复合暖通交联聚乙烯复合材料的制备及性能分析

Preparation and Performance Analysis of Composite HVAC Crosslinked Polyethylene Composites

摘要

为提高交联聚乙烯（PEX）的力学性能和热稳定性，以聚乙烯为基体，以硅烷偶联剂（乙烯基三甲氧基硅烷）改性后的蒙脱土为填料，复配制备改性蒙脱土/PEX复合材料，研究不同改性蒙脱土掺量对PEX复合材料力学及热性能的影响。结果表明：掺入质量分数1.0%的改性蒙脱土有效提升了PEX复合材料的拉伸强度、弯曲强度及简支梁冲击强度，提升了PEX复合材料的热稳定性。在此掺量条件下，PEX复合材料的拉伸强度、弯曲强度及简支梁冲击强度分别为16.21 MPa、21.96 MPa和10.31 kJ/m²，电场击穿强度达到最高，为32.21 kV/mm，维卡软化温度为120.91 ℃。因此，适量掺入改性蒙脱土能够有效改善PEX复合材料的力学性能和热稳定性。

关键词

交联聚乙烯 / 蒙脱土 / 偶联剂

Key words

Crosslinked polyethylene / Montmorillonite / Coupling agent

交联聚乙烯材料(PEX)具有较好的力学性能和绝缘性能，广泛应用于电力电缆领域^[1-2]。但是，PEX材料在直流电场作用下存在空间电荷积聚的问题，会导致加速退化，从而减少PEX材料的使用寿命^[3]。通过共混或者共聚等方法制备改性的PEX复合材料可在电力电缆应用中表现出较好的性能^[4-6]。

蒙脱土是一种天然层状硅酸盐物质，具有高长径比。研究表明，蒙脱土可以改善聚合物的热稳定性、力学性能^[7-9]。此外，蒙脱土具有储量较大、资源丰富、价格低廉、绿色环保等诸多优势^[10-11]。同时，蒙脱土片层结构将阻止热和氧向聚合物内部扩散^[12]，因此其在改善聚合物耐老化性能方面发挥重要作用^[13]。高嫄等^[14]制备蒙脱土/PEX复合材料，发现加入蒙脱土之后，复合材料的老化断链较少，表现出较优的耐热氧老化性能。董芸滋等^[15]制备有机化蒙脱土/PEX复合材料，发现有机化蒙脱土的加入可以增强分子链的韧性，且蒙脱土的屏障效应与完善的交联网络共同作用阻碍了水分子的扩散和聚集，提高了复合材料的耐水能力^[16]。但是，天然蒙脱土层间含有大量的水分子和极性基团，容易与水分子形成氢键，使其亲水性增强，使蒙脱土在水中有良好的分散性。然而，这种亲水性使它在疏水性的聚合物基质中不容易分散^[17-19]。因此，本实验通过硅烷偶联剂改性蒙脱土，增强其与PEX机体的相容性，并对改性蒙脱土/PEX复合材料热氧老化前后的力学性能和热稳定性进行研究。

1 实验部分

1.1 主要原料

聚乙烯(PE)，LD200，中国石油化工股份有限公司；蒙脱土矿粉，工业级，德航矿产品有限公司；乙烯基三甲氧基硅烷，质量分数99%，阿法埃莎(中国)化学有限公司；乙醇，分析纯，上海麦克林生化科技股份有限公司。

1.2 仪器与设备

开放式混炼机，XK-400，青岛锦九州橡胶机械有限公司；平板硫化机，XLB-D63T，湖州双力自动化科技装备有限公司；万能试验机，AGS-10KN，日本岛津公司；悬臂梁冲击试验机，XJU6.5，金建检测仪器有限公司；击穿强度测定仪，SU22，中航时代有限公司；介电强度测试仪，AHDZ⁃10/100，中山市嘉仕电子科技有限公司；维卡软化温度测试仪，RBWK-400A，北京北广精仪仪器设备有限公司。

1.3 样品制备

1.3.1 蒙脱土改性

去离子水、无水乙醇及硅烷偶联剂以5∶14∶1的质量比进行混合，制备80 g的混合溶液，2 h后加入100 g蒙脱土，搅拌15 min，静置90 min，放入100 ℃烘箱1 h，烘干水分，得到改性蒙脱土。

1.3.2 PEX复合材料的制备

将干燥后的改性蒙脱土以质量分数为0、0.5%、1.0%、1.5%及2.0%的比例与50 g PE在开放式混炼机中混炼(100 ℃，20 min)，取出坯料，放入聚酯膜模具中压紧，放入110 ℃平板硫化机中，每隔10 min升压5 MPa，直至满压(20 MPa)，将平板硫化机升温至175 ℃，在满压条件下保持30 min，使复合材料充分交联。交联完成后，取出材料并在室温下自然冷却。

1.4 性能测试与表征

力学性能测试：拉伸强度按GB/T 1040.1—2018进行测试，试样尺寸为150 mm×50 mm×10 mm，拉伸速率为100 mm/min；弯曲强度按GB/T 9341—2008进行测试，试样尺寸为80 mm×10 mm×4 mm，弯曲速率为2 mm/min；简支梁冲击强度按GB/T 1043.1—2008进行测试，试样的尺寸为80 mm×10 mm×4 mm，冲击能量为5 J。

