電壓穩(wěn)定劑對(duì)PP/彈性體共混物直流擊穿強(qiáng)度影響

孟 飛 邵滿智 牛 越 胡 巍 李春陽 趙 洪

(1. 哈爾濱理工大學(xué)工程電介質(zhì)及其應(yīng)用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 哈爾濱 150080；2. 國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司赤峰供電公司 赤峰 024000；3. 國網(wǎng)江西省電力有限公司南昌供電分公司 南昌 330069)

1 引言

與電力電纜中廣泛應(yīng)用的熱固性交聯(lián)聚乙烯(XLPE)不同，聚丙烯(PP)屬于熱塑性材料，經(jīng)高溫熔融后可回收利用，未來作為高壓直流電纜的主要絕緣介質(zhì)有著良好的發(fā)展前景，近年來得到廣泛的研究和關(guān)注[1]。但聚丙烯樹脂柔韌性較差，發(fā)生脆斷概率大，極大地限制了PP在電力電纜中的應(yīng)用。關(guān)于PP基電纜絕緣材料的改性問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。何金良等[1-2]制備了不同POE質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PP/POE共混物，發(fā)現(xiàn)隨著彈性體的混入，聚丙烯材料的力學(xué)性能得到很大提高。雖然POE的摻入使PP的熔點(diǎn)有所下降，但由于PP的熔點(diǎn)本身較高，故PP/POE共混物仍然有著很好的熱學(xué)性能，能夠長期工作在較高溫度下。向PP/POE共混物加入納米MgO可以抑制聚合物中空間電荷的積累，提高直流擊穿強(qiáng)度，但缺點(diǎn)是納米MgO需要借助適當(dāng)工藝在聚合物中取得均勻分散[2]。KIM等[3]比較了等規(guī)聚丙烯i-PP和間規(guī)聚丙烯s-PP的分子結(jié)構(gòu)、微觀形貌和電氣性能，發(fā)現(xiàn)s-PP的結(jié)晶溫度更低，在高溫下形成的球晶粒徑更小，因而具有更好的熱穩(wěn)定性和電氣絕緣性能，但其價(jià)格相對(duì)較高，是制約s-PP發(fā)展的因素。HOSIER等[4]分別研究了四種不同乙烯含量的丙烯-乙烯共聚物及其共混物(EPC)和s-PP、i-PP的熱學(xué)、機(jī)械和電氣性能，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)每一種樣品都不能滿足作為電力電纜主絕緣材料的所有性質(zhì)要求，僅在某一方面較為突出。趙洪等[5-6]探究了PP結(jié)晶形態(tài)對(duì)直流擊穿強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)PP擊穿強(qiáng)度大小與晶界區(qū)多少和無定形區(qū)的松弛行為有關(guān)，當(dāng)PP形成大且疏的球晶時(shí)，擊穿過程可沿更短的路徑發(fā)展，并且由于無定形區(qū)存在較多的雜質(zhì)及低分子物，使得擊穿強(qiáng)度明顯降低。利用POE、丙烯-乙烯共聚塑性體(POP)對(duì)PP進(jìn)行改性，通過掃描電子顯微鏡觀測(cè)發(fā)現(xiàn)POE在PP中的分散性相對(duì)較差，而與PP具有相近分子結(jié)構(gòu)的POP呈現(xiàn)出與PP較好的相容性，對(duì)PP基體的結(jié)晶規(guī)整度影響相對(duì)較少，因此POP/PP的介電性能優(yōu)于POE/PP體系，其具有更小的介質(zhì)損耗及電導(dǎo)率，并具有更高的交流和直流擊穿強(qiáng)度。GAO等[7]采用電壓穩(wěn)定劑修飾無機(jī)納米顆粒，并將納米顆粒均勻混入PP，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過電壓穩(wěn)定劑修飾的無機(jī)納米顆粒具有較好的分散性且能夠顯著改善PP絕緣的直流電學(xué)性能。朱樂為等[8]對(duì)比了XLPE與PP的電樹枝生長特性，發(fā)現(xiàn)電樹枝在PP中更不易生長，同時(shí)發(fā)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的溫度升高將加劇PP內(nèi)電樹枝的生長過程，但接近熔融溫度時(shí)反而會(huì)減慢電樹枝的生長過程。

