聚丙烯接枝4-乙酰氧基苯乙烯和苯乙烯制备与性能研究

来源 :哈尔滨理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hz_gyf
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高压直流输电具有远距离、低损耗以及大容量输电等优点,在国内外受到了广泛的重视。目前,应用最为广泛的高压电缆的绝缘料是交联聚乙烯(XLPE),但由于XLPE材料存在诸多缺点,如:内部空间电荷积聚、加工工艺复杂和不可回收再利用等,很难满足直流电缆绝缘要求。因此,开发新型直流电缆绝缘料具有重大意义。聚丙烯(PP)无需交联就具有优异的性能,可回收重复利用,有效提高直流电缆的工作温度、简化加工工艺,所以,在高压直流电缆方面具有很好的潜在应用前景。但是,以PP为基体的绝缘材料在直流电场作用下会产生大量的空间电荷积聚,使得电场发生畸变,导致电场分布不均,会产生局部区域放电以及绝缘层击穿问题,降低了电缆的使用寿命,因此,改性PP以抑制空间电荷的积聚尤为重要。基于此,本文采用PP分别接枝苯乙烯(St)和4-乙酰氧基苯乙烯(AOS),以抑制PP内部空间电荷积累,并分别研究了聚丙烯接枝苯乙烯(PP-g-St)和聚丙烯接枝4-乙酰氧基苯乙烯(PP-g-AOS)两种接枝材料的制备和性能。首先,本文采用熔融接枝法在PP分子链上接枝了St单体,成功制备了PP-g-St。利用红外光谱表征和外标曲线法对PP-g-St的制备进行了研究。结果表明:PP-g-St的最佳工艺参数为温度200℃、转速70 r/min、时间7min,物料的配比为PP:St:DCP=50:8:1.4(质量比)。通过空间电荷、击穿场强、体积电阻率、介电常数以及力学性能的测试,研究了接枝率对PP-g-St抑制空间电荷的特性、介电和力学性能的影响。结果表明:St基团的引入使得PP的内部空间电荷得到了改善,在接枝率为4.4%时,内部电荷密度最大值为0.896 C/m3,与纯PP相比,降低了79.6%;击穿场强得到了提高,当接枝率为4.4%时,特征击穿值高达392.9 k V·mm-1,是纯PP的特征击穿值的1.6倍;体积电阻率也得到了提高,当接枝率为4.4%时,其体积电阻率高达3.6×1015Ω·m,比纯PP的体积电阻率提高了2.0倍;接枝率对PP-g-St的拉伸强度影响呈先增大后减小趋势,而断裂伸长率呈减小趋势。并进一步通过TG和DSC测试手段研究了St的接枝率对PP-g-St热性能的影响。结果表明:PP-g-St比PP热稳定性要好,当接枝率为5.7%时,在401.17℃时开始分解,比纯PP提高97.5℃,热稳定性最好。随着接枝率的增加,结晶温度(Tc)向高温方向移动,熔融温度(Tm)向低温方向移动,结晶度(Xc)呈下降趋势,在接枝率为6.9%时,Tc比PP提高了8.8℃,Tm比PP降低了14.8℃,Xc为38.5%,比PP降低了14.7%。然后,本文又将AOS单体接枝到PP上以改善PP内部的空间电荷积聚问题以及进一步提高其介电性能。采用熔融接枝法在PP分子链上接枝了AOS单体,成功制备了PP-g-AOS。采用红外光谱表征和外标曲线法对PP-g-AOS的制备行了研究。结果表明:PP-g-AOS的最佳工艺参数为温度190℃、转速80 r/min、时间8 min,物料的配比为PP:AOS:DCP=50:1.4:0.08(质量比);通过空间电荷、击穿场强、体积电阻率、介电常数以及力学性能测试分析,研究了AOS单体的接枝率对PP-g-AOS抑制空间电荷的特性、介电和力学性能的影响。结果表明:AOS基团的引入使得PP的内部空间电荷得到了有效改善,击穿场强与可靠性也得到了有效提高,体积电阻率也得到了提高,拉伸强度影响呈减小趋势,断裂伸长率呈增大趋势。并进一步通过TG和DSC测试手段研究了AOS的接枝率对PP-g-AOS热性能的影响。结果表明:当接枝率为1.14%时,PP-g-AOS在381.45℃时开始分解,比纯PP提高77.78℃,热稳定性最好。随着接枝率的增加,PP-g-AOS的Tc向高温方向移动,Tm向低温方向移动,Xc呈下降趋势。进一步研究表明:PP-g-AOS比PP-g-St的内部空间电荷得到了更为有效的抑制,内部电荷密度减小了91.5%;PP-g-AOS的最高特征击穿值是PP-g-St的1.24;最大体积电阻率是PP-g-St的1.42倍;最大分解温度比PP-g-St低19.72℃;Tc比PP-g-St高9℃,Tm大4.2℃,Xc大3.4%。
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