聚乙烯硅橡膠絕緣材料老化性能的研究*

溫振宇，鐘建業(yè)，陳智瑩，黃曉晴，曾婧雯

（廣東電網(wǎng)有限責任公司清遠清新供電局，廣東 清遠 511500）

0 引 言

輸電線路需要表面包覆絕緣材料以保證其正常工作。然而，在野外環(huán)境中，輸電線路受到冷熱、機械、氣象和突發(fā)應力等多種影響因素的作用，這些因素會導致絕緣材料容易出現(xiàn)降解的情況。事實上，這種降解也是一種老化現(xiàn)象。長期的老化刺激會直接導致絕緣材料失效。一旦絕緣材料失效，將會影響電力設備或電氣輸送線路的正常運行，嚴重時甚至可能導致火災等危害[1]。絕緣材料的內(nèi)部或表面都可能出現(xiàn)不同程度的缺陷，受多種因素的影響。雖然每種缺陷的嚴重程度不同，但不論何種類型的缺陷，最終都可能導致絕緣材料提前失效，一旦發(fā)生失效，就會造成不可挽回的損失。因此，需要分析絕緣材料在老化作用下的老化機理，并通過這種機理來預測絕緣材料的使用壽命，為輸電線路和電力設備的長期使用提供參考方向[2-4]。

諸多研究者都對絕緣材料的老化性能情況作出研究，楊琦等人[5]以低密度聚乙烯為研究對象，不但分析了該材料的鏈式結構，同時還對該材料的抗老化性能作出分析，但是該材料結構較為單一，耐老化性能并不顯著。單威威等人[6]研究電纜絕緣材料的耐老化性能，研究高溫、光氧化及通電等對電纜材料老化性能的影響，盡管研究了多種老化方式對于電纜材料的影響，但是該研究并沒有說電纜材料為何種成分，因此研究并不夠充分。

聚乙烯是目前廣泛應用于電纜絕緣的一種熱塑性樹脂材料，不僅具有較強的絕緣性能，還能抵抗酸性和堿性環(huán)境的腐蝕。該材料具有相對穩(wěn)定的分子結構，即使在高溫條件下也能夠抵抗變形。因此，在電力設備和輸電線路中被廣泛使用[7-9]。硅橡膠是一種主要由甲基和含少量乙烯基的硅氧鏈節(jié)組成的材料。為提高其耐極端溫度的能力，苯基被引入到這2 種材料之中。在-70~180 ℃范圍內(nèi)，硅橡膠能夠完成絕緣工作，并保持強彈性。此外，它還具有較強的透氣性。正是由于這些特點，硅橡膠在多個領域都得到了廣泛應用[10-11]。

在上述背景下，本文主要研究聚乙烯硅橡膠絕緣材料分別在80 ℃和140 ℃下的老化性能。

1 材料方法

1.1 材料與儀器設備

本文研究過程中所使用的原材料及材料性能見表1。

表1 材料與性能Table 1 The materials and properties

試驗所用儀器設備及相關型號情況見表2。

表2 儀器設備型號Table 2 The equipment models

1.2 材料制備

（1）制備硅橡膠混煉膠

在實驗室環(huán)境下，選取100 份硫化硅橡膠作為試驗基料，0.6 份雙-2,5 硫化劑，并選擇了氮化硼（HBN）、SiO2、白炭黑、Al(OH)3、炭黑和其他數(shù)種無機顆粒作為填料。由于這些填料的粒徑不同，使用球磨機將以上材料的粒徑統(tǒng)一，并在處理后的填料中添加硅烷偶聯(lián)劑，以實現(xiàn)填料的偶聯(lián)化。然后，將偶聯(lián)后的填料、基料和硫化劑等材料添加到攪拌機中充分攪拌，在超聲分散水浴環(huán)境中分散處理后，將分散后的材料添加到開煉機中進行混煉。同時，清洗模具并確保其完全干燥，將分散且混煉后的硅橡膠混合物倒入模具中，在室溫環(huán)境中靜置，幫助硅橡膠成型。成型固化后，獲得了硅橡膠混煉膠試樣[12-13]。

