电网是高效快捷的能源输送通道和优化配置平台，是能源电力可持续发展的关键环节，在现代能源供应体系中发挥重要的枢纽作用。国内电网公司以特高压电网为骨干网架的智能电网正在稳步推进，2020年国内变电站、换流站容量达到52.3亿千伏安，社会用电量5.83万亿千瓦时，保障经济发展对电力能源的需求。在电力高速发展的背景下，以变压器、电抗器为主的振动和噪声问题日益凸显[1-2]，尤其是一些老旧变电站，由于设备长期运行，造成老化噪声振动问题。针对老旧变电站噪声控制，目前主要采用辅助降噪方式如隔声屏障、隔声罩、减振器和消声器等[3-5]。聚乙烯(PE)是一种线型分子结构的高分子聚合物材料，具有优异的电气绝缘性能、加工性能和化学稳定性，在电力行业作为绝缘材料被广泛应用[6-8]。与传统金属隔声材料、无机隔声材料相比，PE具有质轻、黏弹性阻尼、易加工成型等优点，但由于PE的密度、刚度较低，无法满足变电设备的低频降噪需求[9-11]。已有研究表明，加入填料改性PE，能够有效提升PE复合材料隔声性能，多维空间材料可以在较低的添加量下，明显提高复合材料的隔声性能[12-14]。氧化锌(ZnO)具有优异吸波、抗菌、热稳定性能[15]。本实验以低密度聚乙烯(LDPE)为基体材料，选用球状氧化锌(S-ZnO)、四针状氧化锌(T-ZnO)为增强填料，制备LDPE/ZnO复合材料，研究ZnO的含量、形貌对LDPE/ZnO复合材料性能的影响，为变电设备的噪声控制提供依据。1实验部分1.1主要原料低密度聚乙烯(LDPE)，2426H，密度0.92 g/cm3，兰州石化公司；四针状氧化锌(T-ZnO)，直径为0.8~1.5 μm，长径比约为10~15，成都交大晶宇科技有限公司；球状氧化锌(S-ZnO)，平均粒径50 nm，南通达西浓纳米科技有限公司；钛酸酯偶联剂，NDZ-101，南京曙光化工集团有限公司；石油醚，化学纯，天津市化学试剂。1.2仪器与设备橡塑实验密炼机，XSM-500，上海科创橡塑机械设备有限公司；平板硫化机，YX-25(D)，上海西玛伟力橡塑机械有限公司，X射线衍射仪(XRD)，D/Max2200PC，日本Rigaku公司；扫描电子显微镜(SEM)，ZEISS EVO18，德国ZEISS公司；电子万能试验机，EUT4304，深圳三思检测技术有限公司；动态热机械分析仪(DMA)，DMA8000，美国PE公司；阻抗管测试系统，4306T，丹麦B&K公司；热重/差热同步分析仪(TG)，TGA/DSC-1，瑞士METTLER TOLEDO公司。1.3样品制备1.3.1ZnO粉体改性称取钛酸酯偶联剂1 g，溶于石油醚中，充分搅拌后进行超声处理，加入50 g ZnO粉体，搅拌30 min，升温至60 ℃，继续搅拌30 min，搅拌后放入90 ℃真空烘箱中烘干，获得改性ZnO粉体填料。1.3.2LDPE/ZnO复合材料制备表1为LDPE/ZnO复合材料的配方。将密炼机预热至160 ℃，按表1配方加入称量好的LDPE基体和改性ZnO填料，共混30 min，使其混合均匀，将混合物置于模具中使用平板硫化机进行热压成型，样品硫化厚度为2 mm，硫化温度为160 ℃，硫化压力20 MPa，硫化时间为10 min。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.005.T001表1LDPE/ZnO复合材料的配方Tab.1Formula of LDPE/ZnO composites样品LDPES-ZnOT-ZnOLDPE5000LDPE/S-ZnO（3%）501.50LDPE/S-ZnO（5%）502.50LDPE/S-ZnO（10%）505.00LDPE/T-ZnO（3%）5001.5LDPE/T-ZnO（5%）5002.5LDPE/T-ZnO（10%）5005.0gg1.4性能测试与表征XRD测试：Cu靶，Ｋα射线，λ＝0.154 18 nm，扫描速率为２ (°)/min。SEM分析：将标准试样拉伸至断裂，对断面喷金处理，观察断面微观形貌。拉伸性能测试：按GB/T 1040.3—2006进行测试，初始间距50 mm，拉伸速率为200 mm/min。阻尼性能测试：采用拉伸模式，样品尺寸40 mm×5 mm×2 mm，频率125 Hz，温度范围-60~100 ℃，升温速率5 ℃/min，应变幅值0.05%，预紧力0.01 N。