2-乙烯基蒽醌接枝的XLPE通过深度捕获机制抑制交流电树化现象

《Polymer Testing》：2-Vinylanthraquinone-grafted XLPE suppresses AC electrical treeing by deep-trap regulation

交联聚乙烯绝缘材料中通过过氧化物辅助共价接枝2-乙烯基安息香醌抑制电气树生长，实现树起始电压提升161%，并保持材料工艺兼容性。

　　
本研究的核心目标在于解决交联聚乙烯（XLPE）电缆绝缘在长期高压交流电场作用下的关键可靠性问题——电树（electrical treeing）现象。该研究通过创新性的过氧化物辅助接枝技术，首次实现了将2-乙烯基蒽醌（VAQ）共价键合到XLPE主链中，并系统性地验证了这种分子级改性对材料抗电树性能的显著提升作用。以下从技术路径创新、性能突破、机理解析及工程应用价值四个维度展开解读。

一、技术路径的创新突破
研究团队开创性地将传统物理混合的稳定化策略升级为化学键合的分子植入技术。通过优化过氧化物（DCP）的引发效率，在标准交联工艺（180℃/15MPa/15分钟）条件下同步完成VAQ的接枝反应。这种"一锅端"的工艺设计，既避免了传统后处理带来的界面缺陷，又确保了VAQ与XLPE分子链的深度结合。FTIR光谱的对比分析显示，原本在910-990cm?1的乙烯基特征峰完全消失，而1665-1685cm?1的蒽醌羰基峰依然清晰可见，这直接证实了VAQ通过C=C双键与聚乙烯主链的共价交联。TGA测试中XLPE-g-VAQ在456℃出现单一质量损失台阶，与未改性的XLPE（436℃）相比，热稳定性提升达20℃，排除了VAQ残留带来的安全隐患。

二、性能突破与数据验证
1. 电树抑制效果：通过直流偏置电场下的树形演化观察，发现接枝VAQ的XLPE在7kV交流场中，电树长度仅达到未改性材料的21.5%（548μm vs 2572μm），横向扩展宽度减少79.7%（450μm vs 2235μm）。值得注意的是，这种抑制效果在1.0wt% VAQ接枝量时达到峰值，超过1.5wt%反而性能下降，这揭示了最佳分子植入浓度与陷阱工程之间的平衡关系。

2. 关键参数提升： characteristic tree initiation voltage（TIV）从8.0kV跃升至20.9kV，增幅达161%。这种突破性进展源于双重机制：一方面，VAQ分子引入的深能级陷阱（SPD测试显示陷阱深度达1.03eV）能高效捕获电子注入能量；另一方面，表面电位衰减测试（SPD）显示，接枝材料在电极界面形成了稳定的电荷屏蔽层，将局部场强降低约30%。

3. 交流耐压性能：Weibull分析显示，改性材料的AC breakdown strength（α）提升4.6%（104.9kV/mm vs 100.3kV/mm），形状参数β从7.5增至11.3，后者表征材料抗局部场强波动的能力，说明VAQ接枝增强了绝缘体的均质性和抗电晕性能。

三、机理解析与理论支撑
1. 能带工程理论：通过密度泛函理论（DFT）计算发现，VAQ的电子亲和能（ΦEA）达2.8eV，较XLPE的1.2eV提升133%，其LUMO能级（-3.00eV）与XLPE的HOMO能级（-8.4eV）形成约5.4eV的能带间隙。这种能级错配构建了高效电子捕获体系，使电子注入势垒从未改性材料的5.7eV（根据能带计算推演）提升至8.4eV，显著延缓了电树起始。

2. 三维陷阱网络：SPD测试显示，未改性XLPE存在两个主要陷阱能级（0.83eV和0.90eV），而VAQ接枝后形成单一深陷阱（1.03eV）。这种陷阱结构优化使电荷载流子必须克服更高的能量势垒，同时避免了浅陷阱的频繁电荷注入-挤出循环，从而延缓了绝缘链的断裂和缺陷的累积。

3. 界面效应调控：电镜观察显示，接枝材料中的电树呈现典型的"子弹头"形态，与未改性的分支状结构形成鲜明对比。这种形态差异源于VAQ分子在材料表面形成的纳米级亲电子屏障，当电场集中在针尖处时，VAQ分子通过共轭π电子体系将局部场强分散，有效抑制了场致发射导致的局部放电。

四、工程应用价值与产业化路径
1. 工艺兼容性：研究证实，VAQ接枝过程与XLPE常规交联工艺（温度180℃/压力15MPa）完全兼容。通过调整螺杆转速（建议控制在50-80rpm）和VAQ添加量（1.0-1.5wt%），可在现有生产线中实现零改造升级，这对电力电缆行业具有重要实践意义。

2. 可靠性提升维度：该技术同时覆盖了电树发展的三个关键阶段——起始阶段（TIV提升161%）、生长阶段（速度降低92%）和终止阶段（缺陷扩展量减少79.7%）。特别值得关注的是，改性后的材料在交流场中的老化速率（根据SPD电荷量推算）较未改性材料降低约2个数量级，这意味着电缆寿命可能从现有的30年延长至50年以上。

3. 成本效益分析：VAQ作为新型稳定剂，其价格较传统纳米二氧化硅（约$50/kg）高出40%，但接枝工艺的规模化应用可将成本摊薄。结合测试数据，每公里电缆的潜在绝缘成本节约可达$1200（按年维护费用计算），这对超高压电缆（500kV以上）的经济性提升具有显著意义。

五、技术局限与发展方向
1. 温度敏感性：研究显示在30℃时性能最佳，但未明确低温（如-20℃）或高温（如90℃）下的性能衰减规律。建议后续研究采用原位光谱技术（如ST-EPR）追踪陷阱状态随温度的变化。

2. 长期稳定性验证：现有90分钟加速老化测试虽能反映短期性能，但电缆实际服役寿命需通过3000小时以上持续监测来验证。建议建立加速老化与实际工况的等效转换模型。

3. 接枝均匀性控制：DSC测试显示结晶度从40%降至35%，虽然未影响力学性能（拉伸强度保持率＞95%），但可能对超高压电缆的机械可靠性产生潜在影响。建议开发梯度接枝技术，在针尖区域实现高浓度VAQ富集。

本研究为高分子绝缘材料的稳定化技术开辟了新方向，其核心创新在于将传统稳定剂（物理混合）升级为功能单体（化学接枝），通过分子设计实现深陷阱工程。这种技术路径不仅解决了迁移问题，更重要的是建立了绝缘材料性能与分子结构的定量关系模型，为后续开发新一代耐压材料提供了理论框架和实践范式。特别是其在超高压电缆领域的应用潜力，将有力推动我国在智能电网核心设备领域的自主可控进程。