聚乙烯硅橡胶绝缘材料老化性能的研究*

温振宇，钟建业，陈智莹，黄晓晴，曾婧雯

（广东电网有限责任公司清远清新供电局，广东 清远 511500）

0 引 言

输电线路需要表面包覆绝缘材料以保证其正常工作。然而，在野外环境中，输电线路受到冷热、机械、气象和突发应力等多种影响因素的作用，这些因素会导致绝缘材料容易出现降解的情况。事实上，这种降解也是一种老化现象。长期的老化刺激会直接导致绝缘材料失效。一旦绝缘材料失效，将会影响电力设备或电气输送线路的正常运行，严重时甚至可能导致火灾等危害[1]。绝缘材料的内部或表面都可能出现不同程度的缺陷，受多种因素的影响。虽然每种缺陷的严重程度不同，但不论何种类型的缺陷，最终都可能导致绝缘材料提前失效，一旦发生失效，就会造成不可挽回的损失。因此，需要分析绝缘材料在老化作用下的老化机理，并通过这种机理来预测绝缘材料的使用寿命，为输电线路和电力设备的长期使用提供参考方向[2-4]。

诸多研究者都对绝缘材料的老化性能情况作出研究，杨琦等人[5]以低密度聚乙烯为研究对象，不但分析了该材料的链式结构，同时还对该材料的抗老化性能作出分析，但是该材料结构较为单一，耐老化性能并不显著。单威威等人[6]研究电缆绝缘材料的耐老化性能，研究高温、光氧化及通电等对电缆材料老化性能的影响，尽管研究了多种老化方式对于电缆材料的影响，但是该研究并没有说电缆材料为何种成分，因此研究并不够充分。

聚乙烯是目前广泛应用于电缆绝缘的一种热塑性树脂材料，不仅具有较强的绝缘性能，还能抵抗酸性和碱性环境的腐蚀。该材料具有相对稳定的分子结构，即使在高温条件下也能够抵抗变形。因此，在电力设备和输电线路中被广泛使用[7-9]。硅橡胶是一种主要由甲基和含少量乙烯基的硅氧链节组成的材料。为提高其耐极端温度的能力，苯基被引入到这2 种材料之中。在-70~180 ℃范围内，硅橡胶能够完成绝缘工作，并保持强弹性。此外，它还具有较强的透气性。正是由于这些特点，硅橡胶在多个领域都得到了广泛应用[10-11]。

在上述背景下，本文主要研究聚乙烯硅橡胶绝缘材料分别在80 ℃和140 ℃下的老化性能。

1 材料方法

1.1 材料与仪器设备

本文研究过程中所使用的原材料及材料性能见表1。

表1 材料与性能Table 1 The materials and properties

试验所用仪器设备及相关型号情况见表2。

表2 仪器设备型号Table 2 The equipment models

1.2 材料制备

（1）制备硅橡胶混炼胶

在实验室环境下，选取100 份硫化硅橡胶作为试验基料，0.6 份双-2,5 硫化剂，并选择了氮化硼（HBN）、SiO2、白炭黑、Al(OH)3、炭黑和其他数种无机颗粒作为填料。由于这些填料的粒径不同，使用球磨机将以上材料的粒径统一，并在处理后的填料中添加硅烷偶联剂，以实现填料的偶联化。然后，将偶联后的填料、基料和硫化剂等材料添加到搅拌机中充分搅拌，在超声分散水浴环境中分散处理后，将分散后的材料添加到开炼机中进行混炼。同时，清洗模具并确保其完全干燥，将分散且混炼后的硅橡胶混合物倒入模具中，在室温环境中静置，帮助硅橡胶成型。成型固化后，获得了硅橡胶混炼胶试样[12-13]。

（2）制备聚乙烯硅橡胶绝缘材料

将转矩流变仪温度调整至150 ℃，加入聚乙烯，并使其完全熔融。向聚乙烯中加入3 份聚乙烯接枝马来酸酐，混合后进行120 s 的密炼。然后，将之前制备的硅橡胶混炼胶加入其中，进行充分的动态硫化处理，接着继续密炼360 s。取出获得的聚乙烯硅橡胶绝缘材料，将平板硫化仪温度调整至180 ℃，并将材料置于上面，进行300 s 的压片处理。在冷压压力为10 MPa 的作用下处理聚乙烯硅橡胶绝缘材料300 s，即可得到聚乙烯硅橡胶绝缘材料的压片。

1.3 老化处理与性能分析

（1）热老化处理

对压片后的聚乙烯硅橡胶绝缘材料进行厚度测量，选取多个厚度为0.5 mm 的样品进行热老化试验分析。根据研究经验，正常的绝缘材料工作条件下温度和场强均不超过70 ℃和20 kV/mm。因此，以此作为参考，对聚乙烯硅橡胶绝缘材料进行老化试验。利用恒温鼓风干燥箱实现对聚乙烯硅橡胶绝缘材料的老化试验。根据研究经验和《橡胶物理试验方法试样制备和调节通用程序》GB/T2941-2006 的相关规定[14]，选择不同的高温热老化试验温度，并配合不同的老化时间，以获得聚乙烯硅橡胶绝缘材料在不同条件下的老化性能变化效果。综合以上分析，确定高温热老化试验的温度分别为80 ℃和140 ℃。老化时间分别为7 d、14 d、21 d、28 d、35 d 和42 d。每次试验完成后，从恒温鼓风干燥箱中取出试样，使其在室温下避光静置15 h。然后，利用无水乙醇漂洗各个老化材料，以确保材料表面的污垢被去除。处理之后，将各个试样置于干燥箱中进行干燥处理8 h，然后进行性能测试。

