连续挤出工艺中 XLPE 材料的结晶行为调控

引言

交联聚乙烯（XLPE）是一种通过化学或物理方法使聚乙烯分子链间形成交联网络的热固性材料。与普通聚乙烯相比，XLPE具有更高的耐热性、机械强度和电气性能，因此被广泛用作中高压电缆的绝缘材料。在XLPE的生产过程中，结晶行为对其最终性能具有决定性影响。结晶度、晶体尺寸和分布等参数直接影响材料的机械强度、热稳定性和介电性能。连续挤出工艺是XLPE电缆绝缘生产中的关键工序，它不仅能实现高效连续生产，还能通过精确控制工艺参数来调控材料的结晶行为。

1、连续挤出工艺概述

连续挤出工艺的核心是通过机械能将固体原料（通常是颗粒或粉末）转化为熔融状态，并在压力作用下通过模具形成所需形状的产品。这一过程主要依赖于挤出机的工作，挤出机通常由进料系统、塑化系统、模具和冷却定型系统组成。原料从进料口加入，通过螺杆的旋转被输送、压缩、熔融和均化，最终在高压下通过模具挤出成型。挤出过程中，材料经历固态输送、熔融塑化和熔体输送三个阶段，每个阶段的控制对最终产品的质量至关重要。连续挤出工艺的流程通常包括原料预处理、挤出成型、冷却定型、牵引切割和后处理等步骤。原料预处理可能包括干燥、混合和造粒等，以确保材料性能的均匀性。在挤出成型阶段，原料在挤出机中经历输送、压缩、熔融和均化过程，形成均匀的熔体后通过模具挤出。冷却定型阶段需要精确控制冷却速率以避免产品变形或内应力产生。牵引速度需要与挤出速度匹配以保证产品尺寸稳定，后处理可能包括表面处理、印刷或组装等工序，以满足最终产品的要求。随着新材料的开发和应用领域的拓展，挤出工艺在新能源（如锂电池隔膜）、生物医学和 3D打印等新兴领域也展现出巨大潜力。

2、XLPE材料的基本特性与结晶行为

交联聚乙烯（XLPE）是通过在聚乙烯分子链间引入共价键而形成三维网络结构的高分子材料。这种交联结构赋予了XLPE优异的耐热性，使其热变形温度可达到 90-105°C ，远高于普通聚乙烯的 60-80^∘C 。同时，交联网络显著提高了材料的机械强度，特别是抗环境应力开裂性能。在电气性能方面，XLPE具有较高的体积电阻率和击穿场强，以及较低的介电常数和介质损耗。XLPE的结晶行为对其性能具有重要影响，聚乙烯是一种半结晶性聚合物，其结晶度通常在 40‰ 之间。结晶区域提供了材料的机械强度和热稳定性，而非晶区则赋予材料一定的柔韧性。在XLPE中，交联点的存在会限制分子链的运动能力，从而影响结晶过程。研究表明，交联密度越高，结晶度通常越低，但晶体完善程度可能更高[1]。

3、连续挤出工艺中XLPE材料的结晶行为调控分析

3.1、连续挤出工艺对XLPE结晶行为的影响

连续挤出工艺中的温度场、应力场和冷却条件对XLPE的结晶行为具有显著影响，在挤出过程中，熔融的XLPE材料经历复杂的温度变化和剪切流动，这些因素都会影响晶核的形成和晶体生长。挤出温度过高可能导致分子链降解，而温度过低则会影响交联反应的进行，适当的挤出温度应既能保证充分的交联反应，又能为后续结晶过程创造有利条件，挤出压力通过影响分子链的取向和堆积密度来改变结晶行为。较高的压力通常有利于形成更规整的晶体结构，但过高的压力可能导致流动不稳定。冷却速率是另一个关键参数，快速冷却倾向于形成较小且不完善的晶体，而缓慢冷却则有利于较大球晶的形成，在实际生产中，需要根据产品性能要求优化这些工艺参数的组合 。