使用電壓穩(wěn)定劑是一種傳統(tǒng)的電力電纜XLPE絕緣材料改性方法，可以顯著改善XLPE的耐電性能，且具有廉價(jià)、易操作等優(yōu)點(diǎn)[9-11]。YAMANO[12]研究了一系列稠環(huán)芳香烴對(duì)LDPE直流擊穿強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)蒽可使LDPE的擊穿強(qiáng)度提高1.5倍，蒽分子上連接硝基和溴基后，直流擊穿強(qiáng)度可進(jìn)一步提高。PP基環(huán)保型電力電纜絕緣材料是近幾年出現(xiàn)的，電壓穩(wěn)定劑在PP可回收絕緣材料中應(yīng)用是否能夠取得類似的效果尚未明確，電壓穩(wěn)定劑對(duì)于熱塑性彈性體以及彈性體/PP共混物的擊穿性能是否有一致的改善效果尚屬未知。若將電壓穩(wěn)定劑應(yīng)用于PP絕緣材料，并發(fā)揮電壓穩(wěn)定劑吸收高能電子的作用，有可能使得PP絕緣材料的耐電性能得到大幅改善，這對(duì)于環(huán)?？苫厥誔P電纜絕緣材料的開發(fā)和應(yīng)用可能是有益的改性方法補(bǔ)充。

本文選取兩種熱塑性彈性體，分別為乙烯-辛烯共聚物(POE)和苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯三嵌段共聚物(SEBS)，探究不同組分彈性體共混對(duì)PP力學(xué)性能及直流擊穿強(qiáng)度的影響。之后，選取三種芳香酮化合物AOHBP、RBBT、RQCT作為電壓穩(wěn)定劑，分別探究不同組分電壓穩(wěn)定劑對(duì)PP基礎(chǔ)樹脂以及兩種彈性體直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)的影響，最后根據(jù)篩選出的最優(yōu)組分制備電壓穩(wěn)定劑改性PP/彈性體共混絕緣材料，探究了電壓穩(wěn)定劑和彈性體熔融共混順序?qū)P基共混絕緣材料直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)的影響，驗(yàn)證了電壓穩(wěn)定劑改性方法在共混改性PP絕緣材料中應(yīng)用的可行性。

2 試樣制備及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料與試樣制備

電壓穩(wěn)定劑長期以來應(yīng)用于高壓電纜用XLPE絕緣材料，考慮到PP同屬飽和聚烯烴絕緣材料，依據(jù)前期的研究基礎(chǔ)，選取了能夠顯著改善XLPE直流擊穿強(qiáng)度的三種芳香酮化合物作為電壓穩(wěn)定劑，對(duì)其在PP中的作用效果做探索性研究，可以一定程度上減少盲目性，分子式分別如圖1所示，在本文中分別用AOHBP、RBBT、RQCT表示。三種電壓穩(wěn)定劑的共性特點(diǎn)是都具有電子共軛結(jié)構(gòu)，RBBT中的共軛結(jié)構(gòu)由亞乙烯基、羰基和苯環(huán)構(gòu)成，AOHBP中的共軛結(jié)構(gòu)由羰基和苯環(huán)構(gòu)成，RQCT中的共軛結(jié)構(gòu)由羰基、亞乙烯基和苯環(huán)構(gòu)成，電子共軛結(jié)構(gòu)有利于電子云離域共面運(yùn)動(dòng)的形成，對(duì)于電壓穩(wěn)定劑吸收高能電子能量的效果具有積極作用[13-14]；采用中國石化生產(chǎn)的牌號(hào)為K8003的共聚聚丙烯作為基料，熔融指數(shù)2.5 g/10 min；彈性體分別選用聚烯烴彈性體POE LC170，熔融指數(shù)為1.1 g/10 min，密度為0.870 g/cm3，熔融溫度為58 ℃；以及聚苯乙烯含量為29%的SEBS，熔融指數(shù)為6 g/10 min(230 ℃)，密度為0.91 g/cm3，抗拉強(qiáng)度為31 MPa。

