紫外光引发聚乙烯交联技术研究进展

李厚玉 李长明 孙伟峰

(哈尔滨理工大学电气与电子工程学院 工程电介质及其应用教育部重点实验室黑龙江省电介质工程重点实验室 哈尔滨 150080)

摘要 交联聚乙烯绝缘电缆在高压及超高压领域中具有广泛的应用前景,生产交联聚乙烯绝缘电缆的紫外光引发交联技术因具有生产效率高、可连续生产时间长、辐照设备简单和基建费用低等优点,在高压电力电缆及海底电缆等领域将有望代替过氧化物交联技术而成为新一代超高压交联聚乙烯电缆的基本工艺。该文对交联聚乙烯绝缘电缆紫外光引发交联技术的核心机理和研究进展进行全面综述,探讨紫外光引发聚乙烯交联光化学反应的动力学特性及交联特性,重点分析紫外光交联聚乙烯绝缘介质的电学特性,并展望紫外光交联聚乙烯绝缘介质未来的研究方向,对于研制高电压绝缘材料和开发新聚合物合成技术具有重要意义。

关键词:交联聚乙烯绝缘电缆 紫外光交联反应 光化学动力学 高电压绝缘材料

0 引言

交联聚乙烯(Crosslinked Polyethylene, XLPE)是在聚乙烯基础上发展起来的热固性高分子绝缘材料,自从 Charlesby在核反应堆试验中偶然获得交联聚乙烯以来,其问世至今已有半个多世纪的研究发展历史[1]。在500kV超高压交流电缆领域,XLPE绝缘电缆目前已完全取代了充油电缆[2]。由于超净绝缘材料来源和交联生产工艺环境等因素的限制,对于超高压直流输电,XLPE绝缘电缆还不具备足够的实力与充油电缆及浸渍纸电缆竞争[3-5]。近海岛屿的深入开发以及海上风力发电厂的大规模建设要求XLPE绝缘电缆向高电压等级和大长度方向发展[6]。高电压等级交联聚乙烯绝缘电缆的主要交联技术——过氧化物化学交联,即通过过氧化物引发聚乙烯发生化学交联反应,具有生产能耗高、热传递效率低、反应时间长和产生交联副产物杂质等缺点[7-8]。在实际生产过程中模具死角处易产生焦烧物质,若被挤入到电缆绝缘层,则会形成绝缘缺陷,从而影响电缆的绝缘性能[9]。因此过氧化物化学交联技术因连续生产时间不能过长等原因,难以制造出海缆工程所需单根长度大于 40km的高压 XLPE绝缘电缆[10]。目前国际上最先进的过氧化物交联设备也仅能制造出单根长度不超过 25km的高压XLPE绝缘电缆[11]

根据前期的研究和论证,XLPE的紫外光引发交联技术有望突破高压XLPE的过氧化物交联技术瓶颈,能够生产大长度XLPE高电压等级绝缘电缆。紫外光交联技术制造高压XLPE电缆具有以下优势。①生产速度快且不会产生绝缘缺陷。通过光引发剂吸收特定波长的紫外光引发交联反应,在极短时间内即可发生一系列聚合反应;添加光引发体系的聚乙烯基料在紫外光辐照下才能发生交联反应,所以电缆绝缘挤包成形过程中滞留在模具死角处的材料不会形成交联缺陷。②材料成本低和生产能耗低。采用线性低密度聚乙烯(LLDPE)作为基料,原料成本较过氧化物化学交联所用的低密度聚乙烯(LDPE)低;过氧化物交联所需加热能耗约为外光交联的10倍。③基建投资小。光引发体系(非热敏感材料)的混炼可以与高压电缆用料超净生产的熔体过滤工艺同步完成,避免了过氧化物化学交联需单独引入过氧化二异丙苯(Dicumylperoxide, DCP)交联剂的液相扩散工艺。因此,XLPE的紫外光交联技术将会满足高电压等级大长度海底电缆的需求,并可降低设备投资和XLPE电缆的生产成本。