（2）失重分析

经过不同温度、不同养护时长处理后的聚乙烯硅橡胶绝缘材料会发生不同程度的失重变化，使用精度为0.01 g 的电子天平称量老化后各个试样的质量，根据式（1）计算各个试样的失重率M：

式中，m0与m1分别表示老化前后各个试样的质量。

（3）力学性能分析

将老化后的聚乙烯硅橡胶绝缘材料裁剪成哑铃形状，然后利用拉力机对各个老化后的聚乙烯硅橡胶绝缘材料施加拉力。每组试验样品进行5 次试验，取平均值，并通过试验获得各个试验样品的各项力学性能变化情况[15]。

（4）结晶度分析

使用差示扫描量热法分析老化后聚乙烯硅橡胶绝缘材料的结晶变化情况。将经过2 种不同温度处理的聚乙烯硅橡胶绝缘材料置于铝坩埚之中，然后将铝坩埚中的试验样品放到样品炉中加热。在计算机设备的控制下，待样品达到设定温度后，计算机会停止加热。老化后聚乙烯硅橡胶绝缘材料的结晶度X 计算公式为：

其中，△H 与△H0分别表示聚乙烯硅橡胶绝缘材料的熔融焓以及100%结晶度情况下的熔融焓。

（5）击穿场强分析

击穿场强是分析聚乙烯硅橡胶绝缘材料绝缘性能的标准指标。将经过不同温度老化处理的聚乙烯硅橡胶绝缘材料置于电压击穿试验仪中，然后使用该仪器对试验样品匀速施加电压，直到试验样品发生击穿变化，停止施压并统计试验数据。

（6）体积电阻率分析

使用电阻计测量老化处理后聚乙烯硅橡胶绝缘材料的体积电阻率。将经过不同温度处理的聚乙烯硅橡胶绝缘材料放置于电阻计的试验装置中，并向各个试验样品施加1 kV 电压。每组试验样品反复试验5 次，试验结果取平均值。

2 老化结果分析

2.1 老化失重性能分析结果

受到老化作用影响，聚乙烯硅橡胶绝缘材料无论在化学层面还是物理层面都会出现不同程度的质量损失。这种损失可以通过天平称量来确定具体的老化失重变化情况，并能够体现出不同老化时长下聚乙烯硅橡胶绝缘材料的变化规律。试验结果见图1。

图1 聚乙烯硅橡胶绝缘材料失重率Fig. 1 The weight loss rate of polyethylene silicone rubber insulating material

从图1 中能够看出，随着老化时间的增加，不同温度老化处理的聚乙烯硅橡胶绝缘材料均出现失重率升高的情况，且140 ℃老化处理后的聚乙烯硅橡胶绝缘材料失重率明显更高。经过7d 老化处理后，80 ℃和140 ℃老化处理后的聚乙烯硅橡胶绝缘材料均呈现出较快的失重变化，此后保持失重率上升，该上升趋势较为平缓。但在老化21 d 后，80℃老化处理的聚乙烯硅橡胶绝缘材料并未再出现明显失重变化。而140 ℃老化处理的聚乙烯硅橡胶绝缘材料随着热老化时间的增加，失重情况仍然较为明显。这种情况主要是由于热老化作用下，140 ℃老化处理后的聚乙烯硅橡胶绝缘材料中存在的交联剂以及部分小分子物质受到高温影响出现挥发现象，所以加热老化初期，聚乙烯硅橡胶绝缘材料失重情况较为严重，老化时间增加后，老化处理后的聚乙烯硅橡胶绝缘材料中的交联物质几乎挥发完全，不会再影响聚乙烯硅橡胶绝缘材料的质量。热老化作用之下，聚乙烯硅橡胶绝缘材料中的化学键出现断裂，所以聚乙烯硅橡胶绝缘材料出现失重趋势，呈现出先迅速升高后平缓上升的趋势。

2.2 老化后力学性能变化

研究老化处理之后聚乙烯硅橡胶绝缘材料的各项力学性能，测试分析结果见图2。

图2 老化后聚乙烯硅橡胶绝缘材料力学性能Fig. 2 The mechanical properties of polyethylene silicone rubber insulating material after aging

