SEBS/PP较强的抗滑移能力，可高效抑制水树枝生长
武汉加油 共渡难关
工程电介质及其应用技术教育部重点实验室（哈尔滨理工大学）的研究人员高铭泽、赵洪、吕洪雷、陈俊岐、郑昌佶，在2019年第24期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“SEBS/PP复合材料抗水树枝性能研究”）指出，SEBS/PP较高的结晶度和由力学性能体现出的片晶之间较强的抗滑移能力是其抑制水树枝生长能力优于LDPE的主要原因。
该文采用水刀电极法对苯乙烯嵌段共聚物（SEBS）/聚丙烯（PP）复合材料和低密度聚乙烯（LDPE）进行加速水树枝老化实验，并通过结晶特性和力学特性实验对两者在抗水树特性上的差异进行分析。通过偏光显微镜（PLM）、差示扫描量热仪（DSC）和扫描电子显微镜（SEM）分别对材料的水树枝形貌和球晶结构、熔融-结晶特性以及片晶结构进行观察与分析，并选用动态热机械分析仪（DMA）和电子拉力机分别研究材料的动态松弛特性和应力-应变特性。
水刀电极法结果显示，高结晶度的PP与非结晶的弹性体SEBS没有发生水树枝老化，而SEBS/PP复合材料虽然出现水树枝结构，但其尺寸仍明显低于LDPE。结晶特性与力学特性实验结果显示，与LDPE相比，PP具有较高的结晶度与结晶尺寸，并且具有较高的机械强度和较低的动态松弛损耗因数；SEBS在复合体系中以“岛”相存在，PP片晶变细变短，并且其球晶边界也变得模糊，体现出更强的非晶特性，导致PP片晶之间在外力作用下的抗滑移能力降低。
挤压式塑料绝缘电力电缆具有电学和力学特性优异以及加工性能良好等优点。随着经济社会的持续发展，绿色环保、可回收利用的热塑性材料是电缆绝缘发展的重要趋势和必然要求。其中，具有较好机械强度、耐热性和电绝缘性能的热塑性材料聚丙烯（Polypropylene，PP）逐渐受到人们的青睐。
早在2002年，K. Kurahashi等研究者以间规聚丙烯（Syndiotactic Polypropylene，SPP）为主绝缘，并添加聚乙烯（Polyethylene, PE）与抗氧化剂共混制成世界上首例0.6kV和22kV聚丙烯电缆，研究发现交流击穿强度和介质损耗可满足实际应用的要求。
但聚丙烯材料本身也有一些缺点，如低温韧性差，不能直接用于电缆主绝缘，因此需在PP中添加适量弹性体（如苯乙烯嵌段共聚物（Styrene-Ethylene/ Butylene-Styrene triblock copolymer，SEBS）或乙烯-辛烯共聚物POE等）以改善其韧性，Changji Zheng等以等规均聚聚丙烯（Isotactic Polypropylene, IPP）和弹性体共混，研究发现共混物柔性增加，SEBS的掺入使得共混材料的击穿强度较PP出现不同程度的下降，其中SEBS组分为质量分数为25%的共混材料几乎保留了纯PP的耐电强度。在未来，聚丙烯极有可能作为电力电缆的主绝缘而得到更为广泛的应用。
从20世纪60年代起，电力电缆绝缘的水树枝老化现象逐渐引起了人们的注意。在潮湿环境中，电力电缆的绝缘在交变电场的作用下会逐渐吸收水分并形成水树枝结构，这种现象在中压电力电缆中尤其普遍。水树枝的存在不仅会造成电力电缆绝缘机械与介电性能劣化，同时有可能发展成电树枝结构，从而极大地影响电力电缆的使用寿命和运行可靠性。
为了有效提高绝缘的抗水树性能，学者们采用修复液注入技术以及无机纳米粒子来抑制或减缓绝缘中的水树枝老化现象。但是目前对水树枝老化现象的研究对象均为半结晶性聚合物PE或交联聚乙烯（Cross-Linked Polyethylene, XLPE），已有研究报道，具有高结晶度聚合物材料不易产生水树枝老化现象，但是高结晶度的聚丙烯与非结晶的弹性体共混材料耐水树枝老化现象尚无报道。因此，本文研究聚丙烯与弹性体共混的绝缘材料抗水树性能，并为其进一步的工程应用提供基础性能信息。
本文采用熔融共混法制备了SEBS/PP复合材料，并利用水刀电极法比较了其与传统电力电缆选用的热塑性材料低密度聚乙烯（Low-density Polyethylene, LDPE）的抗水树特性。
其中，PP材料选择目前研究最为广泛的IPP，而弹性体选择SEBS是由于其有一定的介电强度，可以获得具备优良的电气性能的复合材料，更贴近于实际工程应用。同时，本文还在结晶特性和力学特性上对两种材料体系进行了研究，以分析造成两者在抗水树性能上存在差异的原因。
图1 水树枝形貌观测结果
图2 SEM观测下SEBS在PP中的分散形态
图5 水树枝的电-机械应力生长机理示意图
本文采用水刀电极水法比较了SEBS/PP复合材料和LDPE的抗水树枝老化能力，并通过结晶特性与力学特性实验，分析了造成两种材料体系在抗水树性能上差异的原因。
1）高结晶度的PP和非结晶的弹性体SEBS两种材料本身具有极强的抗水树生长能力。PP和SEBS共混后虽然抗水树性能降低，但仍优于LDPE。
2）SEBS与PP共混后，非结晶的SEBS以“岛”相分布于结晶形态的PP“海”相中。SEBS的加入虽然对PP相的结晶度和结晶融化温度影响较小，但PP相的球晶边界变模糊，片晶变细、变短，形成更多片晶间非晶特质，增大了水树枝的生长空间。
3）SEBS的存在增强了PP片晶间的活动性，使微水珠更容易在不均匀电场作用下破坏材料形成水树枝通道。SEBS/PP复合材料较小的α损耗峰值和较高的屈服强度是其抗水树性能优于LDPE的重要原因。