新一代可持續(xù)電纜絕緣材料問世：自修復(fù)可回收聚乙烯技術(shù)取得突破

在電力傳輸領(lǐng)域，交聯(lián)聚乙烯（XLPE）因其優(yōu)異的電氣與機械性能，一直是高壓電纜絕緣的關(guān)鍵材料。然而，其在強電場與高機械應(yīng)力下易發(fā)生損傷，且傳統(tǒng)XLPE因交聯(lián)不可逆，無法實現(xiàn)損傷后的自修復(fù)與退役后的回收，給電力系統(tǒng)的長期可靠運行與資源循環(huán)利用帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

近日，北京科技大學(xué)查俊偉教授、清華大學(xué)萬寶全博士提出了一種創(chuàng)新的解決方案：通過銅催化胺化反應(yīng)制備功能化聚乙烯，并結(jié)合動態(tài)共價化學(xué)構(gòu)建可定制的共價自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)（CANs）。該材料利用雙動態(tài)共價鍵的交換能力，實現(xiàn)了接近100%的機械與電損傷后性能恢復(fù)效率，同時兼具優(yōu)異的可回收性。其巧妙結(jié)合的“強”永久交聯(lián)與“弱”動態(tài)交聯(lián)結(jié)構(gòu)，使材料韌性提升至102.0 MJ m?3，并在70°C下電場畸變率僅為7%，綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)XLPE，為下一代可持續(xù)電纜絕緣材料的發(fā)展開辟了新路徑。相關(guān)論文以“Covalent Adaptable Network Enables Sustainable Polyethylene for Next-Generation Cable Insulation”為題，發(fā)表在

Advanced Materials

研究團隊首先從分子結(jié)構(gòu)設(shè)計入手，通過銅催化胺化反應(yīng)在低密度聚乙烯鏈上引入馬來酰亞胺基團，避免了傳統(tǒng)改性方法中常見的鏈斷裂或過度交聯(lián)問題。隨后，采用含雙硫鍵的呋喃基分子作為動態(tài)交聯(lián)劑，通過迪爾斯-阿爾德環(huán)加成反應(yīng)構(gòu)建了兼具永久交聯(lián)與動態(tài)共價交聯(lián)的雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計使材料在正常工作時保持熱固性材料的穩(wěn)定性，而在受熱刺激下可發(fā)生拓撲重排，實現(xiàn)再加工與修復(fù)。

圖1. 具有永久交聯(lián)與動態(tài)共價交聯(lián)的CANs結(jié)構(gòu)設(shè)計與機制示意圖。 a) CANs的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計。b) LDPE的銅催化胺化反應(yīng)與動態(tài)交換機制。

在電氣性能方面，研究通過傅里葉變換紅外光譜證實了動態(tài)共價鍵的成功引入。雖然動態(tài)交聯(lián)的引入使擊穿強度略有下降，但其通過引入極性基團構(gòu)建的深陷阱能有效捕獲載流子，顯著抑制了空間電荷積累。密度泛函理論計算顯示，雙動態(tài)鍵的引入使材料具備更深的陷阱能級與更強的電荷束縛能力。在70°C、50 kV mm?1條件下，動態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的電場畸變率僅為7%，遠低于傳統(tǒng)XLPE的27%，表現(xiàn)出更穩(wěn)定的絕緣性能。

圖2. 聚乙烯絕緣材料的電氣性能與DFT計算。 a) XLPE、DPPE和DPE的介電性能；b) 三者的威布爾擊穿強度；c) DPPE的靜電勢分布；d) 通過DFT模擬的XLPE與DPPE的態(tài)密度；e) XLPE和f) DPPE在30°C下空間電荷分布隨衰減時間的變化；g) XLPE和h) DPPE在30°C下電場的時空分布；i) 聚乙烯介電材料中載流子傳輸示意圖。

