來源：市場資訊

（來源：聚烯烴人）

前言

交聯聚乙烯（XLPE）是高壓超高壓電纜絕緣層的核心材料，過氧化物交聯是其主流制備工藝。低密度聚乙烯（LDPE）為電纜絕緣基材，熔融指數（MFI）是影響其交聯特性及XLPE性能的關鍵。現有研究證實LDPE熔融指數與XLPE交聯性能密切相關，但以往試樣參數不單一，缺乏熔融指數的單一變量研究證據。為此，本文采用多參數一致、僅熔融指數梯度變化的LDPE基料，系統探究其對交聯過程及材料結構性能的影響，為電纜絕緣材料工藝優化與性能提升提供理論依據。

交聯聚乙烯（XLPE）的制備

通過轉矩流變儀，將LDPE在110 ℃熔融3 min，1 min內添加過氧化二異丙苯（DCP）并混煉3 min，制備出x1~x5基料/交聯劑復配料。分別采用兩種工藝制備XLPE：方案A以無轉子硫化儀在180 ℃、20 min條件下加工4 g復配料，得到X1-A~X5-A；方案B使用平板硫化機，將15 g復配料加入模具中，經200 ℃預熱5 min，在10 MPa下熱壓20 min，制得X1-B~X5-B。

結果與討論

LDPE交聯特性

無轉子硫化儀試驗（圖1）表明，LDPE焦燒時間（t10）隨熔融指數升高單調增加，而硫化時間（t90）與熔融指數無明顯依賴關系。熔融指數升高會降低分子鏈纏結密度、提升熔體流動性，延緩交聯成型，拓寬材料安全加工窗口。隨熔融指數升高，XLPE交聯度由85.8%降至76.9%，平均每條聚合物鏈中交聯點由1.93降至1.40，XLPE形成了穩定的交聯結構。XLPE交聯度隨LDPE熔融指數升高而下降源于分子鏈自由鏈端密度升高、分子纏結減少，降低了有效交聯概率。平板硫化機驗證試驗規律一致，樣品交聯度由83.7%降至72.3%，平均每條聚合物鏈中交聯點由1.76降至1.24，證實LDPE熔融指數越小、分子量越高，XLPE交聯網絡結構越優異。

圖1 (a)無轉子硫化儀扭矩隨時間變化曲線；(b)交聯過程中不同熔融指數LDPE焦燒時間與硫化時間（無轉子硫化儀）；(c) XLPE交聯度及平均每條聚合物鏈中交聯點隨熔融指數曲線（無轉子硫化儀）；(d) XLPE交聯度及平均每條聚合物鏈中交聯點隨熔融指數曲線（平板硫化機）

XLPE結構性能構效關系

選用平板硫化機制備的XLPE樣品（X1-B~X5-B）開展宏觀性能研究。

（1）拉伸力學性能

由表1、圖2可知，基料L1~L5拉伸強度隨熔融指數升高由19.8 MPa降至14.4 MPa，因熔融指數越高、分子量越小、分子鏈纏結越少。L1~L5斷裂伸長率受多重因素影響，變化無明顯規律。交聯后的XLPE（X1-B~X5-B）拉伸強度隨 LDPE 熔融指數提高，交聯度下降，由23.3 MPa降至19.9 MPa，原因：①基體 LDPE 拉伸強度下降；②交聯度降低，三維網絡結構減少，應力承載與傳遞能力減弱。與相應基料相比，XLPE 拉伸強度顯著提升，因交聯形成三維網絡結構；斷裂伸長率整體略有升高，因交聯網絡均勻分散應力、抑制局部頸縮，鏈段運動耗散能量，且交聯后晶體結構細化，易發生塑性形變。

表1 LDPE及XLPE力學性能測試數據(平板硫化機熱壓交聯)

圖2 平板硫化機制備XLPE：(a,b) LDPE和XLPE典型應力?應變曲線；(c) LDPE及XLPE拉伸強度隨LDPE熔融指數的變化；(d) XLPE拉伸強度隨交聯度變化擬合曲線

（2）抗蠕變性能

由圖3可見，XLPE 蠕變及蠕變恢復曲線呈現典型交聯聚合物響應特征。應力施加瞬間（0 min）樣品在恒應力產生瞬時彈性形變，蠕變階段（0~30 min）形變隨時間緩慢增加，應力撤除瞬間（30 min）形變量瞬時降低，蠕變恢復階段（30~60 min），形變隨時間緩慢恢復，最終因化學交聯網絡約束留存殘余應變。隨交聯度增加，XLPE 最大形變由35.0%降至28.9%，永久形變由7.3%降至1.9%，抗蠕變性能提升。原因是化學交聯點增加改變聚合物網絡拓撲結構，限制分子鏈在長期應力下的不可逆運動。

圖3 平板硫化機制備XLPE：(a) X1~X5在120 ℃下的蠕變實驗；(b) XLPE最大形變及永久形變隨交聯度的變化規律

（3）熱性能

由表2、圖4可知，基料 LDPE 熔融溫度（Tm）隨熔融指數升高整體下降，因分子量降低，單位質量聚合物中鏈端缺陷增多、晶片厚度減小。與對應基料相比，XLPE熔融溫度下降約4~5 ℃，結晶度（Xc）下降約4%~7%，因交聯網絡束縛大分子的鏈段運動，阻礙其在結晶過程中進行有序排列與折疊。X1-B~X5-B的熔融溫度隨交聯度減小略有單調降低（降幅約0.9 ℃），因低分子量基料主導的結晶度與晶片厚度減小效應更突出。

表2 LDPE及XLPE熔融結晶性能(平板硫化機熱壓交聯)

圖4 平板硫化機制備XLPE：(a) LDPE及XLPE熔融曲線；(b)不同熔融指數LDPE及相應XLPE熔融溫度變化趨勢

總結

通過系統研究LDPE熔融指數對其交聯特性及XLPE結構與性能的影響，構建了“LDPE熔融指數-XLPE交聯網絡結構參數-XLPE宏觀性能指標”之間的映射關系，為LDPE熔融指數設計、XLPE材料制備工藝優化及超高壓電纜絕緣材料綜合性能提升提供了數據支撐和理論依據。