G.Oster在1956年首次提出通过添加光引发剂的PE基料进行紫外光的辐照会发生交联反应,凝胶含量可达50%左右[12-13]。该发现使国际高分子绝缘材料界在20世纪50年代到60年代初形成了一股紫外光交联热,世界上许多研究组,如乌克兰高分子化合物研究所、联邦德国卡尔分公司及苏联科学院等开始从事光引发剂的选择、光交联反应条件的优化与控制、光交联反应动力学等方面的研究工作[14-16]。但由于紫外光强度低且穿透能力差等原因,导致聚乙烯的光交联反应速度慢,交联厚度小于0.3mm,因此该技术在当时仅限于薄膜样品的生产加工。在随后的近20年间,由于交联厚度的限制,光交联技术在工业应用上一直没有取得突破性进展,相关的研究报道也很少。20世纪80年代末,B.Rånby、陈用烈等对光交联反应速率、辐照时间及凝胶含量进行了大量的实验研究,采用交联剂与光引发剂配合的高效光引发体系并搭建XLPE的紫外光化学交联反应的实验平台,通过高功率的高压汞灯代替低压汞灯改进了紫外光源设备进行熔融态光交联反应[17-19]。这些初期探索成果使 XLPE的光交联技术取得了突破性进展,也为其工业化应用带来曙光。20世纪90年代初,瞿保钧和徐云华等对聚乙烯光交联反应的机理进行了系统研究,不仅检测和鉴定了大分子自由基中间体及交联副产物,还揭示了光交联点的微结构及交联网络的形成机理[20-24]。2000年,中国科学技术大学与焦作铁路电缆厂合作组建了国内外首条低压等级的紫外光交联聚乙烯(UV XLPE)绝缘电缆生产线[25]。黑龙江润特科技有限公司和沃尔德电缆有限公司在此基础上成功地将紫外光交联技术应用于电缆的工业化生产,实现了低电压等级 UV XLPE绝缘电缆的工业化应用,并于 2007年建成了首条中压紫外光辐照交联生产线[26]。此外,哈尔滨理工大学联合哈普电气技术有限公司设计制造了高效紫外光辐照设备,研制出以 LED为紫外光源的辐照交联装置[27]

兼具反应效率高及可连续生产时间长等主要优势的紫外光交联技术已经成为高电压等级XLPE绝缘电缆研究的一个重要领域。随着XLPE的紫外光交联技术的日臻成熟和 UV XLPE绝缘介质介电性能研究的不断深入,UV XLPE的抗水树和老化等电学性能较以往的 XLPE绝缘介质有一定程度的提高。叶磊等对紫外光交联聚乙烯无卤阻燃材料热力学性能的研究表明,紫外光交联聚乙烯醋酸乙烯酯样品的热稳定性和力学强度得到了提高[28]。马宝红等对比了紫外光交联与硅烷交联对聚乙烯绝缘材料性能的影响,研究发现紫外光交联聚乙烯的凝胶含量、热收缩、耐老化及电性能等均优于硅烷交联聚乙烯[29]。徐志前等对紫外光交联聚乙烯甲基乙烯基硅橡胶(MVQ)的力学和热力学性能的研究表明,紫外光交联可提高MVQ和PE的两相相容性及界面粘结力[30]。夏紫阳等研究了紫外光交联聚丙烯/聚乙烯复合材料的力学性能,结果表明光交联改善了复合材料的力学性能和耐老化性能[31]。陈俊岐等研究了紫外光交联聚乙烯的水树老化特性,证明紫外光交联聚乙烯的抗水树能力比过氧化物交联聚乙烯更优异[32]。紫外光交联技术在XLPE绝缘材料的制备及绝缘性能研究中取得了显著进展。

本文对XLPE紫外光引发交联技术的基本科学问题和前沿研究进展进行综述,系统地总结和讨论紫外光交联反应动力学机理、交联特性和力学及电学特性,并对XLPE绝缘材料UV合成技术未来发展方向进行展望。