隔声性能测试：按GB/T 18696.2—2002进行测试，阻抗管内径100 mm，试样尺寸为Φ100 mm×2 mm，采集100~4 000 Hz频率范围内的隔声量。热稳定性测试：N2气氛，升温速率10 ℃/min。2结果与讨论2.1XRD分析采用XRD对改性前不同形貌ZnO的物相进行分析，图1为S-ZnO和T-ZnO的XRD图谱。从图1可以看出，与六方晶系纤锌矿结构的ZnO标准卡片对比，两种形貌ZnO的衍射图谱与标准卡片完全吻合，均为六方晶系纤锌矿结构，此外T-ZnO衍射峰宽度相对较窄，衍射峰尖锐，无其他杂峰，表明T-ZnO结晶较好，纯度较高。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.005.F001图1T-ZnO和S-ZnO的XRD谱图Fig.1XRD patterns of T-ZnO and S-ZnO2.2力学性能分析图2为ZnO含量及形貌对LDPE/ZnO复合材料的力学性能的影响。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.005.F002图2ZnO含量、形貌对LDPE/ZnO复合材料力学性能的影响Fig.2Effects of ZnO content and morphology on mechanical properties of LDPE/ZnO composites从图2可以看出，随着ZnO含量的增加，LDPE/ZnO复合材料的抗拉强度呈先增大后减小的趋势，ZnO含量为5%时抗拉强度最大，LDPE/S-ZnO、LDPE/T-ZnO复合材料抗拉强度分别为13.49 MPa、13.84 MPa。复合材料抗拉强度的提升是由于偶联剂改性的ZnO粒子和LDPE具有良好的界面相容性，ZnO粒子可吸附在LDPE分子链上，通过界面相互作用LDPE分子间的相互联结，ZnO粒子起交联点的作用。当复合材料受力拉伸，拉力会通过联结点ZnO分散传递，由更多分子链共同承受，起应力分配作用，尤其是填料为T-ZnO时，交联作用更明显，使其抗拉强度提高。而当ZnO添加量较高，ZnO粒子与LDPE共混不易分散，容易团聚，导致界面缺陷增多，力学性能降低。LDPE/ZnO复合材料的断裂伸长率随ZnO含量的增加而下降。原因可能是由于在外力作用下，LDPE/ZnO复合材料中ZnO粒子的存在，使分子运动变困难。填料添加量为5%时复合材料综合力学性能最好，图3为填料添加量为5%时LDPE/ZnO复合材料SEM照片。从图3可以看出，暗场为LDPE基体，亮场为ZnO粒子，质量分数为5%的S-ZnO和T-ZnO粒子均匀分散在LDPE基体中，和前面所述一致，ZnO粒子与LDPE联结在一起，可阻碍分子链运动。图3LDPE/ZnO复合材料SEM照片Fig.3SEM images of LDPE/ZnO composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.005.F3a1(a)LDPE/S-ZnO(5%)10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.005.F3a2(b)LDPE/T-ZnO(5%)2.3阻尼性能分析阻尼性能是影响LDPE/ZnO复合材料隔声性能的重要因素之一，图4为填料的不同添加量下LDPE/ZnO复合材料的损耗因子(tanδ)曲线。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.005.F004图4填料的不同添加量下LDPE/ZnO复合材料tanδ曲线Fig.4Tanδ curves of LDPE/ZnO composites under different content of filler从图4可以看出，随着ZnO含量的增加，LDPE/ZnO复合材料损耗因子峰值(tanδmax)呈现降低趋势，纯LDPE的tanδmax为0.310，LDPE/S-ZnO(5%)和LDPE/T-ZnO(5%)复合材料的tanδmax分别降至0.270和0.274。值得注意的是，ZnO的添加虽然降低复合材料的tanδmax，但其阻尼温域被拓宽。