材料的動態(tài)行為通過X射線光電子能譜與動態(tài)力學(xué)分析得到進一步驗證。動態(tài)共價鍵的引入顯著降低了材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，增強了鏈段運動能力。蠕變恢復(fù)實驗表明，材料在卸荷后能通過動態(tài)鍵交換恢復(fù)大部分應(yīng)變，表現(xiàn)出良好的網(wǎng)絡(luò)重排能力。這種可逆的迪爾斯-阿爾德反應(yīng)與雙硫鍵交換機制，為材料的自修復(fù)與回收提供了基礎(chǔ)。

圖3. CANs的動態(tài)特性。 a) DPPE的XPS譜圖（插圖為DPPE的N1s XPS譜圖）；b) XLPE和c) DPPE的C1s XPS譜圖；d) XLPE、DPPE和DPE在-100至180°C范圍內(nèi)的儲能模量比較；e) 三者在-150至150°C范圍內(nèi)的損耗因子比較；f) 三者在100°C下的蠕變-恢復(fù)實驗；g) CANs重排機制示意圖；h) XLPE、DPPE、DPE與當(dāng)前電纜標(biāo)準(zhǔn)的雷達對比圖。

在自修復(fù)與可回收性方面，該材料展現(xiàn)出卓越的多重損傷修復(fù)能力。無論是表面劃傷、電暈損傷還是電樹枝破壞，經(jīng)過120°C、12小時的熱處理后，損傷痕跡幾乎完全消失，電氣性能恢復(fù)率可達97%以上。此外，材料可通過熱壓或溶劑溶解-再沉淀的方式實現(xiàn)多次機械回收與溶劑回收，回收后仍能保持優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)與電氣性能，其擊穿強度在兩次回收后仍維持在280 kV mm?1左右。

圖4. CANs對機械與電損傷的自修復(fù)性能及多重可回收性。 a) 原始及自修復(fù)后DPPE和DPE在不同類型機械損傷下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；b) 原始及自修復(fù)后DPPE和DPE的威布爾擊穿強度；c) DPPE電暈損傷后的自修復(fù)效果：c1) 電暈損傷后與c2) 自修復(fù)后的DPPE SEM圖像；d) DPPE機械損傷后的自修復(fù)效果：d1) 機械損傷后與d2) 自修復(fù)后的DPPE SEM圖像；e) 具有雙動態(tài)共價鍵的動態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的可逆重組示意圖；f) XLPE、DPPE和DPE中電樹枝生長與自修復(fù)過程的圖像；g) DPPE的機械回收與溶劑回收過程示意圖；h) 多次機械回收與溶劑回收后DPPE的威布爾擊穿強度；i) 多次回收后DPPE的DSC曲線

長期老化實驗表明，該材料在135°C熱氧老化504小時后，力學(xué)性能仍保持初始狀態(tài)的約100%，且未出現(xiàn)明顯的羰基降解產(chǎn)物，顯示出優(yōu)異的抗老化穩(wěn)定性。此外，材料還具備良好的自清除特性、與金屬基底的增強粘附性以及改善的表面涂裝適應(yīng)性，為其在電纜絕緣中的實際應(yīng)用提供了多方面的性能保障。

圖5. DPPE的長期可靠性。 a) DPPE的熱氧老化性能：(a1) 不同老化時間后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，(a2) 威布爾擊穿強度，(a3) DSC曲線；b) 金屬化PE CANs的自清除性能評價：(b1) 金屬化PE CANs自清除過程示意圖，(b2) DPPE在室溫下多次電擊穿強度的威布爾分布分析；c) XLPE、DPPE和DPE的表面性能：(c1) 搭接剪切粘附測試過程示意圖，(c2) 三者作為粘附中間層的搭接剪切測試結(jié)果，(c3) XLPE與DPPE的剝離測試對比，(c4) 三者的水接觸角。

這項研究通過動態(tài)共價化學(xué)成功設(shè)計出一種兼具自修復(fù)、可回收、高韌性及優(yōu)異絕緣性能的聚乙烯電纜絕緣材料。其通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計構(gòu)建深陷阱，有效抑制電場畸變，顯著提升了材料的可靠性與使用壽命。該工作不僅推動了聚乙烯絕緣材料向環(huán)境友好與長壽命方向發(fā)展，也為新一代可持續(xù)電力裝備材料的開發(fā)提供了重要思路與技術(shù)基礎(chǔ)。