随着科学技术的不断进步，电力建设领域逐渐成熟，对电力电缆的性能要求也不断提升。电力电缆应当具有良好的阻燃性能、绝缘性能和耐用性能，才能够延长电缆的使用寿命，减少安全风险[1-2]。目前，应用于电气电缆领域的绝缘材料包括橡皮绝缘材料、塑料绝缘材料、油浸纸绝缘材料等[3-4]。其中绝缘性塑料材料具有绝缘性能好、质量轻、易于加工成型、耐化学腐蚀性好等优势，在电气电缆应用广泛[5-6]。我国关于电气电缆领域的绝缘塑料研究较多。本研究以绝缘性塑料材料在电气电缆的应用研究为研究对象，概述绝缘性塑料的特点和种类，并基于不同种类的绝缘性塑料分析其优缺点。以电气电缆领域的应用较广泛的聚乙烯类塑料、聚氯乙烯塑料、氟类塑料和其他绝缘性塑料为例，分别概述绝缘性塑料在电气电缆领域的应用现状，总结绝缘性塑料在电气电缆领域中的应用优势和当前研究的不足之处，为电气电缆材料的研究提供参考。1绝缘性塑料概述绝缘性塑料是指绝缘性能良好、在一定的电压范围内不导电的塑料材料。电气电缆具有敷设间距小、线路压降小、安全可靠等优势。用于电气电缆的材料需要具有较好的阻燃性能、耐用性能和力学性能等[7-8]。但绝缘塑料并不是完全不导电，当外部场强发生变化后可能导致击穿、漏电、损耗，从而影响绝缘塑料的性能，加速老化过程。常见的绝缘性塑料包括聚乙烯类塑料、聚氯乙烯塑料、氟类塑料、聚酰胺塑料、聚氨酯塑料。在电气电缆领域常用的绝缘性塑料是交联聚乙烯塑料。交联聚乙烯是由聚乙烯塑料经过交联反应改性制成的复合材料。相比聚乙烯塑料，交联聚乙烯的电绝缘性能、力学性能、耐化学腐蚀性能和耐磨性能明显提升。目前，交联聚乙烯塑料在高压和超压电缆领域应用广泛[9-10]。2绝缘性塑料材料在电气电缆的应用2.1聚乙烯类塑料聚乙烯具有易于加工成型、密度低、良好的电绝缘性能等优势，在电气、电子领域广泛应用。但聚乙烯存在耐环境应力不强的问题，限制聚乙烯的进一步应用[11]。通过改性或发生交联反应，能够提升聚乙烯的力学性能[12]。目前，国内外关于绝缘性聚乙烯类塑料的研究主要集中于聚乙烯塑料的性能、生产工艺、改性条件等方面。对用于电气电缆领域的聚乙烯塑料的性能进行研究。宋明明等[13]探究不同高密度聚乙烯(HDPE)、线型低密度聚乙烯(LLDPE)、过氧化二异丙苯(DCP)含量下，对电缆用聚乙烯复合材料性能的影响。结果表明：LLDPE、DCP的添加量不同，对聚乙烯复合材料的力学性能影响较大。当DCP的添加量为0.5%，聚乙烯复合材料的最大拉伸强度为20.5 MPa，热分解温度升至445 ℃，环境应力开裂时间为600 h。刘露萍等[14]对电气电缆用交联聚乙烯塑料进行研究，探究交联聚乙烯塑料在热老化过程中电化学性能的变化。结果表明：随着老化时间的延长，交联聚乙烯的击穿场强和体积电阻率明显降低，老化70 h后，交联聚乙烯的击穿场强降低27%，体积电阻率数量级由老化初期的1×1017降至1×1015，极化指数由1.77降低至11.02。任冬雪等[15]对两种国产电缆绝缘专用低密度聚乙烯(LDPE)的性能进行研究。结果表明：长支链含量和结晶性能影响LDPE的电性能，结晶度和熔融温度越高，LDPE的体积电阻率越高。电气电缆用聚乙烯塑料的工艺条件也影响聚乙烯塑料的性能。郑阳等[16]针对高压电缆用绝缘交联聚乙烯的吸法工艺的影响因素进行研究，并测定交联聚乙烯绝缘电缆的负荷热延伸性能、电气强度。结果表明：最佳的生产工艺为吸收时间16 h、吸收温度70 ℃、振荡频率10 min-1，最佳的交联聚乙烯介电强度为45.04 MV/m，体积电阻率2.01×1015 Ω·m。刘美兵等[17]对电力电缆用超高压交联聚乙烯进行改性，并采用热失重法测定交联副产物的含量。结果表明：添加新交联助剂可以减少DCP的含量，改性的交联聚乙烯最佳的体积电阻率为2.6×1015 Ω·m，介电强度为42 MV/m。