此外在0~40 ℃区间，复合材料的阻尼性能有所提升。主要是因为ZnO的加入限制基体分子链的运动，增大应力应变的相位滞后，拓宽复合材料的阻尼温域范围。另外，填料的加入增加材料内部的摩擦损耗，声波入射材料内部需要克服更大的阻力，从而提升复合材料的隔声性能。2.4隔声性能分析图5为填料的不同添加量下LDPE/ZnO复合材料的隔声性能曲线。从图5可以看出，LDPE/ZnO复合材料隔声频率曲线同单层均质墙板相似，当入射频率较低，随着频率增大，隔声量逐步降低，当声波频率(125 Hz)与材料固有频率共振，显著降低材料的隔声量。当入射频率大于共振频率，在125~1 600 Hz范围内复合材料隔声量整体呈现增大的趋势，在吻合效应区(2 000~2 500 Hz)降低。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.005.F005图5填料不同添加量下LDPE/ZnO复合材料隔声性能曲线Fig.5Sound insulation property curves of LDPE/ZnO compositesunder different content of fillerLDPE/ZnO复合材料整体具有良好的隔声性能，纯LDPE平均隔声量为22.5 dB(A)，平均隔声量为100~4 000 Hz内17个1/3倍频程平均值。ZnO的加入可明显提升复合材料的隔声量，隔声性能的提升主要是由于LDPE/ZnO复合材料具有一定的阻尼性能，当声波入射，声波在材料中传播需要克服更大的阻力，消耗更多声能。而材料的内部结构也是影响隔声性能的另一个原因，ZnO的加入在LDPE基体内形成无数个物理联结点，联结点均匀分散于LDPE分子链间。当声波作用于LDPE/ZnO复合材料，振动能量通过分子链传递。当能量传递至联结点，相互联结的分子链通过相互拉扯、滑移以及振动消耗能量。当ZnO含量从0增至5%，复合材料隔声性能逐渐上升，隔声量达到26.9 dB(A)。虽然ZnO含量为3%的复合材料阻尼性能相对较好，但ZnO含量为5%时，复合材料内部物理联结点更多，耗散能力更强，因此LDPE/ZnO(5%)复合材料隔声性能最优。与拉伸性能相似，相同含量的T-ZnO相对于S-ZnO提升效果更明显，而当ZnO含量继续增至10%，由于填料间相互团聚，对LDPE/ZnO复合材料隔声性能改善不大。2.5热稳定性分析图6为纯LDPE和LDPE/ZnO复合材料的TG曲线。从图6可以看出，纯LDPE的热分解过程为一阶失重，主要与LDPE的大分子链断裂和低分子物质形成及挥发有关。LDPE起始分解温度(T5%)为427.5 ℃，ZnO的引入使LDPE复合材料的T5%提升，向高温区偏移，添加量越多，偏移越明显。LDPE/T-ZnO(5%)复合材料的T5%达到442.1 ℃，这表明ZnO的加入可以提升LDPE的热稳定性，此外T-ZnO的提升效果更强，主要是由于ZnO粒子表面能极高，可将LDPE分子链吸附在其表面形成较强的界面相互作用。T-ZnO在LDPE形成三维空间网格结构，对LDPE基体具有“钉扎作用”，使LDPE分解速率降低，需要更高的温度才能够使聚合物降解。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.005.F006图6纯LDPE和LDPE/ZnO复合材料TG曲线Fig.6TG curves of pure LDPE and LDPE/ZnO composites3结论（1）经钛酸酯偶联剂表面改性的ZnO与LDPE具有良好的界面相容性，复合材料的抗拉强度随着ZnO质量分数的增加而增大。LDPE/T-ZnO(5%)复合材料抗拉强度最高，归因于ZnO粒子在LDPE基体内构建的空间网格结构。（2）ZnO粒子的添加虽然会降低LDPE的阻尼因子峰值，但可以拓宽LDPE/T-ZnO复合材料的阻尼温域，提升复合材料室温区0~40 ℃的阻尼性能。（3）填料添加量在5%以内可以有效提升LDPE复合材料的隔声性能，T-ZnO的改善效果更明显。当ZnO过量，对LDPE复合材料的隔声性能提升不大。（4）ZnO的添加没有改变LDPE基复合材料的热分解过程，仍为一阶失重，但降低LDPE的分解速率，提高材料的热稳定性。