交联剂、交联度对交联聚乙烯电性能的影响有哪些？

引言

       目前，工业上多使用过氧化物交联剂来交联聚乙烯，过氧化物交联聚乙烯的过程机理已经在本文第一章中介绍交联聚乙烯的部分进行了详细的描述。而在过氧化物交联聚乙烯的应用中，广泛使用的是过氧化二异丙苯（DCP），因为 DCP

的分解温度低于聚乙烯基体的降解温度，从而避免了聚乙烯交联过程中降解的情况，并且能够有效地防止交联聚乙烯的预交联现象。

        使用 DCP 作为交联剂的交联聚乙烯热固性塑料一般都有一些气味，尤其是DCP 交联过程气味较重，而且这种气味会持续很久，直到交联聚乙烯塑料老化后，失去使用价值时仍有气味。DCP 是一种二枯基过氧化物，药品本身是无色、无味、透明的晶体，但是 DCP 分解后的小分子产物主要有苯乙酮，这种产物不易挥发，有臭味，因此使得产品带有很强烈的刺激气味，污染环境，对人体有害。另外，DCP 的交联效果一般，在交联聚乙烯的过程中 DCP 的使用量一般在 1％到 3％之间，这就使得它的用量比较大，成本提高，并且容易造成与交联聚乙烯基体材料混合不均匀，交联度不均匀的现象，从而影响塑料制品的力学性能和电性能稳定性。

不同交联剂交联聚乙烯直流击穿场强的测试

        使用中航时代的ZJC-100kV 型电压击穿试验仪来分别测量 DCP 交联的 XLPE 以及 BIPB 所交联 XLPE 的直流击穿场强。在此实验中，使用两个直径 200mm 的圆形铜电极作为高压电极和接地电极，以硅油为介质。硅油作为介质的作用是防止气泡的形成，使得所测量的最终击穿场强是绝缘材料的击穿场强而不是空气的击穿场强。用计算机程序控制以 1kV/s 的线性速率升高电压，直到所测试试片发生击穿现象为止，此时记录电压数据以得出 XLPE 绝缘材料的击穿电压。总共包括了 13 个试片，分别是纯 LDPE、XLPE/0.5 wt ％ DCP、XLPE/1.0 wt ％ DCP、XLPE/1.5 wt ％ DCP、XLPE/2.0 wt ％ DCP、XLPE/2.5 wt ％ DCP、XLPE/3.0wt ％ DCP、XLPE/0.3 wt ％ BIPB、XLPE/0.6 wt ％ BIPB、XLPE/0.9 wt ％BIPB、XLPE/1.2 wt ％ BIPB、XLPE/1.5 wt ％ BIPB、XLPE/1.8 wt ％ BIPB。每个试片至少进行十次直流电压击穿试验，由击穿电压与试样的厚度求得试样的击穿场强，并通过 Weibull 统计分布对击穿场强实验数据进行处理和分析。

交联度对交联聚乙烯击穿性能的影响

         对未经交联过程的线性低密度聚乙烯试样、六个不同含量的 DCP 交联的交联聚乙烯试样以及六个不同含量的 BIPB 交联的交联聚乙烯试样进行的直流电压击穿试验结果如图 2-3 所示。图 2-3a 是未经交联过程的线性低密度聚乙烯试样与六个不同含量的 DCP 交联的交联聚乙烯试样的直流击穿场强的 Weibull 分布图，图2-3b 是未经交联过程的线性低密度聚乙烯试样与六个不同含量的 BIPB 交联的交联聚乙烯试样的直流击穿场强的 Weibull 分布图。

        由图 2-3a 可知，未经过交联的线性低密度聚乙烯试样的直流击穿场强在 130kV/mm 左右，而经过交联剂 DCP 交联的交联聚乙烯试样的直流击穿场强普遍大于未交联的试样，即使当交联聚乙烯中 DCP 的含量仅为 0.5 wt ％时，试样的直流击穿场强也增至 150 kV/mm 左右，数值较未经过交联的线性低密度聚乙烯试样的提高了 20 kV/mm。并且随着交联剂 DCP 含量的增加，试样的直流击穿场强也在不断增大，当 DCP 含量为 1.0 wt ％时，试样的直流击穿场强大约为 160 kV/mm；当 DCP 含量为 1.5 wt ％时，试样的直流击穿场强大约为 180 kV/mm；当 DCP 含量为 2.0 wt ％时，试样的直流击穿场强大约为 205 kV/mm。当 DCP 含量继续增加至 2.5 wt ％时，试样的直流击穿场强达到了最大值的 230 kV/mm，但是当 DCP含量继续增加至 3.0 wt ％时，试样的直流击穿场强反而下降至 215 kV/mm。

        通过分析图 2-3b，我们可以发现同上一样的规律，但是 BIPB 所交联的交联聚乙烯试样与 DCP 所交联的交联聚乙烯试样不同的是在 BIPB 含量为 1.5 wt ％时，试样的直流击穿场强达到了 245 kV/mm，其数值上比 DCP 含量为 2.5 wt ％

试样的直流击穿场强大 15 kV/mm 左右。

        通过将图 2-3 直流击穿场强所示数据与图 2-2 交联剂含量与交联度的关系结合在一起，我们可以发现。随着交联聚乙烯试样交联度的提高，试样的直流击穿场强也在不断增大，并且其变化规律与交联度一致。当试样中 DCP 含量为 2.5wt ％与 BIPB 含量为 2.5 wt ％时，交联聚乙烯达到了最大交联度，并且在此时，试样的直流击穿场强也达到了最大值。这是因为过氧化物的交联过程使得低密度聚乙烯通过分子链之间的交联由线性结构转化为了三维网状结构，从而大大提高了它的介电性能和击穿场强。而当过氧化物含量过多的情况下，过氧化物分解产生自由基无法引发链反应而残留在试样中，并且交联之后会产生过多的交联副产物，包括苯乙酮、α-乙烯与苯甲醇等，这些物质会在一定程度上影响试样的击穿场强。在值得注意的是，在试样到达最大交联度的基础上，BIPB 所交联的交联聚乙烯试样的直流击穿电压要大于 DCP 所交联的交联聚乙烯试样的直流击穿电压，这是因为 BIPB 交联剂交联效率高、用量少并且副产物含量少的原

因导致的。