紫外交联 XLPE 材料的介电损耗温度特性分析

引言

聚乙烯作为一种重要的热塑性塑料，因其优异的电气性能、化学稳定性和加工性能而被广泛应用于电线电缆绝缘、管道制造等领域。然而，普通聚乙烯的耐热性和机械强度有限，在高温环境下容易变形和软化，这限制了其在某些特殊环境中的应用。为了克服这些缺点，交联聚乙烯（XLPE）应运而生。相比之下，紫外交联技术作为一种新兴的物理交联方法，具有工艺简单、能耗低、无污染等优势，近年来受到广泛关注。

1、紫外交联XLPE的性能特点

紫外交联XLPE具有优异的综合性能，使其在许多领域成为理想的工程材料，在力学性能方面，交联后的聚乙烯表现出显著的改善，拉伸强度通常可提高 50%-100% ，同时保持较好的断裂伸长率。这种增强的力学性能主要源于三维网络结构的形成，分子链间通过共价键连接，有效抵抗外力作用下的分子链滑移。此外，交联结构还赋予材料更好的抗蠕变性能和尺寸稳定性，在长期载荷作用下不易发生变形；热性能是紫外交联XLPE的另一显著特点，交联后的聚乙烯热变形温度可提高 20–30^∘C ，最高连续使用温度可达 90-105^∘C 。这一特性使得紫外交联XLPE能够在较高温度环境下保持性能稳定，大大扩展了其应用范围。热重分析表明，交联结构能有效提高材料的热分解温度，改善其耐热性。同时，交联网络还限制了分子链的热运动，降低了材料的热膨胀系数，这对于精密电子封装等应用尤为重要；电绝缘性能方面，紫外交联XLPE表现出优异的介电特性。体积电阻率可达10^∧16-10^∧17Ω⋅cm ，介电强度超过 20kV/mm 。交联结构减少了材料中的自由体积和杂质迁移，从而降低了介电损耗，这些特性使其成为高压电缆绝缘的理想材料。同时交联网络结构能有效阻止氧分子的扩散，延缓氧化降解过程。添加适当的抗氧剂和紫外线稳定剂后，材料在户外使用环境下的寿命可显著延长，加速老化试验表明，优化配方的紫外交联XLPE在 90^∘C 下经过1000 小时老化后，力学性能保持率仍在 80% 以上。

2、紫外交联XLPE材料的介电损耗温度特性分析

2.1、紫外交联XLPE材料的制备与表征

实验采用密度为 0.92g/cm³ 的聚乙烯（PE）作为基材，添加2wt%的光引发剂二苯甲酮。首先将PE颗粒与光引发剂在双螺杆挤出机中熔融共混，挤出温度为 160-180^∘C ，螺杆转速为 50rpm 。混合均匀的物料通过压延机制备成厚度为 0.5mm 的薄膜。紫外交联过程在自制的紫外辐照装置中进行，装置配备主波长为 365nm 的高压汞灯，辐照强度为 50mW/cm² 。薄膜样品在氮气保护下进行辐照，辐照时间分别为5、10、15 和 20 分钟。通过调节样品与紫外灯的距离控制辐照强度，确保样品表面温度不超过 80^∘C 。采用凝胶含量测试表征交联程度，将样品在二甲苯中回流 6 小时后，测定不溶物含量，差示扫描量热法（DSC）测试在氮气氛围下进行，升温速率为 10^∘C/min ，测量材料的熔融行为，红外光谱（FTIR）用于分析材料化学结构的变化，特别是交联反应引起的特征峰变化。

2.2、介电损耗测试方法与实验设计

介电损耗测试采用宽频介电阻抗谱仪，测试频率范围为 10–2–106Hz ，测试温度从 30^∘C 到 90^∘C ，每 10^∘C 为一个测试点，样品制备成直径 50mm 的圆片，两面蒸镀金电极以保证良好的电接触。测试前，所有样品在 50^∘C 真空干燥箱中处理24 小时以去除水分。测试过程中，样品置于温控腔体中，温度控制精度为 1±0.5^∘C 。每个温度点平衡30 分钟后开始测量。为减小误差，每个条件测试 3 个平行样品，取平均值作为最终结果。实验设计考虑三个主要变量：交联程度（通过紫外辐照时间控制）、测试温度和测试频率。通过系统改变这些参数，研究它们对介电损耗的影响规律。特别关注在工频（50Hz）条件下的介电损耗温度特性，因为这与实际电缆运行条件最为相关。

