聚丙烯作为一种热塑性绝缘材料，具有优异的耐热性能和绝缘性能，已成为未来可回收电缆绝缘材料的重要发展方向。但纯聚丙烯具有较差的机械性能，包括弹性模量高、低温脆性大等，这大大限制了聚丙烯的应用场景，导致其难以直接作为电缆的绝缘材料。
清华大学研究团队联合中石化（北京）化工研究院研究团队在《电工技术学报》2025年第23期上撰文，提出一种抗冲共聚聚丙烯的机械和电气性能协同优化方案。论文分析了乙烯含量变化与聚丙烯机械和电气性能的关系，探讨了乙烯共聚含量对抗冲共聚聚丙烯内部组分相容性和电荷输运的影响机理，提出了乙烯共聚对于聚合物机械和电气性能的作用机理。研究方案实现了聚丙烯机械和电气性能的协同提升，为高电压等级聚丙烯电缆绝缘材料的开发提供参考与指导。
研究背景
聚丙烯（Polypropylene, PP）无需交联处理、易于回收利用，且具有优异的耐热性能和绝缘性能，但纯PP材料具有较差的机械性能，包括弹性模量高、低温脆性大等，这大大限制了PP的应用场景，导致其难以直接作为电缆的绝缘材料。目前对于PP的改性研究分别集中于机械和电气性能，尚未提出有效的机械和电气性能协同提升改性方案。因此，面向高压PP电缆亟需提出一种机械和电气性能协同提升的改性方案，以满足高压PP电缆的发展需求。
论文所解决的问题及意义
针对目前PP共聚物的研究主要集中于商业用料，并未关注聚合物模量对于电缆绝缘材料的机械性能和电气性能的影响，无法给出合适的共聚烯烃含量，难以为共聚PP电缆绝缘材料的开发提供指导，以及电缆在制造和使用过程中出现的弯曲情况，会在电缆绝缘层内部引发缺陷，进而导致绝缘整体电气性能降低等问题。
本文制备了不同乙烯含量的抗冲共聚聚丙烯（Impact Polypropylene Copolymer, IPC）材料，分析了乙烯含量对聚合物序列分布和微观结构的影响以及各IPC试样的机械和动态力学性能，表征了乙烯含量对聚合物拉伸前后电气性能的影响和作用机理，提出了PP机械和电气性能协同提升的最佳改性方案，为高电压等级PP电缆绝缘材料的开发提供参考与指导。
论文方法及创新点
本文通过平板热压法制备了三种不同乙烯含量的IPC试样，并制备了拉伸应变为10%的对比试样，通过核磁共振碳谱、扫描电子显微镜、X射线衍射、差示扫描量热分析、机械性能、动态力学分析、击穿强度、体积电阻率、热刺激去极化电流和原子力显微镜测试，研究乙烯含量变化对于IPC试样机械和电气性能的影响和作用机理。
1、机械性能分析
随着乙烯含量的增加，IPC试样的弹性模量和拉伸强度逐渐降低，而各试样的断裂伸长率则随着乙烯含量的增加，呈现先升高后降低的变化趋势。过高的乙烯含量使得拉伸强度和断裂伸长率不能满足电缆绝缘的使用需求。
对于PP-H，拉伸后试样的透明度未发生明显变化，由于PP本身机械强度高、韧性差，在此应变下未出现银纹。对于IPC-1，由于其内部仅存在较少量的乙烯，并且拉伸实验表明其具有与PP-H相近的拉伸强度，导致其拉伸后的透明度也未发生明显变化。
而对于IPC-2，橡胶相作为分散相在PP基体中分散而形成“海岛结构”，当PP基体受到外界应力作用时，橡胶相颗粒作为应力集中点，在应力作用下引发银纹，从而吸收大量能量，试样出现一定的发白情况。对于IPC-3，橡胶相与PP基体呈相互贯穿式的分布，同时橡胶相的分子链具有比PP更高的柔韧性，在拉伸过程中分子链产生相应的变形吸收能量，降低了应力集中，从而减少了银纹的产生。
图1 PP-H 和IPC 试样的机械性能
图2 拉伸前后的PP-H 和IPC 试样
2、电气性能分析
随着乙烯含量的增加，IPC试样的击穿场强和体积电阻率均呈现出先升高后降低的趋势，过高的乙烯含量反而会降低IPC试样的击穿强度和体积电阻率。相较于未拉伸试样，拉伸后PP-H和IPC试样的特征击穿场强都出现了下降的变化趋势，IPC试样的击穿场强随着乙烯含量的增加仍然呈现先升高后降低的趋势。