圖1 電壓穩(wěn)定劑分子式

2.1.1 PP/彈性體共混絕緣材料試樣制備

在190 ℃、200 ℃轉(zhuǎn)速60 r/min的轉(zhuǎn)矩流變儀中加入PP顆?；鞜? min后，制得未改性PP材料，同樣地，2 min后將POE、SEBS按照不同質(zhì)量份數(shù)(20 wt%、30 wt%、40 wt%)分別添加到PP中再混煉3 min，總時(shí)間控制在5 min，得到六種PP/彈性體共混物。

2.1.2 PP/電壓穩(wěn)定劑、彈性體/電壓穩(wěn)定劑共混絕緣材料試樣制備

先分別在轉(zhuǎn)矩流變儀中加入聚合物顆粒，PP混料條件為190 ℃轉(zhuǎn)速60 r/min，POE顆?；炝蠗l件為110 ℃轉(zhuǎn)速60 r/min，SEBS顆?；炝蠗l件為200 ℃轉(zhuǎn)速60 r/min，各混煉2 min制得三種材料的純料，以備后續(xù)試驗(yàn)作為對(duì)照組使用。在上述相同步驟下先將三種純料混煉2 min，后將三種電壓穩(wěn)定劑(AOHBP、RQCT、RBBT)按照份數(shù)為0.2 phr、0.4 phr、0.6 phr分別添加到PP、POE和SEBS中各混煉3 min，制得添加電壓穩(wěn)定劑的共混物。

2.1.3 PP/電壓穩(wěn)定劑/彈性體共混絕緣材料試樣制備

小說多文本的整合比較閱讀中，會(huì)使教師和學(xué)生對(duì)小說有清晰的認(rèn)識(shí)，從而倒逼教師和學(xué)生搜集更多的資料信息，更深層次地理解小說文本。

測(cè)試并分析彈性體和電壓穩(wěn)定劑分別單獨(dú)加入對(duì)PP直流擊穿強(qiáng)度的影響，根據(jù)直流擊穿強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，選取彈性體和電壓穩(wěn)定劑的最優(yōu)組分，先在PP/彈性體共混物中加入最優(yōu)組分的電壓穩(wěn)定劑各混煉5 min，另調(diào)換電壓穩(wěn)定劑(AOHBP、RBBT、RQCT)和彈性體(POE、SEBS)的添加順序，制得不同混煉順序的電壓穩(wěn)定劑改性PP基共混材料共六種。

2.1.4 直流擊穿試樣制備

改性PP材料、改性POE材料以及改性SEBS材料分別在溫度為190 ℃、110 ℃、200 ℃的平板硫化機(jī)上熱壓成型，壓強(qiáng)逐步從5 MPa到15 MPa，最后保持壓力快速冷卻，制得120 μm厚、直徑95 mm的片狀圓形試樣。測(cè)試直流擊穿強(qiáng)度前，所有試樣預(yù)先在80 ℃的真空烘箱中脫氣處理48 h。

2.2 拉伸試驗(yàn)

試驗(yàn)器材為WDW-10C型萬能試驗(yàn)機(jī)，做拉伸測(cè)試時(shí)，將材料制作成厚1 mm的啞鈴型試樣，在試樣上標(biāo)定距離為50 mm，初始夾具間距20 mm，試驗(yàn)機(jī)拉伸速率設(shè)定為50 mm/min，測(cè)試溫度為室溫，每種材料重復(fù)5次。

2.3 直流擊穿試驗(yàn)

采用圓柱電極，高壓電極與接地電極直徑分別為35 mm和50 mm且有5 mm圓角，高壓電極采用環(huán)氧樹脂包封，以防在測(cè)試中局部放電影響試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)中將片狀試樣置于上、下電極之間并浸沒在硅油中，勻速加壓直至試樣擊穿后讀取擊穿電壓。根據(jù)公式計(jì)算出對(duì)應(yīng)的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)，每種材料至少測(cè)試15個(gè)試樣，采用二參數(shù)Weibull分布函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3 結(jié)果及討論

