交聯聚乙烯

聚乙烯（PE）是五大通用塑料之一，其產量和消費量位居各種合成樹脂之首，在工業、農業和日常生活中得到廣泛的應用。但是聚乙烯的耐高温性能較差。力學性能及耐化學性能有時也不能滿足實際使用的要求。因此對聚乙烯進行改性一直是聚乙烯產品開發應用的關鍵，聚乙烯交聯技術就是提高其材料性能的一種重要技術。經過交聯改性的聚乙烯可使其性能得到大幅度的改善，不僅顯著提高了聚乙烯的力學性能、耐環境應力開裂性能、耐化學藥品腐蝕性能、抗蠕變性和電性能等綜合性能。而且非常明顯地提高了耐温等級，可使聚乙烯的耐熱温度從70℃提高到100℃以上。從而大大拓寬了聚乙烯的應用範圍。 ^[4] 

目前，交聯聚乙烯（XLPE）已經被廣泛應用於管材、薄膜、電纜料以及泡沫製品等方面。 ^[4] 

聚乙烯的分子由線性的分子鏈組成。當温度提高時，線性分子鏈之間的結合力（範德華力）就減弱，使整個分子材料發生形變，因而聚乙烯的耐温性能差。而交聯聚乙烯（XLPE） ^[10]  在分子間架起了化學鏈橋，使分子不能發生位移，克服了聚乙烯的不足。交聯聚乙烯和普通聚乙烯的性能比較見表1。 ^[4] 

交聯聚乙烯具有以下優點： ^[5] 

1、耐熱性能：網狀立體結構的XLPE具有十分優異的耐熱性能。在200℃以下不會分解及碳化，長期工作温度可達90℃，熱壽命可達40年。 ^[5] 

2、絕緣性能：XLPE保持了PE原有的良好絕緣特性，且絕緣電阻進一步增大。其介質損耗角正切值很小，且受温度影響不大。 ^[5] 

3、機械特性：由於在大分子間建立了新的化學鍵，XLPE的硬度、剛度、耐磨性和抗衝擊性均有提高，從而彌補了PE易受環境應力而龜裂的缺點。 ^[5] 

4、耐化學特性：XLPE具有較強的耐酸鹼和耐油性，其燃燒產物主要為水和二氧化碳，對環境的危害較小，滿足現代消防安全的要求。 ^[5] 

聚乙烯（[CH2-CH2]n，n-重複單元數）是含有碳氫兩種元素的高分子化合物，具有線型或支鏈式分子結構大分子鏈，常温條件下呈固態形式，在固態形式的聚乙烯中呈晶相和無定型相共存形式。聚乙烯的相對分子量在6千-30萬之間。 ^[5] 

聚乙烯的電氣絕緣性能優良，但因其耐熱性能不佳而影響了其用於電纜絕緣的使用原料。由於在無定型區內分子間相互作用較弱，大多數聚乙烯的熔融温度為140℃左右，在接近聚乙烯熔點時，其機械強度顯著下降，並且抗開裂能力也變差。 ^[5] 

當線型的大分子鏈經過化學或物理方法處理後以交聯鍵的形式連接的過程叫做交聯或稱為"硫化"。經過交聯的聚乙烯具有了網型和體型結構性質，其耐熱性能會隨着交聯度的提高而增強，相對熱延伸率也相應地下降。由於其機械性能和耐熱性能的顯著改善，從而成為被廣泛使用的電力電纜絕緣材料。 ^[5] 

聚乙烯經交聯形成交聯聚乙烯的方法分為化學方法和物理方法兩類，工業上實現的工藝方法主要有以下五種：高能輻照交聯、硅烷交聯、過氧化物交聯、紫外線交聯和鹽交聯。其中過氧化物交聯方式（也稱為化學交聯）是一種適合於生產中高電壓等級電纜的交聯方式，其原理是通過過氧化物的高温分解而引發的一系列自由基反應，進而使PE發生交聯。過氧化物受熱分解形成自由基，其交聯反應的過程如下： ^[5] 

