基于乙烯/苯乙烯共聚物的电缆绝缘材料的开发

Under the direct current electric field, the potential traps with the structure of condensed state of insulation would induce the accumulation of space charge, leading to distorting the distribution of electric field and accelerating aging of the insulation. How to inhibit the accumulation of space charge is the key problem to exploit the HDVC cable insulation. The formation of space charge is closely related to the structure of condensed state of insulation, which is directly relevant to the chain microstructure such as the composition and sequence distribution. Here we plan to explore a series of rare-earth metal complexes stabilized by ligands with different electronic and steric substituted group to construct the catalytic systems which could catalyze the homo- and co-polymerization of ethylene and styrene in a living manner or a controlled chain transfer manner. The established catalytic systems will be used to catalyze in-situ polymerization, pulse feeding polymerization or chain shuttling polymerization to prepare a series of random, gradient and multiblock copolymers with tunable sequence distribution. The electrical, mechanical and rheological properties of the afforded copolymers will also be evaluated to exploit the copolymer with excellent performance as HDVC cable insulation and understand the relationship among the sequence distribution, the structure of condensed state and the electrical property of copolymer to give some guidelines towards designing high performance HDVC cable insulation.

在外加电场下，电缆绝缘层凝聚态结构中的势垒陷阱会导致空间电荷聚集，引发材料内电场畸变致使绝缘失效而击穿。有效抑制绝缘材料中的空间电荷是研制高压直流电缆绝缘材料需要解决的关键问题。空间电荷的成因与聚合物的凝聚态结构密切相关，而凝聚态结构，排除外界条件的影响，主要取决于分子链结构。本项目拟通过调节中心金属的电子密度及其周围的空间位阻或改变中心金属的种类，设计并合成新型稀土金属配合物，构筑能催化乙烯和苯乙烯活性聚合及活性链转移聚合的催化体系；结合“原位法”、“脉冲加料”和“链穿梭”等方法及机理，制备一系列序列结构可调的无规、嵌段、梯度及锥形乙烯/苯乙烯共聚物；研究其电性能、力学性能及流变性能，开发出综合性能优良的电缆绝缘材料；明确聚合物链结构与凝聚态结构与材料电性能的关系，为高性能电缆绝缘材料的开发提供理论基础。

我国直流塑料电缆绝缘料的研究严重滞后。此外，广泛使用的交联聚乙烯存在耐热温度低（< 90 ℃），容易被击穿的不足，难以实现远距离稳定输电。因此，国内外正积极开发新型电缆绝缘材料。已有研究表明，将苯环引入到聚乙烯中可以提高其击穿电压，而共混和接枝的方法存在相分离、产物结构不确定等不足。因此乙烯/苯乙烯共聚合是最直接的开发方法。.有效抑制材料中的空间电荷是研制绝缘材料需要解决的关键问题。空间电荷的成因与聚合物的凝聚态结构密切相关，而凝聚态结构，排除外界条件的影响，主要取决于分子链结构。因此，本项目围绕合成不同链序列结构的乙烯/苯乙烯共聚物，进而筛选出性能优良的电缆绝缘材料开展。.我们利用噻吩稠合的半茂钪金属配合物1与[Ph3C][B(C6F5)4]组成的二元体系催化乙烯/苯乙烯共聚合得到含有结晶间规聚苯乙烯系列的乙烯/苯乙烯共聚物；向上述二元催化体系中加入Lewis碱，制备出了含有短聚苯乙烯序列的共聚物，表明增大中心金属周围的空间位阻，将大幅削弱其催化苯乙烯聚合的活性。基于这一发现，筛选出空间位阻较大的含有苯基的噻吩稠合茂钪金属配合物2，催化乙烯/苯乙烯共聚合得到了苯乙烯结构单元离散分布的类无规共聚物。进一步选用限制几何构型配合物3，其弱给电子能力的侧臂削弱中心金属的Lewis酸性，降低乙烯聚合的活性，使得催化两种单体聚合得到了富含乙烯/苯乙烯交替序列的共聚物。此外，基于配合物1和3可催化乙烯/苯乙烯链转移共聚合的特性，成功构筑了链穿梭聚合体系，制备出不同乙烯/苯乙烯共聚序列的多嵌段共聚物。直流击穿测试结果表明，含有结晶间规聚苯乙烯序列的乙烯/苯乙烯共聚物耐击穿电压较高，随着其中苯乙烯含量的增加，耐击穿电压增加，最高可达390 kV/mm，高于低密度聚乙烯（284.2 kV/mm）和间规聚苯乙烯（378 kV/mm）的耐击穿电压。.上述工作将为高性能电力电缆绝缘材料的开发提供指导。