高性能、大容量、低碳排、全链条自主国产化是我国“双碳”能源战略导向下新时代电力装备的重要发展趋势。作为电力装备的重要组成部分，大容量高压交直流电力电缆承载着新型高端电力装备的这一重要变革。这其中的关键问题就是新型高性能可回收电缆绝缘材料的研发。近年来大量研究与实践表明，化学接枝改性聚丙烯是解决这一问题的有效途径。这种材料不仅具有优秀的综合性能，还凭借其全链条自主国产化的先进生产工艺，以及热塑可回收低碳特性，实现了从实验室样品到成熟化工产品，从电缆样机到挂网运行的产学研紧密融合与工程应用。
一 聚丙烯的接枝改性技术与基团选择
聚丙烯接枝改性是在聚丙烯分子主链上接枝功能性基团侧基，实现宏观电性能的调控。根据反应方式的不同，接枝改性包括熔融接枝、溶液接枝、固相接枝、悬浮接枝、辐射接枝等，且各有优缺点。团队课题组与中石化（北京）化工研究院有限公司合作开发的水相悬浮接枝聚丙烯绝缘材料技术路线，具有综合性能优异、反应温和易控、改性效率高等优点，建设的千吨级生产线即将投入运行，并联合电缆生产厂家和国网、南网相关单位实现了电缆样机的制造与挂网运行。值得一提的是，本研究团队基于该项技术路线已经形成系列化电压等级电缆装备，制造出的110kV电缆通过了工作温度高达110+5℃的长期预鉴定试验和250℃/ 5s短路试验（国内首条），展现出本技术路线的先进性与应用价值。
接枝基团的化学结构是材料构效关系中最底层的一环，也是决定聚丙烯电性能的根本原因。笔者整理了目前文献报道的具有电性能提升效果的接枝基团化学结构(见图1)。可见目前可实现电性能增强的接枝基团基本都含有苯环和羰基两种特征官能团中的一种，抑或是两种的组合。具有芳香性的苯环含有离域共轭大π键，电子亲和能较高，电离能较低，能够作为电荷陷阱捕获载流子或起到电压稳定剂的效果；羰基官能团具有较强的极性和绝对值较高的局部静电势，能够充当电荷势阱调控电荷输运，最终达到调控宏观电性能的目的。
图 1 接枝改性基本原理与基团的选择
二 接枝聚丙烯的电性能
电缆绝缘材料的电性能主要包括三类：以击穿、电导、空间电荷、介电响应为代表的基础电性能、电树/水树特性，以及长期老化特性。
大量研究表明，接枝改性能够增强上述电性能指标的一项或多项。例如以苯乙烯为代表的非极性芳香基团能够有效提升基础电性能，包括最高30%的击穿场强提升，近两个数量级的泄漏电导抑制效果，以及更加均匀的空间电荷分布。其老化特性诸如氧化诱导期和预期寿命也得到显著提升。以马来酸酐和酯类为代表的极性基团也能够有效提升直流电性能，但因羰基这类强极性官能团的存在，接枝后材料的介电常数和介电损耗均有所上升。反过来说，也正是因为这类强极性官能团和电荷及极性水分子之间具有较强的静电相互作用，材料的电树和水树生长也被显著抑制。此外，有研究者采用含有酚羟基的抗氧剂分子直接接枝聚丙烯，取得了非常优异的材料抗老化效果，基础电性能也得到明显改善。
图 2 接枝聚丙烯的基础电性能
图 3 接枝聚丙烯的电树/水树特性
图 4 接枝聚丙烯的老化特性
三 接枝聚丙烯的电性能调控机理
接枝聚丙烯的电性能调控机理主要包括两个方面：一是纳米尺度下的陷阱电荷输运过程；二是微米尺度下凝聚态结构-电气性能之间的构效关系。
陷阱捕获外电场下的运动电荷，降低载流子迁移率，从而提升宏观电气性能。这一机制基本上已经为电介质研究领域所公认。对于接枝聚丙烯，陷阱可以分为接枝基团特殊化学结构产生的能级陷阱，以及接枝基团强极性或富电子区域产生的静电势阱。两者都能够显著影响载流子的输运特性，达到调控电性能的目的。在理论计算层面，电荷陷阱可以通过电子态密度谱(DOS)和分子静电势(ESP)的计算进行分析；在实验层面，材料的陷阱特性可以通过热刺激电流(TSDC)、等温表面电位衰减(ISPD)、电流密度-电场特性(J-E)分析、空间电荷消散分析等方法进行定性或定量表征。
图 5 接枝聚丙烯的陷阱理论
接枝侧基改变了聚丙烯分子链的微观排布，从而能够影响材料的凝聚态结构，特别是对结晶形貌和分子链间相互作用有显著影响。大量研究表明，接枝会影响聚丙烯结晶过程中的分子链有序折叠，使得球晶生长不完善，尺寸变小，边界变模糊，此时接枝基团起到了类似异相成核的作用。较小的球晶尺寸能够增加球晶边界处的电荷输运通道长度，提升材料的宏观电性能。此外，含有接枝侧基的聚丙烯分子链之间的缠结作用增强，起到类似物理交联的作用，能够在一定程度上抑制介电弛豫并延缓老化进程。
图 6 接枝聚丙烯的凝聚态与分子链相互作用
化学接枝改性能够显著提升聚丙烯的电性能，根源在于接枝基团特殊的化学结构能够引入电荷陷阱以抑制电荷输运，同时接枝的基团侧基能够影响聚丙烯分子链的排布和凝聚态结构，最终实现宏观电特性的调控。