1 XLPE紫外光引发交联机理

1.1 紫外光交联的光引发体系

紫外光交联光引发体系包括光引发剂和交联剂两部分。光引发剂是指吸收一定波长的紫外光能量产生自由基从而引发单体交联的化合物,分为裂解型光引发剂和夺氢型光引发剂两种。交联剂的作用主要体现在提高光引发剂的量子效率、加快交联反应的速率及改善交联的均匀性三个方面[33]。交联剂通常含有两个或两个以上的不饱和结构,主要是通过形成烯丙基自由基参与光交联反应。常用光引发剂及交联剂的引发效率分别见表1[34]和表2[35],研究发现,裂解型光引发剂中的一些含氯化合物的效率要高于其他裂解型光引发剂,在裂解期间释放出氯原子并从聚乙烯链上夺取氢原子,但是在这一过程中形成的氯化氢对许多物质都是有害的,因而未被广泛应用[34,36]。由于夺氢型光引发剂的三重激发态的量子产率高,因此夺氢型光引发剂中的二苯甲酮(BP)及其衍生物的引发效率高于裂解型光引发剂,并且能高效夺取聚乙烯中的氢原子[36]。由于三聚氰酸三烯丙酯(TAC)和三烯丙基异氰脲酸酯(TAIC)的三氮杂苯环具有更好的热稳定性且具有更深层的穿透性,所以交联剂中以TAC和TAIC的交联效率最高。

表1 光引发剂的引发效率
Tab.1 Initiation efficiency of various photon-initiators

裂解型夺氢型光引发剂 六氯苯(HCB)氯菌酸酐(HET)二苯甲酮(BP)4-氯二苯甲酮(4-CBP)4,4'-二氯二苯甲酮(4,4'-DBP)化学结构式Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl O C Cl O C Cl Cl O C Cl凝胶含量(%)辐照3min 33.0 49.7 46.0 68.3 44.7辐照10min 59.4 77.5 78.6 85.9 69.4

表2 交联剂的引发效率
Tab.2 Initiation efficiency of various cross-linking agents

交联剂 三聚氰酸三烯丙酯(TAC)三烯丙基异氰脲酸酯(TAIC)三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)季戊四醇三烯丙酸酯(PETA)化学结构式 N N N O O O HO OO凝胶含量(%)辐照20s 74.2 73.8 52.4 61.6辐照160s 88.9 89.7 70.5 77.2

随着 XLPE绝缘电缆电压等级的提高,电缆绝缘层的厚度逐渐增加,在高电压等级UV XLPE绝缘电缆的生产过程中需要延长紫外光的辐照时间以保证聚乙烯能充分交联。然而,紫外光交联聚乙烯绝缘电线电缆的工业化生产中目前所用的光引发体系均为小分子物质。由于小分子物质的相对分子质量小,故存在长时间受热易挥发的特点,且挥发的小分子物质附着在光源的外壁并逐渐炭化,不但降低了紫外光波的效率,还会缩短光源的寿命。小分子物质与聚乙烯树脂的共混相容性差,会导致光引发剂、交联剂易迁移到聚乙烯表面并流失,因此光交联聚乙烯料的存放时间不宜过长[37]。由此,发展具有挥发性低且与聚乙烯树脂相容性好的大分子光引发体系,已成为紫外光交联聚乙烯高压电缆制造技术的首要任务。

目前中国科学技术大学首次利用光引发剂4-羟基二苯甲酮月桂酸酯(BPL)以及多官能团交联剂(STAIC)为代表的大分子光引发体系进行聚乙烯交联。聚乙烯样品中光引发剂及交联剂的质量保留率和光引发体系对聚乙烯凝胶含量的影响如图 1所示。BPL和 STAIC的热迁移损失效率及辐照过程中的挥发量得到了显著改善,有效地解决了高电压等级UV XLPE 交联过程中小分子光引发体系受热易挥发的问题;大分子光引发剂及交联剂比小分子光引发体系的交联效率更高[38-40]

图1 聚乙烯样品中光引发剂及交联剂的质量保留率和光引发体系对聚乙烯凝胶含量的影响
Fig.1 Mass retention quantities of photon-initiators and crosslinking agents in polyethylene samples and effects of different photon-initiation systems on gel content in polyethylene

1.2 聚乙烯紫外光交联反应机理

图2 紫外光引发聚乙烯交联反应机理示意图
Fig.2 Schematic mechanism of UV-initiated polyethylene cross-linking reaction