通过制备低副产物的超高压电缆绝缘材料，为交联聚乙烯的应用提供理论参考。付建英等[18]对聚乙烯电线电缆材料的高效复合抗氧剂进行研究，结果表明：同时加入抗氧剂1010和抗氧剂168，能够提升聚乙烯的加工性能和抗氧化性能，有利于延长聚乙烯电缆的使用寿命。2.2聚氯乙烯塑料聚氯乙烯具有良好的耐用性、电绝缘性能、力学性能和防潮性能，在高压电缆和低压电缆等领域广泛运用[19-20]。为提升电线电缆用聚氯乙烯的阻燃性能和耐腐蚀性能，马万里等[21]利用有机硅树脂改性聚氯乙烯塑料，改性的聚氯乙烯复合材料的极限氧指数最高为27.3%，明显高于纯聚氯乙烯塑料。同时，聚氯乙烯复合材料经过耐老化实验后，阻燃性能和力学性能较稳定。夏锐等[22]为提升聚氯乙烯电缆的阻燃性能，采用磷酸三(2-氯丙基)酯(TCPP)阻燃增塑剂、TCPP/纳米三氧化二锑(Sb2O3)复合阻燃剂，对聚氯乙烯进行改性。结果表明：TCPP的添加量为10份时，聚氯乙烯复合材料的极限氧指数从25.6%提升至26.7%，纳米Sb2O3的加入降低聚氯乙烯的力学性能和体积电阻率，但能够明显提升聚氯乙烯的阻燃性能。樊晓伟等[23]采用磷酸甲苯二苯酯(CDP)为阻燃剂，以提升电缆用聚氯乙烯材料的阻燃性和抗老化性。结果表明：增加CDP后，聚氯乙烯复合材料的热释放速率和总热释放量分别降低53.6%和51.65%，经过老化实验后，复合材料的热稳定性变化较小，进一步说明改性后聚氯乙烯材料的耐老化性能和阻燃性能略有提升。软聚氯乙烯塑料在制备中添加碳酸钙、炭黑等添加剂，这些添加剂容易导致电缆受细菌污染，造成电缆材料分解，进而影响使用。刘东阳等[24]制备海藻碳量子点(SCDs)，并用于改性电缆护层级软聚氯乙烯塑料。结果表明：经过改性的聚氯乙烯复合材料的抗菌率达到90%以上，且体积电阻率为1 010 Ω·m。刘玉成等[25]制备防虫的聚氯乙烯电缆材料，结果表明：当联苯菊酯(BF)的添加量为0.05 g，氢氧化镁阻燃剂的添加量为2 g，聚氯乙烯复合材料的防护评级为1级，对白蚁的杀伤力达到99.8%，拉伸强度为21.78 MPa。该研究能够提升聚氯乙烯电缆的储存耐久度，改性后聚氯乙烯复合材料具有良好的应用潜力。热变形性能变差容易导致电缆材料出现变形、开裂等问题。陈鼎等[26]通过控制变量法测定温度、载荷、热老化周期等影响因素对聚氯乙烯电缆绝缘热变形性能的影响。结果表明：温度、载荷与聚氯乙烯电缆绝缘的热变形性能为负相关关系，与热老化时间为负幂函数关系。陈鼎等[27]采用Abaqus/Explicit准静态分析方法，对电缆用聚氯乙烯绝缘材料的热变形过程进行研究。结果表明：聚氯乙烯电缆绝缘材料的径厚比越小，材料的热变形性能越好。该研究为优化聚氯乙烯的电缆加工参数提供参考。宋建强等[28]采用超细活性CaCO3对聚氯乙烯材料进行改性提升复合材料的力学性能和表面光泽度。结果表明：CaCO3用量为10份时，聚乙烯复合材料的拉伸强度为23 MPa，断裂伸长率为3.1%。随着CaCO3用量的增加，电缆料的表面光泽度下降。2.3氟类塑料氟类塑料具有良好的耐热性能、阻燃性能和电化学性能，被广泛用于电气电缆绝缘保护套。目前电气电缆用氟塑料种类主要包括聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯、聚三氟氯乙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物、聚偏氟乙烯等[29-32]。聚四氟乙烯由于电化学性能优异，能够在高频率和超高频率下使用，也是射频同轴电缆常用的材料。肖志军等[33]对同轴射频电缆用低密度（微孔）聚四氟乙烯的电化学性能进行测定，结果表明：聚四氟乙烯材料的电阻率是1017 Ω·m，相对介电常数是2.05，同时具有较好的柔韧性、屏蔽性能，运用于低损耗同轴射频电缆具有良好的前景。