而拉伸后PP-H和IPC试样的体积电阻率变化呈现两种趋势：拉伸后PP-H和IPC-1的体积电阻率呈现下降的变化趋势；而IPC-2和IPC-3的体积电阻率则呈现升高的变化趋势，拉伸后的IPC-2仍然具有最高的体积电阻率。
图3 PP-H 和IPC 试样拉伸前后的击穿强度
图4 体积电阻率图
3、动态力学性能分析
PP-H由于结晶度最高，故具有最高的储能模量；IPC试样的储能模量随着乙烯含量的增加逐渐降低。对于PP-H可以发现，存在α(PP)和β(PP)两个弛豫过程，它们分别代表PP分子链的玻璃化转变和结晶区内受限非晶相分子链段运动的弛豫过程。而对于IPC试样，则存在β(EPR)、α(PP)和β(PP)三个弛豫过程，其中β(EPR)代表EPR分子链的玻璃化转变弛豫过程。
图5 动态力学性能图
4、陷阱特性分析
IPC试样都存在两个位于0.98 eV和1.16 eV左右的陷阱能级中心，分别对应浅陷阱和深陷阱。随着乙烯含量的增加，IPC试样的深陷阱能级和陷阱密度均呈现先增加后降低的变化趋势，IPC-2具有最高的陷阱能级和陷阱密度。适当含量的乙烯，可以显著地提高IPC的陷阱能级和陷阱密度。
图6 PP-H 和IPC 试样的陷阱分布
5、电荷传输特性分析
在相同的电荷注入条件下，经过20 min的电荷迁移和扩散后，PP-H和IPC-2却呈现不同的电荷分布情况。就IPC-2而言，其具有更多的深陷阱，可以捕获大量的电荷，大大限制了载流子的迁移；相反地，PP-H中注入的电荷表现出较大规模的扩散。这是由于PP-H的陷阱能级和密度都远低于IPC-2，因此载流子容易在试样内部迁移。
图7 PP-H和IPC试样的AFM图像
结论
1）IPC试样内部的橡胶相和PP基体呈现“海岛结构”，在乙烯含量过高时则相互贯穿分布。共聚改性并不改变PP的晶型，IPC试样仍以α晶型为主。试样的结晶度随着乙烯含量的增加呈现逐渐下降的趋势
2）乙烯共聚改善了PP基体和橡胶相的相容性，显著提升了PP的机械性能。
3）随着乙烯含量的增加，IPC试样的击穿场强和体积电阻率呈现先升高后降低的变化趋势，表明适当含量的乙烯可以显著地增强IPC的绝缘性能。
4）乙烯共聚会在PP内部产生大量的晶区-无定形区界面，可以引入大量的深陷阱。适当含量的乙烯可以平衡结晶度与陷阱能级和陷阱密度之间的关系，降低载流子的迁移率，阻碍电荷的传输，提升材料的电气性能。
团队介绍
本文作者团队成员来源于清华大学高压所先进能源材料与装备研究团队，主要研究领域包括全景信息感知及智慧电网；智能材料及电力能源装备等。近年来，该团队完成了多个国家、省和电网企业的研究项目。
董新华，通讯作者，博士研究生。主要从事可回收聚丙烯电缆绝缘材料综合性能调控及构效关系研究，包括聚丙烯机械性能提升、高温电气性能提升以及机械和电气性能协同提升研究。
李琦，博士，清华大学长聘教授，博士生导师，国家海外高层次引进人才，国家优青项目获得者。主要围绕介电高分子及其复合材料开展关键基础及应用技术研究，在Nature、Nature Materials、Nature Nanotechnology等期刊发表SCI论文150余篇。获北京市自然科学一等奖、中国机械工业科学技术奖二等奖、IEEE介电绝缘学会青年学者成就奖等荣誉。
本工作成果发表在2025年第23期《电工技术学报》，论文标题为“基于乙烯共聚的高压抗冲共聚聚丙烯电缆绝缘材料机械和电气性能的协同优化“。本课题为国家自然科学基金资助项目。
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