應(yīng)的研究，制備了流動性較好、表面光滑、與PP絕緣之間具有較好的匹配性半導(dǎo)電屏蔽料。

在PP基體中添加高加工流動性的彈性體既能為PP增韌，也能為碳黑的分布提供更多不定形區(qū)，還能提高屏蔽料擠出的流動性，有利于其加工生產(chǎn)。圖9為PP/15%炭黑的斷面SEM圖。從圖9可以看出，炭黑顆粒充滿著整個脆斷面，幾乎看不到點狀的碳黑，以鏈狀聚集體相互連接形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。

圖9 PP/15%炭黑材料的斷面SEMFig.9 SEM of PP/15%carbon black material

半導(dǎo)電填料炭黑的選取對半導(dǎo)電屏蔽料的電阻率起著決定性的作用，同時會影響加工工藝性。一方面，需要考慮炭黑的分散性及雜質(zhì)粒子含量；另一方面，還需要考慮其對屏蔽料制品以及電纜綜合質(zhì)量的影響，例如屏蔽料的導(dǎo)電性和絕緣層表面光潔性[74]。碳黑的粒徑越小，結(jié)構(gòu)越松散，結(jié)構(gòu)多孔化程度越高，就會獲得更大比表面積的材料。結(jié)構(gòu)松散、鏈狀聚集體的碳黑有利于碳黑相互連接形成通道，能使材料獲得更好的導(dǎo)電性能[75]。目前國內(nèi)廠家生產(chǎn)的中壓PP電纜的絕緣屏蔽基本為不可剝離型。在實際工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，XLPE電纜連接段制作中間接頭耗時約為2.5 h，而XLPE與PP電纜連接段制作中間接頭耗時約4 h，主要時間花費(fèi)在絕緣屏蔽處理上。后續(xù)應(yīng)在可剝離的絕緣屏蔽材料上進(jìn)行研究開發(fā)。

4 聚丙烯電力電纜

PP絕緣材料的改性研究發(fā)展、XLPE電纜存在的缺點以及環(huán)保意識的提高，促進(jìn)了各國對PP電纜特性和應(yīng)用的研究。

sPP可以在均相茂金屬催化劑作用下聚合得到。研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)的iPP和XLPE相比，sPP表現(xiàn)出更好的電、熱和力學(xué)特性[76-77]。K KURAHASHI等[78]對sPP應(yīng)用于實際電力電纜絕緣的可能性展開了深入的研究。首先對sPP的壓片材料進(jìn)行力學(xué)性能、低溫脆化溫度、電氣強(qiáng)度、介電性能等測試，結(jié)果表明sPP的柔韌性優(yōu)于iPP，低溫脆化溫度更低，且sPP在常溫和90℃下的沖擊強(qiáng)度和交流電氣強(qiáng)度都高于iPP和XLPE?；趯PP絕緣材料的研究結(jié)果，K YOSHINO等[79]研究制造了600 V和22 kV的sPP絕緣電纜，一系列試驗結(jié)果表明，sPP電纜的電氣強(qiáng)度和介電性能完全能滿足22 kV電力電纜絕緣的要求。K KURAHASHI等[80]進(jìn)一步探究了電壓為22 kV的sPP電力電纜（如圖10(a)所示）的長期運(yùn)行性能，在經(jīng)過30年的長期運(yùn)行試驗后，sPP絕緣電纜仍保持著較高的剩余電氣強(qiáng)度。同時sPP絕緣電纜具有較慢的水樹生長速度，其耐水樹能力優(yōu)于XLPE電纜。