3.1 彈性體對(duì)PP力學(xué)性能和直流擊穿性能的影響

試驗(yàn)結(jié)果繪制成應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示，表1為拉伸試驗(yàn)具體測(cè)試結(jié)果。聚丙烯作為絕緣層使用面臨的主要問題之一就是其具有較高的硬度，具體表現(xiàn)為屈服應(yīng)力和彈性模量大，由于本文使用的PP是乙烯-丙烯共聚物，乙烯的加入改變了聚合物分子鏈的規(guī)整度，對(duì)結(jié)晶性能產(chǎn)生一定影響，從而一定程度上增加了材料的韌性，因此本文選取的PP屈服應(yīng)力相比均聚聚丙烯較低[15]。由表1可知，PP的拉伸屈服應(yīng)力為14.8 MPa，當(dāng)POE和SEBS的添加份數(shù)為20 phr時(shí)，共混物的拉伸屈服應(yīng)力顯著降低；當(dāng)彈性體添加份數(shù)為30 phr時(shí)，共混物的拉伸屈服應(yīng)力與PP/20 phr POE共混物和PP/20 phr SEBS共混物相近；當(dāng)POE和SEBS的添加份數(shù)為40 phr時(shí)，共混物的拉伸屈服應(yīng)力達(dá)到最低，分別為6.9 MPa 和8.3 MPa。由此可見，彈性體POE和SEBS的加入進(jìn)一步提高了PP基絕緣材料的韌性。對(duì)比PP/POE和PP/SEBS共混物的拉伸斷裂應(yīng)力和斷裂伸長率，添加相同份數(shù)PP/POE共混物的拉伸斷裂應(yīng)力和斷裂伸長率要低于PP/SEBS共混物，SEBS改善PP力學(xué)性能的效果相對(duì)更優(yōu)。

表1 各材料拉伸測(cè)試結(jié)果

圖2 材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線

添加彈性體可以提高聚丙烯的韌性，這是因?yàn)镻P中摻入彈性體聚合物后，使得原來全部為連續(xù)相結(jié)構(gòu)分子的材料中混入了分散相結(jié)構(gòu)。根據(jù)“銀紋-剪切帶”理論，外施作用力時(shí)，由于分散相分子致使應(yīng)力不連續(xù)，共混材料中產(chǎn)生“銀紋”與“剪切帶”，消耗了大量能量。且“銀紋”之間彼此作用或與分散相分子作用時(shí)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)向和支化，進(jìn)一步消耗能量，上述過程使得混合材料韌性增加[16]。除此之外，彈性體分子還有可能發(fā)揮異相成核的作用，改變PP的球晶結(jié)構(gòu)及分布，從而對(duì)其力學(xué)性能產(chǎn)生影響。

圖3 PP/彈性體兩種材料常溫下直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)Weibull分布

3.2 電壓穩(wěn)定劑對(duì)PP直流擊穿性能影響

純PP與添加三種電壓穩(wěn)定劑的PP在常溫下直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)二參數(shù)Weibull分布如圖4所示，相比于純PP，其中添加0.2 phr、0.4 phr、0.6 phr AOHBP的共混物的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)分別提高了4.0%、34.6%、31.1%；添加0.2 phr、0.4 phr、0.6 phr RBBT的絕緣材料的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)分別提高了33.4%、32.4%、12.7%；而添加0.2 phr、0.4 phr、0.6 phr RQCT的絕緣材料的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)分別提高了1.0%、2.0%、

圖4 PP/電壓穩(wěn)定劑材料常溫下直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)Weibull分布

14.0%。

三種電壓穩(wěn)定劑均能不同程度地提高PP的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)，最優(yōu)組分分別為PP+0.4AOHBP、PP+0.2RBBT、PP+0.6RQCT。本文所選三種電壓穩(wěn)定劑在XLPE中的作用效果和機(jī)理已經(jīng)被研究和報(bào)道，由于PP和PE在化學(xué)結(jié)構(gòu)上均為飽和脂肪族大分子，且物理結(jié)構(gòu)上同為半結(jié)晶聚合物，因此電壓穩(wěn)定劑在PP中的作用機(jī)理也是基本一致的，三種電壓穩(wěn)定劑均為電子親和能較大且能隙較小的芳香族化合物，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，電子定向運(yùn)動(dòng)加速，當(dāng)其撞擊到俘獲高能電子的電壓穩(wěn)定劑后，電壓穩(wěn)定劑會(huì)通過吸收高能電子的能量，大幅度削弱高能電子的動(dòng)能，減少高能電子數(shù)量，進(jìn)而抑制高能電子對(duì)聚合物分子鏈的沖擊[18]，提高了PP的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)。