（2）制備聚乙烯硅橡膠絕緣材料

將轉矩流變儀溫度調整至150 ℃，加入聚乙烯，并使其完全熔融。向聚乙烯中加入3 份聚乙烯接枝馬來酸酐，混合后進行120 s 的密煉。然后，將之前制備的硅橡膠混煉膠加入其中，進行充分的動態(tài)硫化處理，接著繼續(xù)密煉360 s。取出獲得的聚乙烯硅橡膠絕緣材料，將平板硫化儀溫度調整至180 ℃，并將材料置于上面，進行300 s 的壓片處理。在冷壓壓力為10 MPa 的作用下處理聚乙烯硅橡膠絕緣材料300 s，即可得到聚乙烯硅橡膠絕緣材料的壓片。

1.3 老化處理與性能分析

（1）熱老化處理

對壓片后的聚乙烯硅橡膠絕緣材料進行厚度測量，選取多個厚度為0.5 mm 的樣品進行熱老化試驗分析。根據(jù)研究經(jīng)驗，正常的絕緣材料工作條件下溫度和場強均不超過70 ℃和20 kV/mm。因此，以此作為參考，對聚乙烯硅橡膠絕緣材料進行老化試驗。利用恒溫鼓風干燥箱實現(xiàn)對聚乙烯硅橡膠絕緣材料的老化試驗。根據(jù)研究經(jīng)驗和《橡膠物理試驗方法試樣制備和調節(jié)通用程序》GB/T2941-2006 的相關規(guī)定[14]，選擇不同的高溫熱老化試驗溫度，并配合不同的老化時間，以獲得聚乙烯硅橡膠絕緣材料在不同條件下的老化性能變化效果。綜合以上分析，確定高溫熱老化試驗的溫度分別為80 ℃和140 ℃。老化時間分別為7 d、14 d、21 d、28 d、35 d 和42 d。每次試驗完成后，從恒溫鼓風干燥箱中取出試樣，使其在室溫下避光靜置15 h。然后，利用無水乙醇漂洗各個老化材料，以確保材料表面的污垢被去除。處理之后，將各個試樣置于干燥箱中進行干燥處理8 h，然后進行性能測試。

（2）失重分析

經(jīng)過不同溫度、不同養(yǎng)護時長處理后的聚乙烯硅橡膠絕緣材料會發(fā)生不同程度的失重變化，使用精度為0.01 g 的電子天平稱量老化后各個試樣的質量，根據(jù)式（1）計算各個試樣的失重率M：

式中，m0與m1分別表示老化前后各個試樣的質量。

（3）力學性能分析

將老化后的聚乙烯硅橡膠絕緣材料裁剪成啞鈴形狀，然后利用拉力機對各個老化后的聚乙烯硅橡膠絕緣材料施加拉力。每組試驗樣品進行5 次試驗，取平均值，并通過試驗獲得各個試驗樣品的各項力學性能變化情況[15]。

（4）結晶度分析

使用差示掃描量熱法分析老化后聚乙烯硅橡膠絕緣材料的結晶變化情況。將經(jīng)過2 種不同溫度處理的聚乙烯硅橡膠絕緣材料置于鋁坩堝之中，然后將鋁坩堝中的試驗樣品放到樣品爐中加熱。在計算機設備的控制下，待樣品達到設定溫度后，計算機會停止加熱。老化后聚乙烯硅橡膠絕緣材料的結晶度X 計算公式為：

其中，△H 與△H0分別表示聚乙烯硅橡膠絕緣材料的熔融焓以及100%結晶度情況下的熔融焓。

（5）擊穿場強分析

擊穿場強是分析聚乙烯硅橡膠絕緣材料絕緣性能的標準指標。將經(jīng)過不同溫度老化處理的聚乙烯硅橡膠絕緣材料置于電壓擊穿試驗儀中，然后使用該儀器對試驗樣品勻速施加電壓，直到試驗樣品發(fā)生擊穿變化，停止施壓并統(tǒng)計試驗數(shù)據(jù)。

（6）體積電阻率分析

使用電阻計測量老化處理后聚乙烯硅橡膠絕緣材料的體積電阻率。將經(jīng)過不同溫度處理的聚乙烯硅橡膠絕緣材料放置于電阻計的試驗裝置中，并向各個試驗樣品施加1 kV 電壓。每組試驗樣品反復試驗5 次，試驗結果取平均值。