从图2 中能够看出，随着老化时间的增加，除了弹性模量增加，聚乙烯硅橡胶绝缘材料的其他力学性能指标均发生显著的下降。老化温度较高时（140 ℃），聚乙烯硅橡胶绝缘材料断裂伸长率降低，弹性模量迅速上升，说明该温度老化后的聚乙烯硅橡胶绝缘材料丧失韧性，硬度迅速上升。老化处理后的聚乙烯硅橡胶绝缘材料失去部分有机成分，这种成分丢失体现在聚乙烯硅橡胶绝缘材料就是力学性能下降。聚乙烯硅橡胶绝缘材料在老化作用下会出现交联反应，这种反应会导致聚乙烯硅橡胶绝缘材料中的内部结构更紧实，但是这会导致聚乙烯硅橡胶绝缘材料的柔性降低，所以升高聚乙烯硅橡胶绝缘材料的弹性模量，同时降低聚乙烯硅橡胶绝缘材料的断裂伸长率与拉伸强度，导致聚乙烯硅橡胶绝缘材料力学性能和弹性出现明显降低。

2.3 老化后结晶度变化

2 种不同老化温度处理之后，聚乙烯硅橡胶绝缘材料的结晶度变化情况，试验结果见图3。

图3 老化后聚乙烯硅橡胶绝缘材料结晶度变化Fig. 3 The change in crystallinity of polyethylene silicone rubber insulating material after aging

从图3 中可以看出，140 ℃老化后的聚乙烯硅橡胶绝缘材料结晶度显著低于80 ℃老化后的聚乙烯硅橡胶绝缘材料结晶度。另外，80 ℃老化后的聚乙烯硅橡胶绝缘材料的结晶度呈现出先降低后升高的变化趋势。这种情况主要是由于老化后的聚乙烯硅橡胶绝缘材料会交联出网状结构，这种结构会在老化初期迅速降低聚乙烯硅橡胶绝缘材料结晶度，同时分子链位置变化也会降低聚乙烯硅橡胶绝缘材料的结晶度，但是老化后期，聚乙烯硅橡胶绝缘材料中的分子链会在老化作用下重新恢复分子活性，这种情况下导致聚乙烯硅橡胶绝缘材料的结晶度又发生缓慢上升。140 ℃老化后的聚乙烯硅橡胶绝缘材料结晶度会在老化初期发生迅速下降，后期结晶度变化较为缓慢，这种变化主要是由于较高温度老化聚乙烯硅橡胶绝缘材料时，会导致聚乙烯硅橡胶绝缘材料中的分子链迅速出现断裂，导致聚乙烯硅橡胶绝缘材料的结晶度降低，但是老化后期，聚乙烯硅橡胶绝缘材料中的分子链未断裂部分较少，所以结晶度下降较为缓慢。

2.4 老化后击穿场强变化

聚乙烯硅橡胶绝缘材料发生老化后，通常会降低绝缘效果，因此需要通过击穿场强分析老化处理之后聚乙烯硅橡胶绝缘材料的击穿场强变化情况。试验结果见图4。

图4 老化后聚乙烯硅橡胶绝缘材料击穿场强变化Fig. 4 The change in breakdown field strength of polyethylene silicone rubber insulating material after aging

从图4 中能够看出，受到老化作用影响，聚乙烯硅橡胶绝缘材料击穿场强呈现出明显下降趋势，这种情况主要是热老化作用下聚乙烯硅橡胶绝缘材料出现严重氧化降解，所以聚乙烯硅橡胶绝缘材料的击穿场强会发生下降。老化过程中聚乙烯硅橡胶绝缘材料中的分子链还会出现断裂，生成较多氧离子，这种氧离子也会造成聚乙烯硅橡胶绝缘材料击穿强度下降。

2.5 老化后体积电阻率变化分析

通过分析聚乙烯硅橡胶绝缘材料体积电阻率变化，了解聚乙烯硅橡胶绝缘材料老化后绝缘性能的变化，试验结果见图5。

图5 老化后聚乙烯硅橡胶绝缘材料体积电阻率变化Fig. 5 The change in volume resistivity of polyethylene silicone rubber insulating material after aging

从图5 中能够看出，随着老化处理时间增加，聚乙烯硅橡胶绝缘材料的体积电阻率出现明显下降的情况，说明受到老化作用影响，聚乙烯硅橡胶绝缘材料的绝缘性能受到严重破坏。并且在老化后期，聚乙烯硅橡胶绝缘材料体积电阻率的下降速率较为明显，说明经过长时间老化，聚乙烯硅橡胶绝缘材料出现严重绝缘劣化，聚乙烯硅橡胶绝缘材料中的分子链网络结构也遭到破坏，所以出现体积电阻率迅速降低。

3 结 论

本文研究热老化作用之下，聚乙烯硅橡胶绝缘材料的变化情况，通过试验分析发现，如果聚乙烯硅橡胶绝缘材料长期处于温度较高的环境，会发生较为严重的老化现象，导致聚乙烯硅橡胶绝缘材料的多项性能丧失。但是如果温度较为适中，聚乙烯硅橡胶绝缘材料能够承受老化影响。由此可以看出，适当控制聚乙烯硅橡胶绝缘材料所处环境单位温度，能够延长聚乙烯硅橡胶绝缘材料的使用寿命。