超高压直流电用新型聚烯烃/纳米绝缘材料的制备、结构及性能关系研究

Our country existing resin insulation can not meet the requirements of ultra high voltage direct current transmission technology. New type polyolefin/nano insulation can meet the major strategic needs of the country in the field of ultra high voltage direct current transmission technology. Polyethylene-polystyrene with high electrical insulating will be prepared with macromolecule initiator of polyethylene and styrene monomer as main starting materials by using suspension grafting technology route. Polystyrene will be grafted on nano-SiO2 or nano-MgO by ultrasonic vibration. Functionalized polyethylene will be prepared by reactive extrusion. New type polyolefin/nano insulation used in ultra high voltage direct current will be prepared by blending using polyethylene-polystyrene, polystyrene-g-(nano-SiO2) or polystyrene-g-(nano-MgO) and the functionalized polyethylene. The effect of component of suspension grafting solution, swelling time, reaction time, reaction temperature and stir speed on the grafting degree and grafting reaction dynamics will be investigated. Chemical structure, thermal property, mechanical properties, rheological property and electrical insulating property of new type polyolefin/nano insulation will be determined and studied. The interface effect, space-charge effect and field effect of new type polyolefin/nano insulation will be investigated under ultra high voltage direct current. Morphology, structure and properties of new type polyolefin/nano insulation will be investigated. The relationship among preparation, structure and properties of new type polyolefin/nano insulation will be obtained. This work will provide the theoretical basis for the application of polyolefin/nano insulation used in ultra high voltage direct current.

我国现有树脂绝缘材料难以满足超高压直流输电技术要求，超高压直流电用新型聚烯烃/纳米绝缘材料满足大容量、远距离、高效率超高压直流输电技术方面的国家重大战略需求。本项目主要研究内容包括：悬浮接枝制备聚乙烯-聚苯乙烯；超声振动聚苯乙烯接枝纳米粒子（二氧化硅，氧化镁）；功能化聚乙烯的挤出制备；三者共混制备超高压直流用新型聚烯烃/纳米绝缘材料。研究的侧重点为：悬浮接枝对接枝率的影响；研究新型聚烯烃/纳米绝缘材料的结构、热性能、流变性能、力学性能、电绝缘性能、老化性能等；超高压直流电下新型聚烯烃/纳米绝缘材料的界面效应、空间电荷效应和场强效应；研究新型聚烯烃/纳米绝缘材料的制备、结构及性能（力学、电学、热学等）间的关系等，探索制备超高压直流电绝缘材料的方法及手段。该项研究将为超高压直流电用新型聚烯烃/纳米绝缘材料的应用提供理论基础，对于发展高分子材料制备科学、研发有重要应用价值的新材料具有重要意义。

抑制高压直流电绝缘材料空间电荷积累和提高击穿场强对于保证电缆绝缘性具有重要的意义。本项目完成了聚乙烯的预辐照及预辐照聚乙烯与苯乙烯的悬浮接枝反应，研究了影响接枝率的因素，制备了LDPE-g-PS和LLDPE-g-PS。其中LLDPE-g-PS在3072 cm-1，3029 cm-1，1609 cm-1，1500 cm-1和779 cm-1处出现了五个显著的特征峰，证明PS已接枝到LLDPE上。采用NMR、DSC、XPS、SEM、流变仪、材料试验机等对聚乙烯悬浮接枝聚苯乙烯的分子结构、聚集态结构、形态、老化性能、热性能、流变行为及加工性能等进行了系统研究和表征。制备了LLDPE-g-APP、LLDPE-g-AA功能化聚乙烯；制备了聚苯乙烯接枝纳米二氧化硅和聚苯乙烯接枝纳米二氧化镁；从PS@nano-SiO2的红外光谱图可以看出，在3030 cm-1 ，2920 cm-1，1495 cm-1和1450 cm-1位置处出现了明显的特征吸收峰。得到MgO-g-PS的最佳条件：St单体浓度0.12 mol/L、MgO:St=1/1.8（wt/wt）、反应温度为85 ℃。颗粒间的团聚现象得到明显的改善，TEM测试表明，平均粒径在70-80 nm。用聚乙烯醇缩苯甲醛包覆改性h-BN的方法，得到了高导热的改性填料。制备了LLDPE/LLDPE-g-PS/MgO-g-PS，LLDPE/LLDPE-g-PS/Al2O3-KH570 和 LLDPE/LLDPE-g-PS/MgO-KH550，PE/PES/PEA-0.2，PE/PES/PEA/SiO2等一系列绝缘材料，研究了接枝单体、纳米粒子及不同添加量对材料电性能的影响。在PE/PES/PEA-0.2/SiO2内部，几乎没有空间电荷积累，且电极处的空间电荷注入被明显抑制，这些结果表明，PES和PEA以及SiO2协同作用，可以有效抑制空间电荷在聚合物内部的积累，达到最佳的抑制空间电荷积累的效果。在PE/PES/PEA-0.2/SiO2中，SiO2纳米粒子均匀分散，呈现纳米级的分散，粒径在10 nm左右；掌握了绝缘材料制备-结构-性能间的关系，揭示了其耐电压机理及空间电荷抑制机理，研制的PE/PES/p-SiO2绝缘材料击穿场强可达441.4 kV/mm，是同等条件下纯聚乙烯的1.6倍，该技术为高压直流绝缘材料的制备提供了新的途径。