3.3 電壓穩(wěn)定劑對(duì)彈性體直流擊穿性能影響

純POE與添加三種電壓穩(wěn)定劑的POE在常溫下的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)二參數(shù)Weibull分布如圖5所示，純POE的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)為195.0 kV/mm，低于PP的直流擊穿強(qiáng)度，在添加不同份數(shù)不同種類的電壓穩(wěn)定劑后，直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)均有所下降。其中，添加電壓穩(wěn)定劑0.4 phr AOHBP、0.2 phr RBBT、0.6 phr RQCT均在各自電壓穩(wěn)定劑的組分中直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降最為明顯，這個(gè)結(jié)果與電壓穩(wěn)定劑對(duì)PP的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)得到的試驗(yàn)結(jié)果恰好相反。

圖5 POE/電壓穩(wěn)定劑材料常溫下直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)Weibull分布

純SEBS與添加三種電壓穩(wěn)定劑的SEBS在常溫下的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)二參數(shù)Weibull分布如圖6所示，純SEBS的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)為153.5 kV/mm，低于純POE和純PP，此外，添加0.2 phr AOHBP、0.4 phr RBBT和0.2 phr RQCT可以提高SEBS的直流擊穿強(qiáng)度，但效果甚微，其中SEBS+0.2 phr RQCT提高的相對(duì)最多，僅為5.9%；其余份數(shù)的電壓穩(wěn)定劑均不能提高其直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)，反而使其下降?？傊?，三種電壓穩(wěn)定劑均不能顯著提高彈性體POE和SEBS的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)，這與電壓穩(wěn)定劑在XLPE和PP中的作用效果有顯著差別，說明電壓穩(wěn)定劑的作用效果不僅取決于添加劑分子本身，同時(shí)對(duì)于聚合物基體材料具有顯著依賴性。

圖6 SEBS/電壓穩(wěn)定劑材料常溫下直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)Weibull分布

電壓穩(wěn)定劑在聚合物基體中的分散狀態(tài)可能是其作用效果的重要影響因素，然而電壓穩(wěn)定劑一類有機(jī)小分子不同于納米顆粒，本文所選的添加劑在混入時(shí)均處于熔融狀態(tài)，其分子大量以離散的形式分布于基體中，難以通過掃描電子顯微鏡等顯微手段觀察到其團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，目前也尚未有研究能對(duì)電壓穩(wěn)定劑一類有機(jī)小分子的分散性做出可靠的表征?？紤]到擊穿強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)于材料內(nèi)部的微觀缺陷較為敏感，因此本文結(jié)合擊穿強(qiáng)度的變化以及聚合物基體分子結(jié)構(gòu)輔助分析了電壓穩(wěn)定劑作用效果不同的原因。

電壓穩(wěn)定劑的作用效果不僅取決于其分子特性及分散狀態(tài)，同時(shí)還受聚合物基體的分子理化結(jié)構(gòu)特性以及擊穿破壞機(jī)制的影響。通常認(rèn)為芳香酮類電壓穩(wěn)定劑通過其分子清除高能電子來實(shí)現(xiàn)擊穿強(qiáng)度的提升。然而，電壓穩(wěn)定劑分子具有一定極性，且其芳香族化合物的解離能相比聚合物分子較小，容易在電場(chǎng)作用下電離形成離子型載流子從而可能對(duì)擊穿電流的形成具有貢獻(xiàn)作用。電壓穩(wěn)定劑的這兩種作用機(jī)制之間是相互競(jìng)爭的，既有可能通過吸收高能電子抑制擊穿現(xiàn)象，又有可能提供雜質(zhì)離子而降低擊穿強(qiáng)度。在純PP基體中，存在大量致密排列的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，材料的平均自由體積相對(duì)較小，電子相對(duì)難以被加速到具有足夠的動(dòng)能，且由于結(jié)晶結(jié)構(gòu)的阻礙作用，電壓穩(wěn)定劑的分子或離子很難在PP中遷移和聚集。相比之下，在POE或SEBS基體中，分子鏈無法形成規(guī)則堆砌的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，材料的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)也較為松散，一方面提高了材料中平均自由體積的大小，使電子更容易被加速，另一方面失去了結(jié)晶結(jié)構(gòu)對(duì)于電壓穩(wěn)定劑分子或離子的阻擋，電壓穩(wěn)定劑小分子或解離成分更容易在基體中遷移[19]。因此，電壓穩(wěn)定劑在PP中表現(xiàn)為提高擊穿強(qiáng)度，可能源于其對(duì)高能電子的清除作用占據(jù)了主導(dǎo)，而在POE或SEBS中表現(xiàn)為降低或不影響擊穿強(qiáng)度，很可能是由于其雜質(zhì)解離或局部團(tuán)聚造成的負(fù)面影響占據(jù)了主導(dǎo)作用[20]。