2 老化結果分析

2.1 老化失重性能分析結果

受到老化作用影響，聚乙烯硅橡膠絕緣材料無論在化學層面還是物理層面都會出現(xiàn)不同程度的質量損失。這種損失可以通過天平稱量來確定具體的老化失重變化情況，并能夠體現(xiàn)出不同老化時長下聚乙烯硅橡膠絕緣材料的變化規(guī)律。試驗結果見圖1。

圖1 聚乙烯硅橡膠絕緣材料失重率Fig. 1 The weight loss rate of polyethylene silicone rubber insulating material

從圖1 中能夠看出，隨著老化時間的增加，不同溫度老化處理的聚乙烯硅橡膠絕緣材料均出現(xiàn)失重率升高的情況，且140 ℃老化處理后的聚乙烯硅橡膠絕緣材料失重率明顯更高。經(jīng)過7d 老化處理后，80 ℃和140 ℃老化處理后的聚乙烯硅橡膠絕緣材料均呈現(xiàn)出較快的失重變化，此后保持失重率上升，該上升趨勢較為平緩。但在老化21 d 后，80℃老化處理的聚乙烯硅橡膠絕緣材料并未再出現(xiàn)明顯失重變化。而140 ℃老化處理的聚乙烯硅橡膠絕緣材料隨著熱老化時間的增加，失重情況仍然較為明顯。這種情況主要是由于熱老化作用下，140 ℃老化處理后的聚乙烯硅橡膠絕緣材料中存在的交聯(lián)劑以及部分小分子物質受到高溫影響出現(xiàn)揮發(fā)現(xiàn)象，所以加熱老化初期，聚乙烯硅橡膠絕緣材料失重情況較為嚴重，老化時間增加后，老化處理后的聚乙烯硅橡膠絕緣材料中的交聯(lián)物質幾乎揮發(fā)完全，不會再影響聚乙烯硅橡膠絕緣材料的質量。熱老化作用之下，聚乙烯硅橡膠絕緣材料中的化學鍵出現(xiàn)斷裂，所以聚乙烯硅橡膠絕緣材料出現(xiàn)失重趨勢，呈現(xiàn)出先迅速升高后平緩上升的趨勢。

2.2 老化后力學性能變化

研究老化處理之后聚乙烯硅橡膠絕緣材料的各項力學性能，測試分析結果見圖2。

圖2 老化后聚乙烯硅橡膠絕緣材料力學性能Fig. 2 The mechanical properties of polyethylene silicone rubber insulating material after aging

從圖2 中能夠看出，隨著老化時間的增加，除了彈性模量增加，聚乙烯硅橡膠絕緣材料的其他力學性能指標均發(fā)生顯著的下降。老化溫度較高時（140 ℃），聚乙烯硅橡膠絕緣材料斷裂伸長率降低，彈性模量迅速上升，說明該溫度老化后的聚乙烯硅橡膠絕緣材料喪失韌性，硬度迅速上升。老化處理后的聚乙烯硅橡膠絕緣材料失去部分有機成分，這種成分丟失體現(xiàn)在聚乙烯硅橡膠絕緣材料就是力學性能下降。聚乙烯硅橡膠絕緣材料在老化作用下會出現(xiàn)交聯(lián)反應，這種反應會導致聚乙烯硅橡膠絕緣材料中的內(nèi)部結構更緊實，但是這會導致聚乙烯硅橡膠絕緣材料的柔性降低，所以升高聚乙烯硅橡膠絕緣材料的彈性模量，同時降低聚乙烯硅橡膠絕緣材料的斷裂伸長率與拉伸強度，導致聚乙烯硅橡膠絕緣材料力學性能和彈性出現(xiàn)明顯降低。

2.3 老化后結晶度變化

2 種不同老化溫度處理之后，聚乙烯硅橡膠絕緣材料的結晶度變化情況，試驗結果見圖3。

圖3 老化后聚乙烯硅橡膠絕緣材料結晶度變化Fig. 3 The change in crystallinity of polyethylene silicone rubber insulating material after aging