聚乙烯紫外光交联反应包括分子链的引发和增长过程,紫外光引发聚乙烯交联反应机理示意图如图2所示。在链引发阶段,光引发剂吸收紫外光后,跃迁至单重激发态,然后经系间穿越成为三重激发态并夺取聚乙烯和交联剂中的氢原子,形成相应的烷基自由基P·和T·。在链增长阶段,具有链自由基的P·和T·分子分别与交联剂分子结合,在链终止阶段形成了更长的链自由基。具有链自由基的聚乙烯分子经过双基偶合与双基歧化终止等反应使聚乙烯大分子链相互结合而形成各种交联结构[19,34,41]。瞿保钧等采用溶液高分辨核磁共振和荧光光谱等方法研究了由BP引发的XLPE交联点的结构、交联副产物及其形成机理[42],确定了二苯甲酮的光解产物为苯频哪醇,少量苯频哪醇自由基也有可能与大分子自由基偶合终止,形成另一种交联副产物α,α´-二苯基烷醇。

由于使用过氧化物的传统化学交联方法会在电缆制造管道中产生甲烷等气体而劣化电气绝缘性能,而紫外光交联反应过程中没有气体产生,所以采用紫外光辐照交联生产的高压电缆绝缘层的性能会有一定程度的改善。

2 光反应动力学及交联特性

2.1 聚乙烯紫外光交联特性

光交联聚乙烯凝胶含量随辐照温度、辐照强度、光引发剂及交联剂浓度变化的动力学曲线如图3所示[43]。在聚乙烯熔点附近(140°C),凝胶含量由70%激增到90%;进一步加热到熔点以上,温度对凝胶含量几乎没有影响,如图3a所示。这一动力学曲线体现了聚乙烯交联过程中分子链的流动性的影响。因此,辐照时的加热温度对厚聚乙烯薄膜的光交联过程起着至关重要的作用,聚乙烯光交联反应需要在熔融状态下进行。在初始阶段选择30%作为凝胶含量,1kW灯大约需要辐照76s才能达到,2kW灯只需要辐照20s,如图3b所示。2kW灯的光引发效率是1kW灯的近4倍,即当辐射强度较弱时交联反应速率与辐射强度的二次方成正比,所以提高紫外光源的输出功率能够显著加速交联反应。此外,光引发剂含量达到一个最佳质量百分数1%时,凝胶含量趋近最大值,当光引发剂浓度继续增加,凝胶含量反而下降,如图3c所示。这种现象起因于4-CBP三重激发态与基态以及三重态之间的猝灭[44-46]

图3 辐照温度、辐射强度和光引发剂及交联剂浓度对聚乙烯凝胶含量的影响
Fig.3 PE gel contents varying with irradiation temperature, irradiation intensity and concentrations of photon-initiator and crosslinking agent

2.2 光交联反应动力学特性

光交联反应又称光化作用,是指聚合物在可见光或紫外线的照射下吸收光能而发生的化学反应,图4a给出了凝胶含量随辐照时间的动力学曲线。在反应初期,与没有添加交联剂的聚乙烯基体相比,加入了交联剂的聚乙烯基体受紫外光辐照后凝胶含量急剧上升,在20s时其凝胶含量即可达到80%左右;在最初的15s内光交联反应速率很快,随着辐照时间的延长光交联反应速率逐步降低,进一步延长辐照时间,凝胶含量几乎不变。LLDPE的初始反应速率高于LDPE,即LLDPE的紫外光接枝率高于LDPE紫外光接枝率。由于LLDPE长链结构更容易被光引发剂攻击而产生游离基,并且 LLDPE电绝缘性能和机械物理性能要优于 LDPE,所以采用LLDPE制造的10kV紫外光交联聚乙烯绝缘电缆性能优越[47-48]

当交联剂不存在时,聚合物只能通过大分子自由基之间的偶合终止反应形成交联点。加入交联剂后,交联剂参与了聚合物大分子链间交联点的形成,增加了交联点形成的概率,从而提高了聚烯烃的光交联效率。光交联反应的初期,与没有添加交联剂的聚乙烯基体相比,加入了交联剂的聚乙烯基体受紫外光辐照后凝胶含量急剧上升。交联密度是指交联聚合物中交联键的多少,一般用网链分子量的大小来表示。交联密度越大,单位体积内交联键越多,凝胶含量越大。聚乙烯的交联密度随着辐照时间增加而增加,如图4b所示。根据交联反应机理及动力学特性推出光交联反应动力学方程式[17]

