改性纳米氧化镁交联聚乙烯复合材料的制备及其电气性能研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.02.004

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (2): 20-25.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.02.004

改性纳米氧化镁交联聚乙烯复合材料的制备及其电气性能研究

陈清江(), 董志聪, 李红发, 吴毅江, 高松, 聂文翔, 罗应文

广东电网有限责任公司中山供电局，广东中山 528400

收稿日期:2023-08-09 出版日期:2024-02-26 发布日期:2024-02-03
作者简介:陈清江(1976—)，男，高级工程师，从事输电线路运维技术管理，Ceigngdcgi3@163.com
基金资助:
中国南方电网有限责任公司科技项目资助［032000KK52220027(GDKJXM20220684)

Study on preparation and electrical properties of modified nano magnesia⁃crosslinked polyethylene composites

CHEN Qingjiang(), DONG Zhicong, LI Hongfa, WU Yijiang, GAO Song, NIE Wenxiang, LUO Yingwen

Zhongshan Power Supply Bureau，Guangdong Power Grid Co，Ltd，Zhongshan 528400，China

Received:2023-08-09 Online:2024-02-26 Published:2024-02-03

摘要/Abstract

摘要：

为提高交联聚乙烯（PE⁃XL）绝缘性能，以聚乙烯（PE）为基体，以改性后的MgO（MgO⁃NH₂）为填料进行复配交联制备了PE⁃XL/MgO⁃NH₂纳米复合材料，对其热老化前后的电绝缘性能进行了研究，并与未改性的MgO交联聚乙烯复合材料（PE⁃XL/MgO）进行了对比研究。通过直流击穿强度、空间电荷和直流电导率来研究复合材料的绝缘性能。与未老化PE⁃XL/MgO相比，未老化PE⁃XL/MgO⁃NH₂纳米复合材料的直流击穿强度提高了20 %，异质空间电荷积累可以忽略不计。热老化后，PE⁃XL/MgO和PE⁃XL/MgO⁃NH₂纳米复合材料的直流击穿强度分别较热老化前降低了38 %和20 %。此外，将MgO表面改性后制备的PE⁃XL/MgO⁃NH₂纳米复合材料比PE⁃XL/MgO具有更低的直流电导率。PE⁃XL/MgO⁃NH₂纳米复合材料在未老化条件下表现出较好的性能，且对热老化可能引起的劣化表现出更强的抑制作用。

关键词: 改性纳米氧化镁, 聚乙烯, 复合材料, 电气性能

Abstract:

To improve the insulation performance of crosslinked polyethylene （PE⁃XL）， MgO⁃NH₂/PE⁃XL nanocomposites were prepared by using polyethylene （PE） as a matrix and modified MgO （MgO⁃NH₂） as a filler. The electrical insulation performance of the nanocomposites before and after thermal aging was investigated. The obtained results were compared with the unmodified MgO⁃crosslinked polyethylene composites （PE⁃XL/MgO）. The insulation properties of the nanocomposites were studied by DC breakdown strength， space charge， and DC conductivity. Compared to the non⁃aged PE⁃XL/MgO， the non⁃aged PE⁃XL/MgO⁃NH₂ nanocomposites showed an increase in DC breakdown strength by 20 %， and the heterogeneous space charge accumulation could be negligible. After thermal aging， the breakdown strength of MgO /PE⁃XL and PE⁃XL/MgO⁃NH₂ nanocomposites decreased by 38 % and 20 %， respectively， compared to those before thermal aging. In addition， the PE⁃XL/MgO⁃NH₂ nanocomposites obtained from the surface modification of MgO have a lower DC conductivity than PE⁃XL/MgO. The PE⁃XL/MgO⁃NH₂ nanocomposites exhibited better performance under non⁃aging conditions， and they also showed stronger inhibition to the deterioration caused by thermal aging.

Key words: modified nano magnesium oxide, polyethylene, composite material, electrical performance

中图分类号:

TQ325.1⁺2

陈清江, 董志聪, 李红发, 吴毅江, 高松, 聂文翔, 罗应文. 改性纳米氧化镁交联聚乙烯复合材料的制备及其电气性能研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(2): 20-25.

CHEN Qingjiang, DONG Zhicong, LI Hongfa, WU Yijiang, GAO Song, NIE Wenxiang, LUO Yingwen. Study on preparation and electrical properties of modified nano magnesia⁃crosslinked polyethylene composites[J]. China Plastics, 2024, 38(2): 20-25.