直流电场击穿强度测试：采用球板电极装置在常温下测定复合材料的直流击穿强度，将厚度为100 μm的样品浸没在变压器油中以避免表面闪燃。

介电常数测试：按GB/T 5594.4—2015进行测试。

维卡软化温度测试：按GB/T 1633—2000进行测试，初始温度20~23 ℃，升温速率50 ℃/h。

2 结果与讨论

2.1 力学性能分析

图1为不同改性蒙脱土掺入质量分数对改性蒙脱土/PEX复合材料力学性能的影响。

从图1可以看出，随着偶联剂改性蒙脱土掺入质量分数的增加，改性蒙脱土/PEX复合材料的拉伸强度、弯曲强度及简支梁冲击强度均呈现先增加后稳定变化或者波动变化的趋势。其中，当改性蒙脱土掺入质量分数超过1.0%时，改性蒙脱土/PEX复合材料的拉伸强度和简支梁冲击强度均小幅降低，弯曲强度呈现波动趋势。在改性蒙脱土掺入质量分数为1.0%时，改性蒙脱土/PEX复合材料的拉伸强度、弯曲强度及简支梁冲击强度分别为16.21 MPa、21.96 MPa和10.31 kJ/m²。这主要是由于偶联剂改性蒙脱土掺入PEX基质中后，在基质中产生插层结构，增强了两相界面，增加了分子链的定向排列，从而有效改善改性蒙脱土/PEX复合材料的力学性能^[20]。

2.2 直流电场击穿强度分析

图2为不同改性蒙脱土掺入质量分数对改性蒙脱土/PEX复合材料电场击穿强度的影响。

从图2可以看出，随着改性蒙脱土掺入质量分数的增加，改性蒙脱土/PEX复合材料的击穿强度呈现先上升后小幅度降低的趋势。其中，当改性蒙脱土掺入质量分数为1.0%时，改性蒙脱土/PEX复合材料的电场击穿强度达到最高，为32.21 kV/mm。由此可以看出，适量添加改性蒙脱土制备的改性蒙脱土/PEX复合材料具有较高的直流电场击穿强度。硅烷偶联剂改性蒙脱土能够通过增强界面结合、改善填料分散性、优化微观结构、增加机械强度、减少杂质和缺陷以及降低水分吸附等多种机制^[21]来提高改性蒙脱土/PEX复合材料的电场击穿强度，从而使材料的应用性能和可靠性得到提高，在电场中的表现更加优异。

2.3 介电常数分析

PEX复合材料在电气绝缘和电力传输领域的应用需要较低的介电常数^[22]，因此需要减少材料的介电损耗，提高电场均匀性，减少局部放电，提高信号传输性能。介电常数是衡量材料在电场中的极化能力的指标，是电绝缘材料的关键性能参数^[23]。图3为不同改性蒙脱土掺入质量分数对改性蒙脱土/PEX复合材料电场击穿强度的影响。

从图3可以看出，随着改性蒙脱土掺入质量分数的增加，改性蒙脱土/PEX复合材料的介电常数呈现先下降后小幅度增加的趋势，且在改性蒙脱土掺入质量分数为1.5%时达到最低，为1.52。由此可以看出，适量添加改性蒙脱土制备的改性蒙脱土/PEX复合材料具有较低的介电强度。这主要是由于改性蒙脱土在PE基体中的分散性得到改善，填料能够更均匀地分布在基体中。这种均匀分布减少了电场集中现象，降低了整体复合材料的介电常数。

2.4 热稳定性分析

PEX复合材料应用于管材及电缆材料时，使用过程中会经常接触热环境，因此改善其热稳定性至关重要^[24]。维卡软化温度是材料在受热情况下开始变形的温度指标，它能够反映材料在高温环境下的耐热性能^[25-26]。图4为不同改性蒙脱土/PEX复合材料的维卡软化温度。

从图4可以看出，随着改性蒙脱土掺入质量分数的增加，改性蒙脱土/PEX复合材料的维卡软化温度呈现先增加后波动变化的趋势，且在改性蒙脱土掺入质量分数为1.0%时达到最高，为120.91 ℃。由此可以看出，适量掺入改性蒙脱土能够有效提升改性蒙脱土/PEX复合材料的热稳定性。这主要是由于蒙脱土可以作为成核剂促进PE的结晶，增加材料的结晶度^[27]。高结晶度的材料通常具有更高的热稳定性，因为晶区的热稳定性通常高于非晶区^[28]。同时，硅烷偶联剂具有双功能团结构，一端可以与蒙脱土表面的羟基反应，另一端则可以与PE基体发生相互作用^[29-30]。这样可以提高蒙脱土在PE基体中的分散性和界面结合力，减少界面缺陷和空隙^[31]，从而增强材料的热稳定性。

3 结论

通过硅烷偶联剂改性蒙脱土制备改性蒙脱土/PEX复合材料，掺入质量分数1.0%的改性蒙脱土可有效提升PEX复合材料的拉伸强度、弯曲强度及简支梁冲击强度，降低介电常数，提升PEX复合材料的热稳定性。

在改性蒙脱土掺入质量分数为1.0%时，PEX复合材料的拉伸强度、弯曲强度及简支梁冲击强度分别为16.21 MPa、18.96 MPa和10.31 kJ/m²，电场击穿强度达到最高，为32.21 kV/mm，维卡软化温度为120.91 ℃。

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