從圖3 中可以看出，140 ℃老化后的聚乙烯硅橡膠絕緣材料結晶度顯著低于80 ℃老化后的聚乙烯硅橡膠絕緣材料結晶度。另外，80 ℃老化后的聚乙烯硅橡膠絕緣材料的結晶度呈現(xiàn)出先降低后升高的變化趨勢。這種情況主要是由于老化后的聚乙烯硅橡膠絕緣材料會交聯(lián)出網(wǎng)狀結構，這種結構會在老化初期迅速降低聚乙烯硅橡膠絕緣材料結晶度，同時分子鏈位置變化也會降低聚乙烯硅橡膠絕緣材料的結晶度，但是老化后期，聚乙烯硅橡膠絕緣材料中的分子鏈會在老化作用下重新恢復分子活性，這種情況下導致聚乙烯硅橡膠絕緣材料的結晶度又發(fā)生緩慢上升。140 ℃老化后的聚乙烯硅橡膠絕緣材料結晶度會在老化初期發(fā)生迅速下降，后期結晶度變化較為緩慢，這種變化主要是由于較高溫度老化聚乙烯硅橡膠絕緣材料時，會導致聚乙烯硅橡膠絕緣材料中的分子鏈迅速出現(xiàn)斷裂，導致聚乙烯硅橡膠絕緣材料的結晶度降低，但是老化后期，聚乙烯硅橡膠絕緣材料中的分子鏈未斷裂部分較少，所以結晶度下降較為緩慢。

2.4 老化后擊穿場強變化

聚乙烯硅橡膠絕緣材料發(fā)生老化后，通常會降低絕緣效果，因此需要通過擊穿場強分析老化處理之后聚乙烯硅橡膠絕緣材料的擊穿場強變化情況。試驗結果見圖4。

圖4 老化后聚乙烯硅橡膠絕緣材料擊穿場強變化Fig. 4 The change in breakdown field strength of polyethylene silicone rubber insulating material after aging

從圖4 中能夠看出，受到老化作用影響，聚乙烯硅橡膠絕緣材料擊穿場強呈現(xiàn)出明顯下降趨勢，這種情況主要是熱老化作用下聚乙烯硅橡膠絕緣材料出現(xiàn)嚴重氧化降解，所以聚乙烯硅橡膠絕緣材料的擊穿場強會發(fā)生下降。老化過程中聚乙烯硅橡膠絕緣材料中的分子鏈還會出現(xiàn)斷裂，生成較多氧離子，這種氧離子也會造成聚乙烯硅橡膠絕緣材料擊穿強度下降。

2.5 老化后體積電阻率變化分析

通過分析聚乙烯硅橡膠絕緣材料體積電阻率變化，了解聚乙烯硅橡膠絕緣材料老化后絕緣性能的變化，試驗結果見圖5。

圖5 老化后聚乙烯硅橡膠絕緣材料體積電阻率變化Fig. 5 The change in volume resistivity of polyethylene silicone rubber insulating material after aging

從圖5 中能夠看出，隨著老化處理時間增加，聚乙烯硅橡膠絕緣材料的體積電阻率出現(xiàn)明顯下降的情況，說明受到老化作用影響，聚乙烯硅橡膠絕緣材料的絕緣性能受到嚴重破壞。并且在老化后期，聚乙烯硅橡膠絕緣材料體積電阻率的下降速率較為明顯，說明經(jīng)過長時間老化，聚乙烯硅橡膠絕緣材料出現(xiàn)嚴重絕緣劣化，聚乙烯硅橡膠絕緣材料中的分子鏈網(wǎng)絡結構也遭到破壞，所以出現(xiàn)體積電阻率迅速降低。

3 結 論

本文研究熱老化作用之下，聚乙烯硅橡膠絕緣材料的變化情況，通過試驗分析發(fā)現(xiàn)，如果聚乙烯硅橡膠絕緣材料長期處于溫度較高的環(huán)境，會發(fā)生較為嚴重的老化現(xiàn)象，導致聚乙烯硅橡膠絕緣材料的多項性能喪失。但是如果溫度較為適中，聚乙烯硅橡膠絕緣材料能夠承受老化影響。由此可以看出，適當控制聚乙烯硅橡膠絕緣材料所處環(huán)境單位溫度，能夠延長聚乙烯硅橡膠絕緣材料的使用壽命。