关于氢键作用机制在构建PP/ETFE共晶超分子中的研究及其空间电荷特性

《Polymer》：Study on the Mechanism of Hydrogen Bond to Construct PP/ETFE Co-Crystalline Supramolecules and its Space Charge Characteristics

聚丙烯（PP）通过接枝羟基苯偶姻酮（AHB）形成PP-g-AHB，聚四氟乙烯共聚物（ETFE）接枝甘油（GL）形成ETFE-g-GL，熔融共混制备PP/ETFE共晶超分子材料。利用氢键构建分子间强相互作用，结合分子动力学模拟和微观结构表征，证实当PP-g-AHB质量分数为80%时，共晶尺寸达390±10 μm，载流子迁移率降低至7.94×10^-13 m2/(V·s)，电荷密度最小为0.08 C/m3，显著抑制空间电荷积累，提升HVDC电缆绝缘性能。

　　聚丙烯（PP）作为一种新型电缆绝缘材料，近年来因其环保优势和优异的电性能受到了广泛关注，并逐渐取代了交联聚乙烯（XLPE）。然而，在高电场作用下，PP仍然存在显著的空间电荷积累问题，这严重制约了其在高压直流（HVDC）电缆绝缘系统中的长期运行可靠性。因此，如何有效抑制PP中的空间电荷积累，成为推动其工程应用的关键研究方向。

为了应对这一挑战，研究团队提出了一种结合化学接枝与氢键构建的改进方法。通过将特定的官能团引入PP分子链中，使其能够与ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物）形成氢键，从而改变PP/ETFE的微观结构，进而改善其电性能。这种方法不仅能够提升PP的绝缘性能，还能够有效控制空间电荷的积累行为，为PP在HVDC电缆绝缘中的应用奠定了基础。

研究过程中，PP被化学接枝上丙烯氧-2-羟基苯并二氢酮（AHB）形成PP-g-AHB，而ETFE则被化学接枝上甘油（GL）形成ETFE-g-GL。随后，通过熔融共混的方法制备PP/ETFE共晶超分子结构。这种结构的形成依赖于氢键的引入，氢键不仅能够增强分子间的相互作用，还能改变材料的电荷传输特性。通过分子动力学模拟，结合微结构表征技术，研究团队分析了氢键对PP/ETFE共晶超分子结构中空间电荷抑制的影响。

实验结果表明，PP-g-AHB和ETFE-g-GL能够很好地形成PP/ETFE共晶超分子结构，这主要得益于氢键的存在。当PP-g-AHB的质量分数达到80%时，PP/ETFE共晶超分子结构的结晶尺寸最大，达到390±10微米。在直流电源的作用下，PP/ETFE共晶超分子结构的载流子迁移率极低，仅为7.94×10^-13平方米每伏秒（m2/(V·s)），且空间电荷主要由异极性主导，当平均电荷密度降至0.08库仑每立方米（C/m3）时，这种现象尤为明显。这些数据表明，通过氢键作为桥梁，PP/ETFE共晶超分子结构的电荷传输特性得到了显著改善。

此外，研究团队还对不同改性方法的效果进行了比较分析。现有的改性方法主要包括共聚改性、成核剂改性以及纳米掺杂等。其中，共聚改性虽然能够改变分子链结构，但其在组成比例和化学结构上的控制较为困难，难以实现精确的性能调控。成核剂改性虽然能够促进PP的结晶，提高其电性能，但由于成核剂通常为小分子或有机盐，容易在高温或高电场下迁移或分解，影响其在长期运行中的稳定性。纳米掺杂方法虽然能够引入深陷阱，提高材料的绝缘性能，但由于纳米颗粒容易聚集，可能引入结构弱点，从而降低纳米复合材料的综合性能。

相比之下，化学接枝改性方法具有明显的优势。通过将小分子官能团化学接枝到PP分子链上，可以实现对材料结构的精确调控，同时增强分子间的相互作用，提高材料的稳定性。此外，氢键的引入进一步优化了材料的微观结构，使其在高电场下表现出更好的绝缘性能。研究团队通过实验和模拟相结合的方式，验证了这一方法的有效性，并发现PP/ETFE共晶超分子结构在氢键作用下，其电荷传输特性得到了显著改善。

为了进一步验证氢键对PP/ETFE共晶超分子结构的影响，研究团队还采用了多种微结构表征技术，包括红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）、偏振光显微镜（PLM）、X射线衍射（XRD）和差示扫描量热法（DSC）。这些技术的应用不仅能够直观地展示材料的微观结构变化，还能提供更深入的物理和化学信息。例如，红外光谱分析显示，PP-g-AHB和PP/ETFE共晶超分子结构均表现出特定的特征峰，这些特征峰与PP分子链的结构变化密切相关。通过这些数据，研究团队能够进一步确认氢键在PP/ETFE共晶超分子结构中的作用。

研究团队还发现，PP/ETFE共晶超分子结构的形成不仅依赖于氢键的引入，还与材料的化学结构和物理性能密切相关。通过调整AHB和GL的接枝比例，可以优化PP/ETFE共晶超分子结构的性能，使其在高电场下表现出更好的绝缘特性。此外，研究团队还发现，氢键的引入能够改变材料的陷阱深度和电荷密度，从而进一步抑制空间电荷的积累。这些发现为PP在HVDC电缆绝缘中的应用提供了重要的理论支持和实践指导。

通过本研究，不仅验证了化学接枝与氢键构建相结合的改性方法在改善PP电性能方面的有效性，还为PP在高压直流电缆绝缘中的应用提供了新的思路。未来，研究团队将继续探索这一方法在其他绝缘材料中的应用，进一步拓展其研究范围和应用前景。同时，他们还将关注氢键在不同环境条件下的稳定性，以确保其在实际应用中的可靠性。

综上所述，PP/ETFE共晶超分子结构的形成和优化，为解决PP在高电场下的空间电荷积累问题提供了新的解决方案。通过化学接枝与氢键构建相结合的方法，不仅能够提升PP的电性能，还能增强其在长期运行中的稳定性。这一研究结果为PP在高压直流电缆绝缘中的应用奠定了坚实的基础，也为相关领域的进一步研究提供了重要的参考。