[发明专利]外电场下盐交联聚乙烯分子结构及分析外电场下盐交联聚乙烯分子结构构建的方法

说明书

外电场下盐交联聚乙烯分子结构的变化规律，首先利用分子模拟软件构建羧酸盐(‑COOZn²⁺OOC‑)结构盐桥的交联聚乙烯分子模型，聚乙烯单链使用13个烷烃结构。使用明尼苏达泛函优化初始分子结构，对优化之后的分子结构施加外电场并对其进行结构优化，得到不同外电场下分子结构的稳定结构。分析不同外电场作用下盐交联聚乙烯分子结构和能量变化，外电场对前线轨道的能级和成分的影响，原子之间的键级、断键和红光光谱的变化。本发明外电场下盐交联聚乙烯分子结构的变化规律，与现在常用的实验方法相比，具有无损耗、节约成本、简单易行等优点，揭示微观结构和外电场之间的关系，为今后实验研究与微观研究提供理论基础和数据依据。

技术领域

本发明外电场下盐交联聚乙烯分子结构的变化规律，涉及高电压输电电缆绝缘老化领域。

背景技术

聚乙烯和交联聚乙烯以其优异的电气性能、力学性能及工艺性能，已成为电力电缆最主要的绝缘材料。随着高压直流输电技术的发展，以及大规模远距离输电和新能源消纳的要求，聚乙烯及交联聚乙烯正逐渐被应用于高压直流电缆绝缘中。当聚合物在高电场的长期作用下，这些杂质解离容易导致聚合物内部空间电荷的积累，可使局部电场强度发生严重的畸变。畸变场强在绝缘材料内部形成放电，引发水树枝和化学树枝，它们都将转化为电树枝而导致绝缘击穿，树枝状老化是引起交联聚乙烯电缆绝缘击穿的关键因素。因此，外电场研究对聚合物绝缘性能有重要意义。

目前针对聚合物绝缘性能的实验研究主要集中于温度和交联副产物对空间电荷分布的作用，不同温度和局部气压对电树枝生长的影响，双极性直流电场对水树枝生长和取向研究，纳米材料填充改性绝缘电缆。而随着分子模拟技术的发展，其也越来越多的应用于高电压与绝缘技术领域，如构建电树枝生长长度和分形维数随时间变化的模型方程以及聚乙烯的完全物态方程，电场和温度对聚合物空间电荷陷阱深度的研究，预电力对聚合物击穿性能的影响，电缆内导电屏蔽层与绝缘层的界面相容性分析。但是从分子模拟的微观角度分析XLPE在外电场下分子结构变化和特性的研究还鲜见报道。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是：针对交联聚乙烯绝缘电缆中的盐交联聚乙烯在外电场下的微观特性，使用密度泛函理论研究外电场下盐交联聚乙烯分子结构的变化规律。与现在常用的实验方法相比，具有无损耗、节约成本、简单易行等优点，揭示微观结构和外电场之间的关系，为今后实验研究与微观研究提供理论基础和数据依据。

本发明采取的技术方案：

外电场下盐交联聚乙烯分子结构的变化规律，首先利用分子模拟软件构建羧酸盐(-COOZn²⁺OOC-)结构盐桥的交联聚乙烯分子模型，聚乙烯单链使用10-15个烷烃结构(所述的聚乙烯单链为13个烷烃组成的链烷烃结构)。使用明尼苏达泛函优化初始分子结构，对优化之后的分子结构施加外电场并对其进行结构优化，得到不同外电场下分子结构的稳定结构。分析不同外电场作用下盐交联聚乙烯分子结构和能量变化，外电场对前线轨道的能级和成分的影响，原子之间的键级、断键和红光光谱的变化。上述所述的外电场下盐交联聚乙烯分子，该分子结构中交联聚乙烯分子为H型结构，聚乙烯链为空间网状结构，其结构式如下：

进一步的在外电场0.010-0.020a.u.的优化作用下，交联聚乙烯分子为X型结构，聚乙烯链为线性结构，交联处的四个氧原子与锌原子形成四面体的四配位结构，D_2d点群对称性，其结构式如下：

上述结构的演变过程中，在外电场0.010-0.020a.u.的逐渐增加的条件下，沿电场方向聚乙烯链端为亲电反应活性，C-C键断裂，形成甲基碳负离子；逆电场方向聚乙烯链端为亲核反应活性，C-H键断裂形成H正离子。

在外电场0.010-0.020a.u.的逐渐增加的条件下，两条聚乙烯链之间的链端的距离逐渐减小，二面夹角逐渐减小。