李玉庆等[34]对低损耗纵孔聚四氟乙烯绝缘同轴电缆的应用条件进行优化。当绝缘电缆的外径为3 mm，内导体外径为1.05 mm，纵孔数量为4~5时，制备的聚四氟乙烯塑料具有较宽的使用温度范围、良好的屏蔽性能、高频下损耗低等优势。聚全氟乙丙烯具有良好的化学稳定性和可加工性能，适用于多种应用环境。包光宏等[35]对聚全氟乙丙烯通信电缆的燃烧特性的影响因素进行研究。结果表明：电缆的排列方式和热边界条件，对聚全氟乙丙烯通信电缆火焰蔓延性产生较大影响，点火源功率则影响较小。聚全氟乙丙烯绝缘通信电缆燃烧性能可达到B1级。陶士芳等[36]对稳相电缆聚全氟乙丙烯护套挤塑加工条件进行研究，以此减少聚全氟乙丙烯制作过程中出现的流动不稳定性、熔融状态破裂等问题，提升电缆的性能。结果表明：配模系数为1.05~1.15，拉伸比为5~30，挤出温度恒定时，制备的聚全氟乙丙烯护套性能更优。2.4其他类塑料除了上述的几种塑料材料，聚氨酯塑料、聚酰胺塑料、聚砜塑料、聚苯醚塑料在电气电缆领域中有所运用[37-39]。杨志星等[40]以聚醚多元醇、甲苯二异氰酸酯为改性剂对聚氨酯高压电缆接头材料进行改性。结果表明：通过质量分数为20%的阻燃剂TCPP、异丙苯基苯基磷酸酯(IPP)或磷酸三乙酯(TEP)，制备的复合聚氨酯材料的阻燃等级均达到FV-0级，且体积电阻率大于1×1010 Ω·cm，符合行业标准。南钰等[41]以片状氮化硼为改性剂，氢氧化铝和三聚氰胺磷酸盐为阻燃剂，季戊四醇为成炭剂，加入其他分散剂和增黏剂，制备聚氨酯和丙烯酸系聚合物水基阻燃电缆涂料，对比研究片状氮化硼对阻燃涂料的阻燃性能和力学性能的影响。结果表明：氮化硼改性能够提高涂层的阻燃性能，能够降低涂层的热释放速率、总生烟量、质量热损失速率。添加氮化硼改性剂还能够提高涂料的力学性能，在阻燃剂添加量为30%、氮化硼改性剂的添加量为15%时，丙烯酸系聚合物涂料的拉伸强度可以达到9.72 MPa，而氮化硼改性的聚氨酯涂料的拉伸强度达到11.77 MPa。研究表明经过改性的聚氨酯材料的综合性能明显提升。任洛卿等[42]采用聚苯醚(PPO)、聚苯硫醚(PPS)对聚酰胺塑料材料进行改性，并测定复合聚酰胺塑料的力学性能、电气绝缘性能和阻燃性能。结果表明：PPO、PPS改性的复合聚酰胺塑料的阻燃等级分别为UL-94的HB、UL-94的V-2，且电阻率达到电气行业通用标准，体积电阻率大于1×1015 Ω·m。经过改性的聚酰胺塑料综合性能明显提升，在高压电缆领域的应用价值略有提升。聚砜绝缘塑料在特种射频同轴电缆中有较广泛的应用，于金旭等[43]对聚砜挤塑工艺参数进行研究，制备高绝缘电阻、高耐压性能射频同轴电缆。结果表明：较佳的工艺条件为螺杆转速控制在15~20 r/min，生产线速度控制在5~8 m/min范围内，偏心度应控制在10%以内。林碧娴[44]对电线电缆聚苯醚塑料进行改性，以次磷酸铝(AHP)和三聚氰胺氰尿酸盐(MCA)为阻燃剂，制备电线电缆聚苯醚热塑性弹性体(PPOW)，对材料的阻燃性能、热稳定性及热老化进行研究。结果表明：当阻燃剂总用量为40份，AHP∶MCA为1∶1，PPOW能够通过UL-94(3 mm)的V-0级别，极限氧指数为27.2%。阻燃剂的加入有效改善PPOW的阻燃性能。3结论聚乙烯类塑料、聚氯乙烯塑料、氟类塑料、聚酰胺塑料、聚氨酯塑料等具有良好的电绝缘性能，通过适当的改性能够进一步提升材料的耐用性能、抗菌性能和抗氧化性能等。但目前对电气电缆材料的耐老化、电绝缘性能的实际案例相对较少，未来应当增加绝缘性塑料的老化性能影响因素研究，为实际的电气电缆材料应用提供参考。对绝缘性塑料的改性剂、加工工艺研究还需要进一步深入，以制造性能更优的绝缘性塑料。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.025.F001