聚合结构调制赋予聚丙烯共聚物优异的介电性能，使其成为环保电缆绝缘材料的理想选择

《Polymer》：Aggregated structure modulation endows polypropylene copolymer with enhanced dielectric properties for eco-friendly cable insulation

高压电缆绝缘材料聚丙烯共聚物介电性能与结晶结构关系研究。通过实验与模拟发现，引入橡胶相使结晶度降低21%，增加无定形相和界面区域，导致载流子迁移率提升。控制冷却速率可优化材料性能，使电场畸变降低12.2%，击穿强度提升22%。

　　聚丙烯（PP）因其稳定的结构和优异的绝缘性能，尤其是在高温环境下，被认为是一种适用于高压直流电缆绝缘材料的理想选择。随着对更高电压等级和更大传输容量的需求增长，PP在电缆绝缘领域的应用前景广阔。相较于传统的交联聚乙烯（XLPE）电缆，PP绝缘电缆在整个生命周期中展现出显著的环境优势。这些优势包括采用更清洁的生产工艺、运行过程中能量损耗较低以及在使用寿命结束后可完全回收利用。因此，PP在电缆绝缘领域引发了广泛关注。

然而，尽管PP具有优良的绝缘性能，其纯聚丙烯（PPH）版本在实际应用中仍存在一定的局限性。PPH的高刚性使其难以直接作为电缆的主绝缘材料，特别是在需要提高材料韧性的情况下。为了满足实际工程需求，通常需要通过改性手段，如共混、接枝和共聚等方式来增强其韧性。在众多基于PP的材料中，冲击聚丙烯共聚物（IPC）因其卓越的机械性能和良好的加工性，成为工业应用中的优选材料。IPC通常通过引入橡胶相来改善其脆性，从而提高材料的抗冲击性能和韧性。

尽管IPC在机械性能方面表现出色，但其橡胶相的引入对材料的绝缘性能产生了一定的影响。具体而言，橡胶相的加入会降低材料的结晶度，同时增加无定形相的含量，并引入更多的界面区域。这些结构变化对材料的电性能产生重要影响，特别是在电场作用下，电荷迁移行为可能会受到影响。因此，研究IPC的结构特性及其对电性能的影响具有重要意义。

本研究通过实验与模拟相结合的方法，深入探讨了IPC中聚集结构对其电性能的影响机制，并进一步提出了有效的调控策略。实验结果表明，橡胶相的引入能够降低材料的结晶度高达21%，同时增加晶-非晶界面的数量。由于电子跃迁更倾向于发生在无定形相中，而晶体相由于其较宽的能带，电子跃迁的可能性较低。此外，局部态能级的存在使得载流子在无定形相和界面区域中更容易通过跳跃方式进行迁移，尤其是在这些区域中杂质和缺陷较多的情况下。因此，在90 °C条件下，IPC的导电性约为PPH的十倍。

为了在不破坏晶体结构的前提下有效调控材料的导电性，研究还发现适当提高冷却速率能够缩短或阻断载流子的连续迁移路径。这种调控方式不仅能够保持材料的机械性能，还能显著降低由于空间电荷积累引起的电场畸变，并提高材料的击穿强度。通过这种调控策略，电场畸变降低了约12.2%，击穿强度提高了22%。

在本研究中，我们选择了IPC作为研究对象，PPH作为对照组。首先，研究了橡胶相的引入对聚合物聚集结构，特别是晶体结构的影响。随后，通过模拟方法比较了晶体相、无定形相和界面区域的结构与性能的异同。在此基础上，分析了结构特性对电性能的影响机制。最后，基于上述研究基础，提出了一种通过调控冷却速率来协同提升材料机械性能和电性能的方法。

通过实验和模拟的结合，我们发现IPC的聚集结构对其电性能具有重要影响。在实验中，我们观察到随着冷却速率的增加，橡胶相的尺寸和分布变得更加均匀。这一现象可以归因于快速冷却能够有效阻止橡胶相的进一步聚集，从而改善其在基体中的分布情况。同时，通过模拟方法，我们发现无定形相和界面区域对载流子迁移的阻碍能力显著低于晶体相。因此，IPC的导电性明显高于PPH。

在本研究中，我们还探讨了IPC在不同电场条件下的电性能表现。通过模拟和实验的结合，我们发现IPC在电场作用下，其电荷迁移行为更加活跃，特别是在材料的无定形相和界面区域。这表明，IPC的结构特性对电性能具有重要影响，尤其是在高电场环境下，其电性能可能会受到影响。因此，调控IPC的结构特性，使其在保持优良机械性能的同时，进一步优化其电性能，是提升其在高压电缆绝缘领域应用价值的关键。

此外，我们还发现IPC的电性能与材料的热历史密切相关。在不同的加工过程中，如加热熔融、冷却结晶和高温退火等，都会对材料的结构和性能产生影响。因此，在实际工业应用中，通过调控加工参数，如冷却速率，可以有效优化材料的性能。这不仅能够提高材料的机械性能，还能改善其电性能，使其更加适用于高压电缆绝缘领域。

本研究的结果表明，通过调控IPC的冷却速率，可以有效缩短或阻断载流子的连续迁移路径，从而降低电场畸变并提高击穿强度。同时，橡胶相的引入虽然降低了材料的结晶度，但通过适当的加工条件，可以优化其分布情况，使其在保持优良机械性能的同时，进一步改善其电性能。因此，IPC作为一种具有广泛应用前景的材料，其结构特性对电性能的影响机制值得深入研究。

本研究不仅为理解PP及其共聚物的电性能提供了新的视角，也为实际工业应用中的材料优化提供了理论支持。通过实验和模拟的结合，我们发现IPC的电性能与其结构特性密切相关，特别是在材料的无定形相和界面区域。因此，进一步研究IPC的结构特性及其对电性能的影响机制，对于提升其在高压电缆绝缘领域的应用价值具有重要意义。

此外，本研究还强调了在材料研究中，不能忽视结构异质性对性能的影响。传统的研究往往将PP视为均质结构材料，忽略了晶体相和无定形相之间的性能差异。而实际上，这些性能差异对电荷迁移行为具有重要影响，特别是在直流电场作用下。因此，深入研究IPC的结构特性及其对电性能的影响机制，对于理解其在实际应用中的表现具有重要意义。

综上所述，本研究通过实验和模拟相结合的方法，系统地分析了IPC的结构特性及其对电性能的影响机制。研究结果表明，通过调控冷却速率，可以有效改善IPC的电性能，同时保持其优良的机械性能。这不仅为材料科学领域提供了新的研究思路，也为实际工业应用中的材料优化提供了理论支持。未来的研究可以进一步探索IPC在不同加工条件下的性能表现，以及其在高压电缆绝缘领域的应用潜力。