图/表 10

图1 PE⁃XL/MgO和PE⁃XL/MgO⁃NH2纳米复合材料的SEM照片

Fig.1 SEM images of PE⁃XL/MgO and PE⁃XL/MgO⁃NH2 nanocomposites

图2 （a）MgO、MgO⁃NH2以及（b）PE⁃XL/MgO和PE⁃XL/MgO⁃NH2纳米复合材料老化前后的FTIR谱图

Fig.2 FTIR spectra of （a）MgO， MgO⁃NH2，（b）PE⁃XL/MgO and PE⁃XL/MgO⁃NH2 nanocomposites before and after aging

复合材料	热老化前	热老化后
PE⁃XL/MgO	1.26	1.72
PE⁃XL/MgO⁃NH₂	1.01	1.02

表1 PE⁃XL/MgO和PE⁃XL/MgO⁃NH2纳米复合材料老化前后的羰基指数

Tab.1 Carbonyl index of PE⁃XL/MgO and PE⁃XL/MgO⁃NH2 nanocomposites before and after aging

图3 PE⁃XL/MgO和PE⁃XL/MgO⁃NH2纳米复合材料老化前后DSC熔融曲线

Fig.3 DSC melting curves of PE⁃XL/MgO and PE⁃XL/MgO⁃NH2 nanocomposites before and after aging

复合材料	热老化前	热老化后
PE⁃XL/MgO	44.3	31.7
PE⁃XL/MgO⁃NH₂	55.2	50.8

表2 PE⁃XL/MgO和PE⁃XL/MgO⁃NH2纳米复合材料老化前后的结晶度 (%)

Tab.2 Crystallinity of PE⁃XL/MgO and PE⁃XL/MgO⁃NH2 nanocomposites before and after aging

图4 PE⁃XL/MgO和PE⁃XL/MgO⁃NH2纳米复合材料老化前后直流击穿场强度Weibull分布图

Fig.4 Weibull distribution of DC breakdown field strength of PE⁃XL/MgO and PE⁃XL/MgO⁃NH2 nanocomposites before and after aging

样品	形状参数/ kV·mm^-1	直流击穿强度/ kV·mm^-1
热老化前PE⁃XL/MgO	14.821	146.2
热老化后PE⁃XL/MgO	17.253	197.6
热老化前PE⁃XL/MgO⁃NH₂	13.901	101.0
热老化后PE⁃XL/MgO⁃NH₂	15.346	157.4

表3 PE⁃XL/MgO和PE⁃XL/MgO⁃NH2纳米复合材料热老化前后直流击穿强度的威布尔参数

Tab.3 Weibull parameters of DC breakdown strength of PE⁃XL/MgO and PE⁃XL/MgO⁃NH2 nanocomposites before and after thermal aging

图5 在50 kV/mm条件下（a）未老化PE⁃XL/MgO（b）热老化PE⁃XL/MgO（c）未老化PE⁃XL/MgO⁃NH2纳米复合材料（d）热老化PE⁃XL/MgO⁃NH2纳米复合材料内部空间电荷分布

Fig.5 Space charge distribution inside （a） unaged PE⁃XL/MgO，（b） heat⁃aged PE⁃XL/MgO，（c） unaged PE⁃XL/MgO⁃NH2 nanocomposites，（d） heat⁃aged PE⁃XL/MgO⁃NH2 nanocomposites at 50 kV/mm

复合材料	阈值场强/kV·mm^-1		电场畸变/%
复合材料	热老化前	热老化后	热老化前	热老化后
PE⁃XL/MgO	15.3	9.7	26	68
PE⁃XL/MgO⁃NH₂	20.1	18.8	4	8

表4 从空间电荷测试中计算得到的参数

Tab.4 Parameters calculated from space charge measurements

电场/kV·mm^-1	MgO/PE⁃XL热老化前	MgO/PE⁃XL热老化后	PE⁃XL/MgO⁃NH₂热老化前	PE⁃XL/MgO⁃NH₂热老化后
30	3.2×10^-14	1.1×10^-13	2.4×10^-15	1.2×10^-14
50	1.2×10^-13	1.0×10^-12	5.5×10^-15	6.7×10^-14
70	1.7×10^-12	7.1×10^-12	2.2×10^-14	1.0×10^-13

表5 PE⁃XL/MgO和PE⁃XL/MgO⁃NH2纳米复合材料老化前后的直流电导率随外加电场的变化 (S/m)

Tab.5 Effect of applied electric field on the DC conductivity of MgO/PE⁃XL and PE⁃XL/MgO⁃NH2 nanocomposites before and after aging