3.4 電壓穩(wěn)定劑對(duì)PP/彈性體共混材料直流擊穿性能影響

由前兩節(jié)可知，電壓穩(wěn)定劑能夠顯著改善PP的擊穿強(qiáng)度，卻會(huì)使POE和SEBS等彈性體的擊穿強(qiáng)度下降，當(dāng)PP和彈性體共混形成復(fù)合絕緣材料時(shí)，電壓穩(wěn)定劑如何實(shí)現(xiàn)混配以及是否能發(fā)揮作用需要進(jìn)一步研究。有研究表明彈性體通常以“海島”形式分布于PP基體中，說明兩種聚合物難以形成完全互容的均相結(jié)構(gòu)，由于電壓穩(wěn)定劑分子與不同聚合物分子的親和性不同，可能在熔融共混過程中形成對(duì)某種聚合物的趨向性分散，因此電壓穩(wěn)定劑的熔融共混順序可能會(huì)對(duì)其作用效果產(chǎn)生影響。本文通過改變材料的熔融共混順序來驗(yàn)證這一影響，并能一定程度上調(diào)節(jié)電壓穩(wěn)定劑在共混改性材料摻雜相和本體相中的分布狀態(tài)，從而為電壓穩(wěn)定劑混配工藝方案的選擇提供參考依據(jù)。

由前文可知，三種電壓穩(wěn)定劑提高PP直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)的最優(yōu)組分分別是0.4 phr AOHBP、0.2 phr RBBT、0.6 phr RQCT，PP/彈性體共混物直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)最高時(shí)POE和SEBS選取份數(shù)為20 phr，常溫下上述組分共混物的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)二參數(shù)Weibull分布分別如圖7～9所示，將混料順序?yàn)橄忍砑与妷悍€(wěn)定劑、后添加彈性體的材料統(tǒng)一表示為PP/電壓穩(wěn)定劑/彈性體；將混料順序?yàn)橄忍砑訌椥泽w、后添加電壓穩(wěn)定劑的材料統(tǒng)一表示為PP/彈性體/電壓穩(wěn)定劑。

圖7 PP/AOHBP/彈性體共混物常溫下的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)Weibull分布

圖8 PP/RBBT/彈性體共混物常溫下的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)Weibull分布

圖9 PP/RQCT/彈性體共混物常溫下直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)Weibull分布

由圖7～9可知，無論電壓穩(wěn)定劑和彈性體的添加順序如何，這三種電壓穩(wěn)定劑均不能使改性共混材料的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)恢復(fù)到與純PP相同的水平。而添加的兩種彈性體相比，加入彈性體SEBS的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)總體要低于加入POE的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)，這與第3.1節(jié)中PP/彈性體復(fù)合材料直流擊穿試驗(yàn)的結(jié)果相同。

研究表明，PP與彈性體聚合物共混材料通常為海島結(jié)構(gòu)[5-6]，擊穿通常起始于材料的耐電薄弱區(qū)。共混材料中的島相由彈性體聚合物分子構(gòu)成，前文研究已經(jīng)表明彈性體聚合物的擊穿強(qiáng)度顯著低于PP，且電壓穩(wěn)定劑對(duì)于彈性體的擊穿強(qiáng)度幾乎沒有改善效果，甚至產(chǎn)生負(fù)面作用。雖然電壓穩(wěn)定劑能夠顯著改善純PP的擊穿強(qiáng)度，但是共混材料的擊穿強(qiáng)度由其弱區(qū)決定，擊穿破壞機(jī)理已發(fā)生變化，尤其本文試驗(yàn)過程中采用了平板電極系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，由于測(cè)試區(qū)域增大，其擊穿強(qiáng)度對(duì)材料內(nèi)部的缺陷和均勻性十分敏感，因此電壓穩(wěn)定劑改善擊穿強(qiáng)度的作用效果在共混材料中無法得到發(fā)揮。