聚乙烯的交聯方法有物理交聯（輻射交聯）和化學交聯兩種。化學交聯又分為硅烷交聯、過氧化物交聯。 ^[6] 

輻射交聯：將聚乙烯製品，如包覆在導線上的聚乙烯護套、薄膜、薄壁管等產品用γ-射線、高能射線進行照射進行交聯（引發聚乙烯大分子產生自由基，形成C-C交聯鏈）。交聯度受輻射劑量及温度的影響，交聯點隨輻射劑量的增加而增加，因此通過控制輻射條件，可以獲得具有一定交聯度的交聯聚乙烯製品。 ^[7] 

用輻射交聯法生產的交聯聚乙烯具有以下優點：交聯與擠塑分開進行，產品質量容易控制，生產效率高，廢品率低；交聯過程中不需要另外的自由基引發劑（如過氧化物等），保持了材料的潔淨性，提高了材料的電氣性能；特別適合於化學交聯法難以生產的小截面、薄壁絕緣電纜。但是輻射交聯也存在一些缺點，如對厚的材料進行交聯時需要提高電子束的加速電壓；對於像電線電纜這樣的圓形物體的交聯需將其旋轉或使用幾束電子束，以使輻照均勻；一次性投資費用相當可觀；操作和維護技術複雜，且運行中安全防護問題也比較苛刻等。 ^[8] 

化學交聯則是採用化學交聯劑使聚合物產生交聯，由線性結構轉變為網狀結構。 ^[5] 

交聯劑的選擇應視聚合物品種，加工工藝和製品性能而定，理想的交聯劑除滿足一些具體的要求外，還應具有如下基本要求：交聯率高，交聯結構穩定；加工安全性大，使用方便，加入樹脂後的有效期適中，無過早或過晚交聯之弊；不影響製品的加工性能和使用性能；無毒、不污染、不刺激皮膚和眼睛。 ^[9] 

在化學交聯中又有過氧化物交聯、硅烷交聯、偶氮交聯之分： ^[6] 

（1）過氧化物交聯及交聯劑

過氧化物交聯，一般採用有機過氧化物為交聯劑，在熱的作用下，分解而生成活性的遊離基，這些遊離基使聚合物碳鏈上生成活性點，併產生碳一碳交聯，形成網狀結構。該技術需要高壓擠出設備，使交聯反應在機筒內進行，然後使用快速加熱方式對製品加熱，從而產生交聯製品。所以採用過氧化物交聯法生產聚乙烯管材不易控制，產品質量不穩，連續作業比較困難。 ^[6] 

（2）偶氮交聯

該方法是將偶氮化合物混入PE中，並在低於偶氮化合物分解温度擠出，擠出物通過一高温鹽浴，偶氮化合物分解形成自由基，引發聚乙烯交聯。一般用於熔融温度較低的柏膠類材料，對於塑料很少有實際應用。 ^[6] 

（3）硅烷交聯及交聯劑

二十世紀六十年代研製成功硅烷交聯技術。該技術是利用含有雙鍵的乙烯基硅烷在引發劑的作用下與熔融的聚合物反應，形成硅烷接枝聚合物，該聚合物在硅烷醇縮合催化劑的存在下，遇水發生水解，從而形成網狀的氧烷鏈交聯結構。硅烷交聯技術由於其交聯所用設備簡單，工藝易於控制，投資較少，成品交聯度高，品質好，從而大大推動了交聯聚乙烯的生產和應用。除聚乙烯、硅烷外，交聯中還需用催化劑、引發劑、抗氧劑等。 ^[6] 

與其他方法相比，硅烷交聯法所得的聚乙烯產品具有如下優點： ^[1] 

（1）設備投資少，生產效率高，成本低。 ^[1] 