参考文献 20

1	张哲，魏博，赵帅，等. 坡缕石/硅烷交联聚乙烯复合材料的制备及热降解动力学计算［J］. 西北师范大学学报（自然科学版）， 2013，（5）：49.
	ZHANG Z， WEI B， ZHAO S，et al. Preparation and kinetics of thermal degradation of the composite palygorskite/silane grafted crosslinked polyethylene［J］. Journal of Northwest Normal University（Natural Science）， 2013，（5）：49.
2	闫志雨，韩宝忠，赵洪，等. 炭黑/交联聚乙烯纳米复合材料的空间电荷和电导特性［J］. 高电压技术， 2014， 40（9）：7.
	YAN Z Y， HAN B Z， ZHAO H， et al. Space charge and conductivity properties of carbon black/crosslinked polyethylene nanocomposites ［J］. High Voltage Technology， 2014， 40（9）：7.
3	Mauri Massimiliano， et al. Byproduct⁃free curing of a highly insulating polyethylene copolymer blend： an alternative to peroxide crosslinking［J］. Journal of Materials Chemistry C， 2018， 6（42）：11 292⁃11 302.
4	邵满智，赵洪，李春阳，等. 紫外光交联低压三元乙丙橡胶电缆绝缘材料配方与性能［J］. 复合材料学报， 2022， 39（12）：12.
	SHAO M Z， ZHAO H， LI C Y， et al. Formulation and properties of UV⁃crosslinked low voltage EPDM rubber cable insulation Materials ［J］. Journal of Composite Materials， 2022， 39（12）：12.
5	冷冰冰，朱春卉，石埕荧，等. 含环三磷腈衍生物的辐照交联聚乙烯基复合材料的制备及阻燃性能［J］. 应用化学， 2022， 39（11）：8.
	LENG B B， ZHU C H， SHI C Y， et al. Preparation and flame retardants of Irradiated crosslinked polyethylene composites containing cyclotriphosphonitrile derivatives ［J］. Journal of Applied Chemistry， 2022， 39（11）：8.
6	张广成，何庆龙，刘铁民，等. 硅烷交联聚乙烯/纳米蒙脱土复合材料的研究［J］. 材料工程， 2003， 4（11）：4.
	ZHANG G H， HE Q L， LIU T M， et al. Study on silane crosslinked polyethylene/nano⁃montmorillonite composites ［J］. Journal of Materials Engineering， 2003， 4（11）：4.
7	Davis E T， Pagkalos J， Kopjar B. Using an asymmetric crosslinked polyethylene liner in primary total hip arthroplasty is associated with a lower risk of revision surgery： an analysis of the National Joint Registry［J］. Bone and Joint Journal， 2021， 103 （9）：1 479⁃1 487.
8	黄烜城，王政钧，吕泽鹏，等. 基于Crine模型和逐步升压法的交联聚乙烯及其纳米复合材料老化寿命研究［J］. 绝缘材料， 2021， 54（12）：73⁃79.
	HUANG X C， WANG Z J， LV Z P， et al. Study on aging life of crosslinked polyethylene and its nanocomposites based on Crine model and step⁃up pressure method［J］. Insulation Materials， 2021， 54（12）：73⁃79.
9	Comtesse S， Gast A D， Rehbein P， et al. Wear and migration are not influenced by head size in a vitamin E⁃infused highly crosslinked polyethylene acetabular cup［J］. Revue de Chirurgie Orthopedique Et Traumatologique， 2021（1）：107.
10	倪艳荣，郭永亮，李承斌，等.纳米掺杂交联聚乙烯复合材料的空间电荷特性研究［J］.绝缘材料，2023，56（3）：33⁃40.
	NI Y R， GUO Y L， LI C B， et al. Study on space charge properties of nano⁃doped crosslinked polyethylene composites ［J］. Insulation Materials，2023，56（3）：33⁃40.
11	闫志雨，韩宝忠，赵洪，等.炭黑/交联聚乙烯纳米复合材料的空间电荷和电导特性［J］.高电压技术，2014，40（9）：2 661⁃2 667.
	YAN Z Y， HAN B Z， ZHAO H， et al. Space charge and conductivity properties of carbon black/crosslinked polyethylene nanocomposites ［J］. High Voltage Technology，2014，40（9）： 2 661⁃2 667.
12	孙海珠，佟翠艳，张巍，等. 聚乙烯/聚并苯复合材料室温电阻率变化规律研究［J］. 高等学校化学学报， 2004， 25（6）：3.
	SUN H Z， TONG C Y， ZHANG W， et al. Study on the resistivity variation of polyethylene/polystyrene composites at room temperature ［J］. Chemistry Journal of Chinese Universities， 2004， 25（6）：3.
13	Zhang H， Guo Y， Tian F. Discussion of orientation and performance of crosslinked ultrahigh⁃molecular⁃weight polyethylene used for artificial Joints［J］. ACS Applied Materials & Interfaces， 2022， 12（25）：14.
14	胡盛，周红艳，杨眉，等. 聚乙烯醇⁃魔芋葡甘聚糖/凹凸棒石复合材料的制备与性能［J］. 非金属矿， 2015， 38（1）：3.
	HU S， ZHOU H Y， YANG M， et al. Preparation and properties of polyvinyl alcohol⁃Konjac glucomannan/Attapulgite composites ［J］. Non⁃metallic Mines， 2015， 38（1）：3.
15	高俊国，张豪，李丽丽，等. 交联聚乙烯/蒙脱土纳米复合物空间电荷特性研究［J］. 高分子学报， 2013， 7（1）：8.
	GAO J G， ZHANG H， LI L L， et al. Study on space charge properties of crosslinked polyethylene/montmorillonite nanocomposites ［J］. Acta Polymerica Sinica， 2013， 7（1）：8.
16	伍能成. 强直流电场下交联聚乙烯空间电荷特性及机理研究［D］. 重庆：重庆大学， 2013.
17	李继新，王立岩，李素君，等. 炭黑填充PE⁃HD/EVA/PE⁃LD导电发泡复合材料的阻温特性［J］. 中国塑料， 2010， 23（9）：4
	LI J X， WANG L Y， LI S J， et al. Temperature resistance of PE⁃HD/EVA/PE⁃LD conductive foam composite filled with Carbon black ［J］. China Plastics， 2010， 23（9）：4
18	Chum S P. Effects of vinyl chain⁃ends on the melt viscoelastic properties of radiation crosslinked polyethylene［J］. Journal of Plastic Film & Sheeting， 1992， 8（1）：37⁃47.
19	Kourtidou Dimitra， Symeou Elli， Terzopoulou Zoi， et al. Graphite reinforced silane crosslinked high density polyethylene： The effect of filler loading on the thermal and mechanical properties［J］. Polymer Composites， 2021， 42（3）：35⁃41.
20	Huang M. Mechanical， thermal and morphological properties of water⁃crosslinked wood flour reinforced linear low⁃density polyethylene composites［J］. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2006， 8（1）：12⁃18.

