中国故事：共价自适应网络为聚乙烯电缆绝缘带来可持续性

《IEEE Electrical Insulation Magazine》：Stories from China: Covalent Adaptable Networks Bring Sustainability to Polyethylene Cable Insulation

　　摘要：交联聚乙烯（XLPE）是现代高压绝缘系统和电力设备的基础绝缘材料，因为它兼具低介电损耗与优异的机械完整性 [1]、[2]。然而，在强电场、高温和机械应力的长期作用下，XLPE 可能发生渐进性损伤，例如微裂纹、电晕引起的劣化和电树枝化，最终可能演变为严重的设备故障和安全隐患 [3]。由于 XLPE 的固化是不可逆的，永久网络结构一旦受损便难以原位自修复，其寿命终止后的回收利用也大多局限于能量回收或降级利用 [4]。最近，Jun-Wei Zha 及其合作者报道了一种基于共价 adaptable 网络（CANs）的聚乙烯绝缘新概念，具备自修复和可回收性能。该研究论文已发表于《Advanced Materials》[5]。他们的策略通过铜催化胺化反应在聚乙烯主链上引入动态反应位点，随后通过动态共价交联形成可调节的网络结构。通过实现双重动态键交换，所制材料在遭受机械和电学损伤后能够恢复到接近 100% 的性能，同时保持电缆绝缘所要求的运行稳定性。图1. 具有永久交联与动态共价交联的共价 adaptable 网络（CANs）结构设计与机理示意图。(a) CANs 的分子结构设计。(b) 反应机理示意图。(b1) 铜催化低密度聚乙烯胺化反应机理示意图；(b2) 动态共价键交换机理。图2. 共价 adaptable 网络（CANs）对机械和电学损伤的自修复性能以及多次可回收性。(a) 具有双重动态共价键的动态交联网络的可逆重组。(b) XLPE、DPPE 和 DPE 中电树枝化生长与自修复过程的图像。(c) 原始与自修复后 CANs 的威布尔击穿强度。(d) DPPE 机械回收与溶剂回收流程的示意图。(e) DPPE 经过多次机械回收和溶剂回收后的威布尔击穿强度。本研究的核心思想是一种精心设计的网络结构，将"强"的永久交联与"弱"的动态共价交联相结合。永久网络保持电缆服役期间所需的结构完整性和绝缘稳定性，而动态网络则实现分子重排、自修复和再加工 [图 1(a)]。为实现这一构想，研究人员首先通过铜催化胺化反应在聚乙烯链上引入马来酰亚胺基团，从而避免了传统改性方法中常见的不可控链断裂和副反应 [图 1(b1)]。随后，他们引入了可逆的 Diels-Alder 键和二硫键交换，构建了具有可适应拓扑结构的双重动态 XLPE 网络 [图 1(b2)]。这种分子设计实现了功能与核心性能的出色平衡。所得材料 DPPE 的韧性达到 102.0 MJ·m?3，超过了传统 XLPE。值得注意的是，DPPE 表现出优异的电气可靠性，在 70°C、50 kV/mm 条件下的电场畸变率仅为 7%，而 XLPE 则为 27%。该材料的直流电导率更低，体积电阻率更高，表明其绝缘行为更为稳定。根据该研究，这些改进源于动态交联结构和极性官能团引入的深陷阱，它们有效抑制了空间电荷积累并阻碍电荷迁移。本工作最具突破性的一项进展是在聚乙烯电缆绝缘材料中实现了本征自修复。在 120°C 的热刺激下，DPPE 可通过动态键交换修复机械和电学损伤 [图 2(a)]。在电树枝化实验中，DPPE 中的损伤通道在自修复后大部分闭合，而在相同条件下传统 XLPE 仍无法修复 [图 2(b)]。电晕损伤后，其击穿强度可恢复到初始值的约 97%。即使遭受更严重的电击穿损伤，自修复效率仍可达到约 84% [图 2(c)]。这些结果证明，动态共价网络能够为电绝缘服役中遇到的复杂劣化提供可重复的自修复能力。这种可重排动态网络还赋予热固性聚乙烯独特的可回收优势。该团队分别通过热压实现了机械回收，通过溶解和再加工实现了溶剂回收 [图 2(d)]。在经历两次回收循环后，DPPE 经机械回收和溶剂回收后仍分别保留了原始韧性的 96% 和 88%，同时保持了较高的击穿强度，如图 2(e) 所示。重要的是，DPPE 能够在电学损伤后通过回收恢复其绝缘性能，凸显了网络设计的稳健性及其循环利用的潜力。总体而言，该研究表明电缆绝缘材料无需在高性能与可持续性之间二选一。通过在聚乙烯中引入合理设计的共价 adaptable 网络，研究人员赋予交联聚烯烃电缆绝缘材料自修复能力和可回收性，同时保留了高压应用所要求的服役稳定性。该工作为环境可持续的聚乙烯绝缘开辟了新的方向，并指向电力电缆材料更加耐久、循环的未来。致谢本报告内容由中国北方电力大学的 Jun-Wei Zha 提供（[e-mail]）。