（2）工藝通用性強，適用於所有密度的聚乙烯，亦適用於大部分有填充料的聚乙烯。 ^[1] 

（3）不受厚度限制。 ^[1] 

（4）過氧化物用量少（僅為單獨用過氧化物交聯時的10%），因此在聚乙烯絕緣層生成微孔較少，有利於保持聚乙烯的高絕緣性。 ^[1] 

（5）耐老化性能好，使用壽命長。 ^[1] 

交聯聚乙烯由於具有優異的性能，被用作火箭、導彈、電機、變壓器等所需要的耐高壓、高週波、耐熱的絕緣材料和電線電纜包覆物．製造熱收縮管、熱收縮膜、各種耐熱管材、泡沫塑料、耐腐蝕的化學設備襯裏、部件及容器，製造阻燃建材等。目前用量最大的領域主要是電線電纜、管材和泡沫塑料等。 ^[4] 

以交聯聚乙烯作為絕緣的電纜的耐熱性比聚氯乙烯高，它可以在90℃下長期使用，短路時的耐熱温度最高可以達到250℃；絕緣電阻高，介質損耗角正切小，基本上不隨温度的變化而變化；有良好的耐磨性和耐環境應力開裂。交聯聚乙烯一旦發生電纜燃燒產生的是二氧化碳和水，而PVC電纜燃燒時產生的是氯化氫有害氣體；此外，交聯聚乙烯的密度比PVC小40%左右，可以明顯減輕架空線的質量。 ^[4] 

用交聯聚乙烯生產的管材具有蠕變強度高、耐腐蝕、重量輕、耐熱性好等優點。採用交聯聚乙烯的鋁塑複合管氣密性強，耐爆破應力大．具有抗靜電和屏蔽作用。 ^[4] 

交聯聚乙烯管材與聚氯乙烯管材和普通聚乙烯管材相比較，交聯聚乙烯管材不含增塑劑，不會黴變和滋生細菌；不含有害成分，符合FDA標準，可用於飲用水管；耐熱性好，普通聚氯乙烯和聚乙烯管材耐熱為60-75℃，而交聯聚乙烯管材為90℃，最高瞬時温度可以達到185℃，可耐-75℃低温；使用温度範圍寬，可以在-75-95℃條件下長期使用，使用壽命長達50年。交聯度高，密度大，耐壓性能好；耐化學藥品腐蝕性能很好，耐環境應力開裂性能優異，即使在較高温度下也可用於輸送多種化學品和具有加速管材應力材相比較，交聯聚乙烯管材質量輕，僅為金屬管材的1/8左右；耐腐蝕、耐磨損性能好。磨損率不足鋼管的1/4，使用壽命是鋼管的2-6倍；內壁光滑、流體流動阻力小，在相同管徑時，輸送流量比金屬管材大，而噪音則低得多；傳輸性能好，液體的傳輸量比鋼管增加30%-40%；導熱係數遠低於金屬管道，因此其隔熱保温性能優良。用於供熱系統時，不需要保温，熱量損失小；可以任意彎曲，不會脆裂；電絕緣性能優良，安裝簡便輕鬆，安裝工作量不到金屬管的一半，安裝成本低。 ^[4] 

由於交聯聚乙烯管材料性能優異。具有完全無毒的衞生性，所以已經被視為新一代的綠色管材，主要應用在以下幾個方面： ^[4] 

（1）建築用冷、熱水供應系統以及管道飲水系統； ^[4] 

（2） 建築用空調冷水系統； ^[4] 

（3）民用住宅供暖系統； ^[4] 

（4）地面採暖系統； ^[4] 

（5）家用熱水器系統配管； ^[4] 

（6）食品工業中飲料、酒類、牛奶等流體的輸送管線； ^[4] 

（7）化工、石油工業流體輸送管線； ^[4] 

（8）製冷系統及水處理系統管線。 ^[4]