式中,vt分别为交联密度和辐照时间。该理论方程与动力学曲线的实验结果非常吻合,如图 4b所示。

图4 聚乙烯的光交联反应动力学曲线
Fig.4 Reaction kinetics curves of polyethylene crosslinking

紫外光交联聚乙烯(XLPE-BP)的片晶尺寸大且结晶能力强,结晶度及无定形相的连接分子链密度相比过氧化物交联聚乙烯(XLPE-DCP)有一定程度提高,因而紫外光交联聚乙烯材料结构均匀,力学性能优良,XLPE热延伸率随凝胶含量的变化见表 3。综上,近年来对紫外光交联聚乙烯理化性能的研究虽然已经较为全面,但对紫外光交联聚乙烯绝缘材料的电学性能的研究还处于实验研究阶段,对其改善机理的研究目前少有报道。迄今为止还没有开发出适合 LLDPE制造高压电缆的交联方法,在世界范围内缺少对 LLDPE的电绝缘性能、制造高压电缆工艺以及适用于高压电缆的机械物理性能等方面的系统研究。

表3 XLPE热延伸率随凝胶含量的变化
Tab.3 Thermal elongation of XLPE vs. gel content

热延伸率(%)凝胶含量(%)XLPE-BP XLPE-DCP 70 130 175 80 50 75 85 40 60 90 35 50

3 UV XLPE电学性能及改善机理

3.1 UV XLPE的电学性能

交联聚乙烯的抗水树性能见表4。BP和TAIC光引发交联体系制备交联聚乙烯的水树老化实验表明XLPE-BP比XLPE-DCP的抗水树能力更优异。绝缘材料的抗水树能力与交联聚乙烯无定形相的连接分子链密度和韧性有关,无定形相的韧性随着分子链密度的增加而变强,在一定程度上减缓了水分子在材料中的破坏速度,从而导致 XLPE-BP水树枝尺寸减小[32,49]。Sun Kun等研究了紫外光交联聚乙烯的抗水树性能,并揭示了紫外光辐射交联抑制水树生长的机理,发现光交联聚乙烯的水树长度和宽度随着交联度的提高逐渐减小,非晶相的分子活性逐渐增强[50]。光交联反应延缓水树生长应归因于在紫外光辐照下,非晶相区域内的交联键被激活从而产生大量的相互连接的分子链,非晶相分子链密度的增加限制了微水珠的活动能力,从而阻碍水树生长。

表4 交联聚乙烯的抗水树性能
Tab.4 Water tree-aging characteristics of XLPE

凝胶含量(%) 水树枝长度/μm LLDPE — 323.4 XLPE-BP1% 90 167.2 XLPE-BP3% 93 111.5 XLPE-DCP 85 208.3

XLPE-BP的交流击穿电场强度、断裂伸长率、拉伸强度等性能均随热老化温度的升高而增长,电导率在热老化初期出现降低现象,随老化时间增加又逐步增大,而介电常数和介质损耗因数均随热老化时间连续增大[51]。特别是电老化以后 XLPE-BP的击穿场强降低趋势较 LLDPE缓慢,耐电老化性能较 LLDPE有所提高,证明紫外光交联能够使聚乙烯活性大分子通过 C-C键形成更稳定的三维网状结构,而C-C键的强度较高,所以耐电老化性能突出。LLDPE和UV XLPE的热老化和电老化模型公式为[51]

式中,τ为老化寿命;T为老化温度;E为击穿场强。在相同电场作用下XLPE-BP的使用寿命比LLDPE的长,与电导电流实验测试结果一致。

光交联聚乙烯的空间电荷特性的实验表明,紫外光交联能够改变分子结构并有效降低材料结晶度和提高载流子迁移率,并且交联副产物导致载流子浓度增加,从而导致交联材料中出现大量异极性空间电荷[52]。XLPE-BP比 XLPE-BPL的空间电荷积累更加明显。由于小分子光引发体系产生的交联副产物等杂质的分子量小,在电场作用下迁移率高,故空间电荷增多;而大分子光引发体系产生的交联副产物等杂质的分子量大,因此在电场作用下迁移率较低,积累空间电荷相对减少。