2.3、紫外交联XLPE介电损耗的温度特性分析

测试结果显示，紫外交联XLPE的介电损耗角正切（tanδ）随温度升高呈非线性增加趋势，在 30–60^∘C 范围内，tanδ增长较为缓慢；当温度超过 60^∘C 后，tanδ急剧上升，这种变化趋势与材料中分子链段运动能力的增强有关。在较低温度下，分子链段被冻结，偶极子取向困难，介电损耗较小；随着温度升高，链段运动被激活，导致更多的能量以热的形式耗散。不同交联程度的样品表现出相似的tanδ-温度变化趋势，但具体数值存在差异。辐照15 分钟的样品在所有温度下都显示出最低的tanδ值，表明适度的交联密度可以优化材料的介电性能。交联程度过低时，分子链活动性强，导致较大的介电损耗；交联程度过高则可能引入过多的缺陷，同样不利于降低介电损耗。在工频条件下，紫外交联XLPE的tanδ值在 30^∘C 时为 0.0005，70℃时增加到0.0020，90℃时达到0.0050。与传统热交联XLPE相比，紫外交联样品在高温下的介电损耗增幅较小，显示出更好的高温稳定性，这一特性使紫外交联XLPE特别适合用于温度波动较大的运行环境[1]。

3、紫外交联XLPE的应用前景

紫外交联XLPE凭借其优异的综合性能，在多个领域展现出广阔的应用前景，在电线电缆行业，紫外交联XLPE绝缘材料可用于制造耐高温、高电压等级的电力电缆，特别是适用于空间受限的场合，如船舶、飞机等运输工具的布线系统。其优异的电气性能和热稳定性确保了电缆在恶劣环境下的可靠运行，而紫外交联工艺的环保特性则符合日益严格的行业环保标准。电子封装领域是紫外交联XLPE的另一重要应用方向。随着电子设备向小型化、高性能化发展，对封装材料的耐热性和尺寸稳定性要求越来越高。紫外交联XLPE可通过调节交联度精确控制其热膨胀系数，满足不同电子元件的封装需求，此外，其优异的介电性能使其成为高频电路封装的理想选择。在医用材料方面，紫外交联XLPE的无毒性和生物相容性使其可用于制造某些医疗器械部件。与传统化学交联产品相比，紫外交联XLPE残留物更少，更适合医疗应用。例如，可用于制造耐消毒处理的医用导管、包装材料等[2]。

应用拓展方面，新能源领域为紫外交联XLPE提供了新的发展机遇，在太阳能光伏系统中，它可以用作背板材料和接线盒绝缘部件；在风力发电领域，适用于制造耐候性电缆和发电机绝缘部件。电动汽车的快速发展也带来了对高性能电池绝缘材料的需求，紫外交联XLPE有望在这一领域发挥重要作用。此外，随着 5G通信技术的普及，对低介电损耗高分子材料的需求激增，紫外交联XLPE的高频性能优势将得到更充分的体现[3]。

结束语

紫外交联XLPE作为一种新型高性能材料，通过紫外辐照技术在聚乙烯分子链间构建三维网络结构，显著提升了材料的力学性能、热稳定性和电气特性。与传统化学交联方法相比，紫外交联技术具有工艺简单、能耗低、环境友好等显著优势。研究表明，紫外交联XLPE在电线电缆、电子封装、医疗器械等领域具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]段凯歌，陈小蝶，倪佳，等. 紫外交联高密度聚乙烯材料的制备及性能研究[J].中国塑料，2024，38（05）：24-27.DOI：10.19491/j.issn.1001-9278.2024.05. 005.

[2]夏紫阳，王大威，姚小龙，等. 紫外交联PP/PE复合材料的制备与力学性能研究[J].胶体与聚合物，2017，35（02）：61-64.