随着我国“双碳”战略目标的不断深化，承担城市输配电重任的电力电缆正经历着绿色化、低碳化的关键性变革。传统交联聚乙烯（XLPE）电缆绝缘生产过程耗能大、不可回收的缺点严重限制了其可持续性发展。聚丙烯基（PP）环保型电缆绝缘因其生产过程耗能少、退役可回收，成为了近年来国内外的研究热点。然而，PP绝缘的室温模量远高于XLPE绝缘，造成了电缆敷设安装的困难。通过弹性体改性增韧后，非交联PP绝缘机械模量的温度稳定性又会发生较大的劣化，导致实际运行中PP电缆绝缘较高温度下的热变形，可能引发电缆偏心故障。因此，提升温度稳定性是聚丙烯电缆绝缘研究亟待解决的瓶颈问题。

图1 聚丙烯绝缘温度稳定性较低引发的电缆偏心故障示意图

针对以上问题，西安交通大学电气学院、电工材料电气绝缘全国重点实验室李建英教授课题组联合中国科学院化学所、中国电科院、燕山石化、江苏上上电缆等单位，在共聚聚丙烯（IPC）绝缘的多相结构中引入了多重长链支化（LCB）结构，实现了环保型聚丙烯电缆绝缘温度稳定性的大幅提升。该工作结果表明，相比于IPC，LCBIPC的模量不仅在室温20℃下获得了13%的降低，同时在150℃下实现了近300%的提升。在160℃的极端高温下，LCBIPC的蠕变量和热变形量分别减少了85%及82%。该工作认为LCBIPC能够通过增强分子链段的缠结效应来抑制无定形区随温度的膨胀，在温度稳定性得到大幅提升的同时，各项电气性能在30℃至90℃的宽温域下也得到提升。同时，该工作验证了LCBIPC仍具有良好的可回收性，在多次重塑加工后熔融指数未发生明显的变化。该研究成果突破了环保型聚丙烯电缆绝缘温度稳定性难以提升的瓶颈问题，对于提高聚丙烯电缆的运行可靠性提供了重要的理论和技术支撑。

图2 多重长链支化结构的设计、表征及大幅提升的温度稳定性：长链支化共聚聚丙烯（a）合成路径及其（b）核磁氢谱、（c）剪切流变表征结果；（d）机械模量的温度依赖特性；不同温度下的（e）热变形率及（f）热蠕变量结果；（g）热变形率及热蠕变量的高温机械模量依赖特性；（h）长链支化共聚聚丙烯高温机械模量与文献结果的对比；长链支化共聚聚丙烯（i）交流击穿强度的温度依赖特性及（j）体积电阻率结果。

上述研究成果以“采用多重长链支化结构显著提升环保型聚丙烯电缆绝缘的温度稳定性”（Greatly Enhanced Temperature Stability of Eco-friendly Polypropylene for Cable Insulation by Multifold Long-chain Branched Structures）为题发表在《化学工程杂志》（Chemical Engineering Journal）上，博士生隋浩然为第一作者，电气学院武康宁助理教授和李建英教授为通讯作者，第一完成单位为西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室。该工作得到国家自然科学基金重点项目和青年项目、电工材料电气绝缘全国重点实验室自主研究课题和中国石化科技项目的支持。

李建英教授课题组多年来专注环保型聚丙烯电缆绝缘料多性能协同优化的研究工作及其科研成果的落地转化。相关成果发表于Composites Science and Technology、IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation、高电压技术等电气/材料领域国内外顶级刊物上。课题组参与开发的中压共聚聚丙烯绝缘电力电缆已在国家电网公司获得工程化应用。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.149811

文字：李建英教授团队

图片：李建英教授团队