在紫外光引发聚乙烯交联工艺中带有极性集团的辅助交联剂三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯(TMPTMA)可以改善紫外光交联聚乙烯的直流介电性能[53]。交联聚乙烯分子的 TMPTMA能够在聚乙烯电子带隙中引入深能级电子束缚态,成为均匀致密分布的电荷载流子深陷阱。在直流电场下由电极注入的载流子被这些深陷阱俘获而在电极附近的聚乙烯材料表面形成有效的静电屏蔽层,阻碍电荷进一步注入,从而显著抑制XLPE材料内部的空间电荷积聚。

3.2 光引发体系对XLPE电学性能的改善机理

采用不同的光引发剂和交联剂可以改善紫外光交联聚乙烯的电性能。由大分子光引发体系制备的交联聚乙烯(XLPE-BPL)的介电谱、电导以及交流击穿实验研究结果表明:与LLDPE和XLPEBP相比,XLPE-BPL的介电常数略有增加,且体电导率有所减小,而介电损耗与XLPE-BP非常接近,明显高于 LLDPE,如图 5所示;交流击穿场强较LLDPE和XLPE-BP有一定程度的提高,见表5[43,54]。LLDPE和 XLPE-BPL的击穿场强分别在 90℃和80~90°C时出现极值,造成这种现象的原因可能是材料发生软化变形、结晶融化及材料本身特性。XLPE-BPL在高温下依然能够保持良好的耐电强度,在100°C温度下击穿场强约为105 kV/mm,如图6所示[54]

图5 不同引发体系制备XLPE的电学性能
Fig.5 Electrical properties of XLPE prepared by using different photon-initiation systems

表5 体积电阻率和交流击穿场强
Tab.5 Volume resistivity and AC breakdown strength

不同体系 ρ0/(1015Ω·m) E0/(kV/mm)LLDPE 0.5 129.8 XLPE-BP 0.679 91.45 XLPE-BPL 0.697 132.5

图6 XLPE-BPL和LLDPE的变温击穿特性
Fig.6 Electrical breakdown strength of XLPE-BPL and LLDPE at variable temperatures

赵新东和付一峰等采用紫外光辐照交联技术制备了氯乙酸烯丙基酯(CAEE)接枝交联聚乙烯(XLPE-g-CAEE),并对其电学性能进行了系统的研究[55-56]。通过紫外光接枝技术使XLPE的绝缘性能得到了明显提高,如空间电荷积聚受到抑制,直流传导的电流密度降低和临界电场强度升高、介电击穿电场强度增大。XLPE-g-CAAE介电性能的改善是由于接枝 CAAE的极性基团产生的深陷阱的捕获机制,可以显著地阻碍电荷载流子的输运,通过深陷阱俘获载流子而形成静电屏蔽层来抑制空间电荷注入。Li Zhongyuan等将紫外光引发交联技术应用到三元乙丙橡胶(EPDM)材料的交联工艺中,制备了具有足够交联度和优异热延伸性能的交联EPDM绝缘材料[57]。辅助交联剂改性的交联EPDM的电导率有所提高,同时保持了足够高的介电击穿场强,可以有效地应用于电缆终端附件。聚乙烯的紫外引发交联技术的应用已日渐成熟。通过使用具有特定功能基团的光引发交联体系,不但可有效地改善光交联聚乙烯绝缘材料高温空间电荷特性,还能提高抗水树能力和调节电导率,显著改善光交联聚乙烯的绝缘击穿和介电性能。

4 紫外光交联技术展望

紫外光辐照技术虽已在生产低压交联电缆中取得了实际应用,然而将该技术用于生产高压交联电缆是一个全新的领域。随XLPE电缆绝缘厚度和电压等级的提高产生了如何提高光交联电缆材料配方体系引发效率、加强光交联反应的深度与交联密度、加快交联反应速率、避免光交联过程中引发体系的挥发以及小分子碎片在电缆绝缘中产生相分离等一系列难题[58-59]。紫外光交联技术是利用光化学反应制造交联聚乙烯绝缘高压电力电缆的关键技术[60-63],有望获得高电压等级、大长度的海底电缆。高电压等级UV XLPE未来的主要研究方向如下:

1)光引发交联体系大分子化。研制新型大分子复合光引发剂体系以及多官能团大分子光交联剂体系,实现电缆材料快速深度交联,减少和避免光照过程以及产品中气体的挥发及小分子或碎片的迁移。

2)紫外光源高效化。设计具有足够高功率密度的紫外源辐射系统。微波汞灯和紫外光LED灯均是近几年发展起来的新型紫外辐照光源,由于紫外光LED灯产生了许多生态效益和经济效益,所以可考虑采用多个不同发射光谱的紫外光 LED灯代替汞灯作为光源[64-66]

3)交联技术工业化。需设计有紫外辐射透入窗口并具有氮气环境的压力腔体,以满足高压电缆绝缘层的质量要求[67]。设计能够实现内、外屏蔽层与绝缘层在一个工艺过程中完成交联反应的工艺,解决挤出工艺和工装以及交联所需能量馈入等诸多技术难题[68-70]

紫外光交联聚乙烯新技术目前仍处在发展和完善的过程中,其工业应用才刚刚起步。因此,应用领域尚须拓宽,基础研究还须进一步加强,特别是在完善光交联工艺技术等方面,还有许多的研究工作要做。XLPE绝缘电缆的热应力、水树枝、电树枝、电化学树枝、空间电荷残余及引起的击穿等问题以及电缆使用寿命评估方法都是目前正在研究的重要课题,这将进一步推进XLPE绝缘材料的研制及其在高电压绝缘电缆领域的工业化应用。

5 结论

紫外光辐照交联新技术是一项由我国自主开发、具有自主知识产权和处于国际领先水平的技术创新成果。紫外光辐照交联聚乙烯电缆为我国电缆行业老产品的升级换代提供了一种有效的技术路线,应用前景十分广阔。对于各种高压交联聚乙烯绝缘线缆产品的制造,紫外光交联技术具有不可取代的优势。迄今为止紫外光辐照技术仍在不断改进,在高压线缆产品制造方面极具发展潜力。

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Research Progress in the UV-Initiated Polyethylene Cross-Linking Technology

Li Houyu Li Changming Sun Weifeng
(School of Electrical and Electronic Engineering Harbin University of Science and Technology Key Laboratory of Engineering Dielectrics and Its Application Ministry of Education Heilongjiang Provincial Key Laboratory of Dielectric Engineering Harbin 150080 China)

Abstract Crosslinked polyethylene (XLPE) insulated cable prospects in a wide range of applications for high voltage and ultra-high voltage. The UV-initiated cross-linking technology is expected to substitute peroxide cross-linking technology and become the fundamental process of a new generation ultra-high voltage XLPE cable in the fields of high voltage power cable and submarine cable due to its simple irradiation equipment, low capital construction cost, high production efficiency and long continuous production time. In the present paper, the essential mechanism and the latest research progress of UV initiated cross-linking technology for XLPE insulating cable fabrication are systematically reviewed, investigating the kinetic and cross-linking processes in the UV-initiated photochemical reaction of polyethylene, and especially analyzing the electrical properties of UV-crosslinked polyethylene insulating materials. The analysis of UV-initiated cross-linking schemes and the prospective of UV XLPE insulation medium are also represented in high of interest, making it important significance for the development of high voltage insulation materials and new polymer synthesis technology.

Keywords:Crosslinked polyethylene insulated cable, UV-initiated crosslinking reaction, photonchemical kinetics, high voltage insulating material

中图分类号:TM215.1;O643.12

DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.190674

国家高技术研究发展计划项目资助(2013AA030702)。

收稿日期 2019-06-04 改稿日期 2019-12-29

作者简介

李厚玉 男,1994年生,硕士研究生,研究方向为聚合物电介质力学及电性能。E-mail:houyu_li@126.com

孙伟峰 男,1977年生,副教授,硕士生导师,研究方向为电介质工程新技术及其应用,纳米电介质及聚合物电性能改善机理。E-mail:sunweifeng@hrbust.edu.cn(通信作者)

编辑 郭丽军)