3.2、实验研究与结果分析

为系统研究连续挤出工艺对XLPE结晶行为的影响，我们设计了一系列实验。实验采用商业级XLPE电缆料为原料，通过改变挤出温度、螺杆转速和冷却条件等参数制备样品。采用差示扫描量热法（DSC）测定结晶度和熔融行为，广角X射线衍射（WAXD）分析晶体结构，扫描电子显微镜（SEM）观察晶体形貌，并测试了材料的力学性能和电气性能。实验结果表明，挤出温度对结晶度有显著影响，当温度从 170^∘C 升至 210^∘C 时，结晶度从 52% 降至45% ，但晶体完善程度提高，表现为熔融峰温度从105℃升至108℃。螺杆转速的影响呈现非线性特征：在 100-300rpm 范围内，结晶度随转速增加而提高，最高可达 55% ；但当转速超过 400rpm 时，结晶度反而下降。这可能是由于过高的剪切导致分子链断裂和交联网络破坏所致。冷却速率的影响也十分明显。采用水冷方式（冷却速率约 50^∘C/min^∘ 的样品结晶度为 48% ，晶体尺寸较小且分布均匀；而采用空气冷却（冷却速率约 的样品结晶度达到 55% ，但晶体尺寸较大且分布不均。性能测试显示，适度冷却速率 （20-30^∘C/min） ）的样品综合性能最佳，拉伸强度达到 18MPa ，体积电阻率为 1×10¹⁶Ω⋅cm^[3] 。

3.3、工艺优化与性能提升

基于实验结果，我们提出了XLPE连续挤出工艺的优化方案。首先，采用分段温度控制策略：加料段 170-180^∘C ，压缩段 190–200^∘C ，计量段200-210^∘C ，机头 190-195℃。这种温度分布既能保证充分熔融和混合，又可避免过热降解。其次，螺杆转速控制在 250-350rpm 范围内，对应的剪切速率约为 200-400s-¹ ，可获得良好的剪切诱导结晶效果。冷却系统采用三级梯度冷却：第一级水冷（冷却速率约 30^∘C/min） 使表面快速固化；第二级风冷（冷却速率约 10^∘C/minΩ， 控制中间层结晶；第三级温水冷却（冷却速率约5^∘C/min^∘ 使芯部缓慢结晶。这种冷却方式可获得梯度结晶结构，表面细晶层提供良好的机械强度，内部较大晶体保证适当的柔韧性。采用优化工艺生产的XLPE样品表现出优异的综合性能[4]。

4、未来发展趋势与挑战

连续挤出工艺的未来发展将集中在几个方向：首先是智能化发展，通过传感器、物联网和大数据技术实现工艺的实时监控和自适应控制；其次是绿色制造，开发更节能的设备和使用可再生或可降解材料；第三是高性能产品的开发，如纳米复合材料挤出和微孔发泡挤出等；最后是工艺的精细化控制，通过先进的模拟技术和在线检测手段提高产品质量的一致性。面临的挑战包括如何更好地处理高填充材料、如何实现更精密的尺寸控制，以及如何降低能耗和生产成本等。跨学科的合作和创新将是推动挤出工艺发展的关键[5]。

结束语

本研究系统地分析了连续挤出工艺中XLPE材料的结晶行为及其调控方法，通过深入理解结晶机理和工艺参数的影响规律，建立了有效的结晶调控策略，实验验证了优化工艺参数对改善XLPE结晶结构和性能的积极作用。这些研究成果为开发高性能XLPE电缆绝缘材料提供了重要的理论依据和实践指导，未来研究可以进一步探索纳米添加剂对XLPE结晶行为的调控作用，以及开发更精确的在线结晶监测技术。

参考文献：

[1]杨金秀，姚远，吴焕晓. 一种基于原位浸渍工艺的基质自适应挤出方法[J].计量与测试技术，2023，50（10）：63-65+68.

[2]肖文飞，张新昌. 挤出型生物质复合材料的制备工艺研究[J].轻工机械，2019，37（05）：72-76.

[3]陈志强，高热阻可发性聚苯乙烯材料的连续挤出法生产工艺和成套装备.天津市，天津斯坦利新型材料有限公司，2018-11-09.

[4]黄元昌. 环状挤出机连续挤出工艺的突出优势[J].橡塑技术与装 备，2018，44（11）：38-40.DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2018.11.008.

[5]陈涛，马玉录，谢林生，等. 双转子连续挤出机掺混工艺对ABS树脂性能的影响[J].中国塑料，2018，32（03）：79-84.