[发明专利]可抑制空间电荷的高韧性聚丙烯复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了可抑制空间电荷的高韧性聚丙烯复合材料及其制备方法。该聚丙烯复合材料包括：聚丙烯；电活化功能基团表面接枝酰胺类β成核剂；以及聚烯烃弹性体。制备方法包括：一种在酰胺类β成核剂表面接枝电活性功能基团的策略，利用酰胺类β成核剂可以均匀分散于聚丙烯基体的优势，避免了在酰胺类β成核剂表面开展复杂的聚合物刷接枝工艺，所述接枝策略采用的电活性功能基团适用于带有多个苯环的极性分子；聚丙烯复合材料的熔融共混采用两步法，可以实现电活化功能基团表面接枝酰胺类β成核剂和聚烯烃弹性体在聚丙烯基体中的均匀分散和良好相容。该聚丙烯复合材料同时具备优异的力学性能和电气性能，有利于聚丙烯材料走向电力电缆工程应用。

技术领域

本发明涉及材料领域，具体而言，本发明涉及可抑制空间电荷的高韧性聚丙烯复合材料及其制备方法。

背景技术

作为大容量输电工程的关键设备之一，聚合物绝缘高压直流电力电缆的发展面临着一系列挑战，包括绝缘性能、力学性能和热学性能的协同提升问题。绝缘性能极大影响了电缆的综合性能。发展更高额定电压、更大传输容量的高压直流电缆，需要开发高性能绝缘材料。更大的传输容量往往意味着更大的负载电流，更高的额定电压往往需要更厚的绝缘，因此绝缘材料靠近导芯一侧面临更高的工作温度，而聚合物绝缘作为不良的热导体使得绝缘层面临更大的温度梯度。然而，交联聚乙烯相对较低的工作温度(高压直流条件下长期运行允许的工作温度仅为70℃)和热稳定性，以及空间电荷的积累均限制了高压直流电缆输送电压和容量的提升。此外，交联聚乙烯属于热固性材料，很难在使用后回收，导致环境污染和资源浪费。同时，交联产生的副产物杂质降低了电缆绝缘性能，也降低了高压直流电缆的运行性能和使用寿命。此外，交联过程繁琐且昂贵，设备投资和能源损耗大。为了满足绿色环保的可持续发展需求，需要开发可回收热塑性高性能绝缘材料来克服交联聚乙烯的缺点。

近年来，聚丙烯因其熔点高、绝缘性能好、耐腐蚀性能优而受到越来越多的关注。聚丙烯属于热塑性材料，使用后可以回收再利用，避免污染，既节约资源，且绿色环保。聚丙烯作为电缆绝缘材料，可以长期工作在100℃环境下。聚丙烯是一种非极性聚合物材料，具有较高的击穿强度(室温下100μm薄膜的直流击穿强度可达300kV/mm以上)，体电阻率较大(室温下多在10¹⁶Ω·m左右)，且随温度的变化击穿强度改变不明显，有望在相同绝缘厚度下提高电缆运行电压、提升线路输送容量、降低电能输送损耗。综上所述，聚丙烯目前已成为具有潜力的大容量高压直流电缆绝缘材料之一。然而，纯聚丙烯的大球晶结构和高等规度导致其成型收缩率大、韧性差，材料的力学性能尚存在较大不足，尤其是其在室温下难以变形以及低温下的脆性，限制了其在电力电缆绝缘领域的应用。

为了改善聚丙烯的力学性能，将聚丙烯与高韧性弹性体聚合物共混以获得较好的效果，如聚丙烯与三元乙丙橡胶、聚烯烃弹性体、苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯等通过物理共混，可以有效提高聚丙烯的韧性、冲击强度和抗张强度等力学性能。弹性体的添加改变了聚丙烯复合材料的组成和结构，同时导致聚丙烯的空间电荷特性、电阻率和击穿电压等电气性能发生相应的变化。研究发现在纯聚丙烯中很难发生空间电荷的注入，但在聚丙烯/弹性体共混物中则很容易注入空间电荷。同时，增韧改性后的聚丙烯复合材料会出现击穿强度下降、空间电荷积聚量变大等不利现象。为了开发适用于高压直流电缆的聚丙烯绝缘材料，需要进一步评估添加弹性体对聚丙烯空间电荷特性的影响并提出抑制空间电荷的方法，以获得同时具备优良力学性能和电气性能的聚丙烯复合材料。

掺杂无机纳米填料来抑制空间电荷的积累是聚合物绝缘材料改性的一种方法。然而，由于纳米粒子与聚合物相容性较差、纳米表面改性困难等原因，常常导致纳米颗粒严重团聚，在聚丙烯基体内部形成绝缘缺陷，严重限制了纳米技术在聚丙烯材料中的工程应用。因此，在对聚丙烯进行增韧改性的基础上，采用新方法以改善聚丙烯绝缘中的空间电荷特性，实现聚丙烯多性能的协同调控，这对于聚丙烯绝缘材料走向电力电缆工程应用具有重大意义。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出可抑制空间电荷的高韧性聚丙烯复合材料及其制备方法。