在PP、電壓穩(wěn)定劑、彈性體三者共混材料中，先加入彈性體進(jìn)行混煉的材料相比先加入電壓穩(wěn)定劑進(jìn)行混煉的材料具有更高的擊穿強(qiáng)度。分析其原因如下：為避免剪切時(shí)間不同對(duì)PP基體樹脂分子的降解和后續(xù)的擊穿強(qiáng)度測(cè)試造成影響，本文三種成分共混的總體時(shí)間是固定的。優(yōu)先加入彈性體的共混材料相當(dāng)于延長了其與PP基體熔融共混的總體時(shí)間，而優(yōu)先混入電壓穩(wěn)定劑的材料則使得彈性體的總體共混時(shí)間相對(duì)縮短。彈性體熔融共混時(shí)間的延長將會(huì)促進(jìn)PP和彈性體大分子的進(jìn)一步相容，從而使得共混材料中彈性體島相結(jié)構(gòu)與PP海相結(jié)構(gòu)間的微觀缺陷得到一定程度的減少和削弱。而電壓穩(wěn)定劑的總體混合時(shí)間延長并未對(duì)其作用效果產(chǎn)生正面影響，說明在電壓穩(wěn)定劑無法改善彈性體擊穿強(qiáng)度的前提下，即使將電壓穩(wěn)定劑優(yōu)先混入作用效果相對(duì)更顯著的PP基體，也并不能顯著改善PP與POE或SEBS共混物的擊穿強(qiáng)度。

總之，廣泛用于交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜的電壓穩(wěn)定劑雖然能夠一定程度地提高純PP的擊穿強(qiáng)度，但其在PP基共混改性絕緣材料中卻未能發(fā)揮出類似的作用。PP和彈性體共混物的直流擊穿強(qiáng)度較大程度上依賴于耐電性能薄弱的彈性體相，提高共混改性PP絕緣材料的耐電性能，需要關(guān)注彈性體本身的耐電特性，選取耐電性能改進(jìn)的彈性體并采取合理的混合工藝手段，改進(jìn)彈性體相與PP相之間的相容性，減少結(jié)構(gòu)性缺陷，有利于改善共混材料的直流耐電性能，相關(guān)研究仍需要進(jìn)一步廣泛探索。

4 結(jié)論

本文通過熔融共混的方式系統(tǒng)地探究了常溫下電壓穩(wěn)定劑AOHBP、RBBT、RQCT對(duì)PP、彈性體及其共混物直流擊穿性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明如下結(jié)論。

(1) 彈性體POE和SEBS可以改善PP的韌性，隨著POE和SEBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，共混物的拉伸屈服應(yīng)力顯著降低，其中SEBS共混改性材料在同等添加量下力學(xué)性能表現(xiàn)更優(yōu)，添加兩種彈性體均使PP的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降，且添加的份數(shù)越高，直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降得越多。

(2) 常溫下三種電壓穩(wěn)定劑均能夠提高PP的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)，其中最優(yōu)組分分別為PP+0.4 phr AOHBP、PP+0.2 phr RBBT、PP+0.6 phr RQCT，其中添加0.4 phr AOHBP提高比例最高，為34.6%。三種電壓穩(wěn)定劑均不能提高彈性體POE、SEBS的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)。

(3) 無論混煉順序如何，三種電壓穩(wěn)定劑均不能提高PP/彈性體共混絕緣材料的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)，共混改性PP絕緣材料的擊穿強(qiáng)度主要依賴于彈性體，兩種彈性體相比，加入SEBS對(duì)直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)的負(fù)面影響更為嚴(yán)重，合理選擇彈性體并適度增大其混煉時(shí)間對(duì)抑制共混改性PP材料直流擊穿強(qiáng)度的下降有積極效果。