[1]	韩志勇, 马斯景, 路鹏程. 铝合金与复合材料连接表面处理方法的研究进展[J]. 中国塑料, 2024, 38(1): 124-133.
[2]	赵晓波, 王国泰, 梁淑君. 聚硅氧烷包覆改性聚磷酸铵及其阻燃聚乙烯性能的研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(1): 86-91.
[3]	相利学, 唐波, 周刚, 代旭明, 王二轲, 姜涛, 吴新锋. 3D打印技术在高导热复合材料中的应用研究[J]. 中国塑料, 2023, 37(9): 125-132.
[4]	董党锋. 废旧聚乙烯/废旧聚丙烯/废硫渣复合改性剂含量对改性沥青性能的影响[J]. 中国塑料, 2023, 37(8): 101-106.
[5]	李红伟, 章勇锋, 齐武军, 阮刚勇, 阮沥波, 方宇超. 聚乙烯管道及其增强复合管道在实际工程应用中的问题[J]. 中国塑料, 2023, 37(8): 69-78.
[6]	吴海龙肖照华赵森龙李岩扈廷勇. 灰分对PE材料炭黑含量检测的影响[J]. , 2023, 37(7): 98-103.
[7]	李家伟张克宏李文慧郭星雨丁宇. 聚羟基脂肪酸酯/茶粉复合材料的制备与性能研究[J]. , 2023, 37(6): 10-15.
[8]	王怡佳张燕陈婷刘继延刘学清. 聚氨酯/甲基二苯基氧化膦的冷结晶及阻燃性能研究[J]. , 2023, 37(5): 104-109.
[9]	管羽付烨翁云宣. 生物降解聚酯降解性能调控研究进展[J]. , 2023, 37(3): 103-112.
[10]	金清平, 刘运蝶. 纤维增强复合材料约束混凝土柱耐久性研究进展[J]. 中国塑料, 2023, 37(2): 121-128.
[11]	董竞辉, 桑晓明, 陈祯, 尹伟浩, 姜骞, 陈兴刚. 短切碳纤维对聚苯腈/碳纤维复合材料性能的影响[J]. 中国塑料, 2023, 37(2): 31-37.
[12]	周向阳, 林艺冰, 徐梓轩, 龚根香, 肖敏, 尹国强. 选择性透过CO₂气体PVA/淀粉膜制备及性能研究[J]. 中国塑料, 2023, 37(2): 38-44.
[13]	李传敏, 杨建军, 李洋, 王洛唯. PDMS/SiC功能梯度复合材料3D打印主动混合喷头结构设计与工艺参数优化[J]. 中国塑料, 2023, 37(2): 71-76.
[14]	郭文娇, 李娟, 李莹. 纳米复合对聚丙烯高压直流电缆电气性能影响的研究进展[J]. 中国塑料, 2023, 37(12): 135-142.
[15]	许丽丹, 李瑜, 徐海云, 项鲁冰, 程德宝, 王志伟. 聚乙烯混配料管材与非混配料管材的性能对比研究[J]. 中国塑料, 2023, 37(12): 78-83.

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