早在2003年，意大利普睿斯曼（Prysmian）公司也開始開展改性PP絕緣替代XLPE絕緣這一前沿技術(shù)的研究工作。2006年基于高性能熱塑性彈性體絕緣材料（HPTE）生產(chǎn)了12/20 kV、185 mm2三芯PP電纜（該公司將其稱為P-Laser）并在意大利投入使用，如圖10(b)所示。2008年，該公司制定了意大利國家標(biāo)準(zhǔn)。2010年，該公司改進(jìn)PP電纜生產(chǎn)工藝，將導(dǎo)體到護(hù)套的7個完整工藝步驟集中在一條連續(xù)生產(chǎn)線上，完成了PP電纜的生產(chǎn)[8,81]。2014年，在意大利北部的TERNA“Lacchiarella”工程中投運(yùn)了一段長度約為500 m的87/150 kV、1 000 mm2銅導(dǎo)體截面HPTE絕緣的PP電纜，如圖10(c)所示[82]。2015年該公司完成了320 kV直流電纜的型式試驗，2016年又宣布成功研制了525 kV和600 kV的改性PP直流電纜，但均未投入工程應(yīng)用。截止2019年投入工程應(yīng)用的改性PP絕緣中壓電纜已達(dá)5萬公里，且應(yīng)用規(guī)模還在進(jìn)一步增加[8]。

圖10 不同類型的PP電纜Fig.10 Different types of PP cables

在發(fā)展PP電纜和熱塑性電纜標(biāo)準(zhǔn)的同時，該公司申請了系列PP熱塑性電纜相關(guān)的專利，主要涵蓋了PP的改性工藝、配方及熱塑性電纜的加工工藝等[83-86]。

我國PP電纜的發(fā)展還處于起步階段。目前，中壓PP電纜的示范工程一共有兩條，一條為上海交通大學(xué)和上海電氣集團(tuán)合作，采用共混彈性體的方法生產(chǎn)的額定電壓為8.7/15 kV的改性PP絕緣電力電纜于2020年1月在國網(wǎng)上海市電力公司市南掛網(wǎng)試運(yùn)行。另一條為中國電科院和燕山石化合作，在石化裝置上直接合成PP電纜料研發(fā)生產(chǎn)的8.7/15 kV中壓PP電纜，該電纜于2020年12月底在沈陽正式掛網(wǎng)運(yùn)行，如圖11(d)所示。該電纜的絕緣切片試驗表明[35]，選用的PP斷裂伸長率為712%，高于XLPE的564%，優(yōu)異的力學(xué)性能更有利于電纜的運(yùn)輸和安裝施工；90℃下PP的電氣強(qiáng)度為91.5 kV/mm，是相同溫度下XLPE電氣強(qiáng)度的123%，并且PP電氣強(qiáng)度隨溫度變化小，比XLPE具有更好的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

隨著可持續(xù)發(fā)展理念和“雙碳”目標(biāo)的提出，電力設(shè)備向綠色環(huán)?？苫厥赵倮冒l(fā)展是未來趨勢和必然要求。PP具有良好的耐熱性，熔點高，非交聯(lián)可回收，符合高容量環(huán)保型電纜的需求。但PP的柔韌性和低溫沖擊性能較差，必須對其進(jìn)行改性處理后才能應(yīng)用于電纜絕緣材料。針對電力電纜用PP材料的研究現(xiàn)狀，總結(jié)的聚丙烯電纜的研究方向如下：

（1）發(fā)展熱塑性電纜PP材料，要保持PP優(yōu)異的電學(xué)性能和熱力學(xué)性能，同時要提高其柔韌性和耐低溫性?；诠簿鄹男院驮痪酆霞夹g(shù)，采取在石化廠反應(yīng)釜中直接生產(chǎn)潔凈度高、長期性能穩(wěn)定的電纜絕緣料是未來PP絕緣料的一個重要發(fā)展方向。

（2）非交聯(lián)熱塑性半導(dǎo)電屏蔽料應(yīng)與絕緣料具有良好的粘合性、界面光滑性、匹配性和相近的耐熱性。半導(dǎo)電屏蔽料的基體、彈性體的添加、炭黑填料的選擇對其性能起著重要的作用。

（3）相較于高端XLPE電纜，國內(nèi)外對于PP電纜材料的研究起步時間接近，這是我國實現(xiàn)電纜和基料自主化的關(guān)鍵機(jī)會。從中壓配網(wǎng)電纜著手，建立一定規(guī)模的PP電纜工程，積累一定的運(yùn)行經(jīng)驗和對材料持續(xù)的改進(jìn)優(yōu)化，可為高壓直流PP電纜的發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。