北京科技大學查俊偉教授AM：自修復、可回收聚乙烯

新一代可持續電纜絕緣材料問世：自修復可回收聚乙烯技術取得突破

在電力傳輸領域，交聯聚乙烯（XLPE）因其優異的電氣與機械性能，一直是高壓電纜絕緣的關鍵材料。然而，其在強電場與高機械應力下易發生損傷，且傳統XLPE因交聯不可逆，無法實現損傷后的自修復與退役后的回收，給電力系統的長期可靠運行與資源循環利用帶來嚴峻挑戰。

近日，北京科技大學查俊偉教授、清華大學萬寶全博士提出了一種創新的解決方案：通過銅催化胺化反應制備功能化聚乙烯，并結合動態共價化學構建可定制的共價自適應網絡（CANs）。該材料利用雙動態共價鍵的交換能力，實現了接近100%的機械與電損傷后性能恢復效率，同時兼具優異的可回收性。其巧妙結合的“強”永久交聯與“弱”動態交聯結構，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%，綜合性能優于傳統XLPE，為下一代可持續電纜絕緣材料的發展開辟了新路徑。相關論文以“Covalent Adaptable Network Enables Sustainable Polyethylene for Next-Generation Cable Insulation”為題，發表在

Advanced Materials

研究團隊首先從分子結構設計入手，通過銅催化胺化反應在低密度聚乙烯鏈上引入馬來酰亞胺基團，避免了傳統改性方法中常見的鏈斷裂或過度交聯問題。隨后，采用含雙硫鍵的呋喃基分子作為動態交聯劑，通過迪爾斯-阿爾德環加成反應構建了兼具永久交聯與動態共價交聯的雙網絡結構。這種設計使材料在正常工作時保持熱固性材料的穩定性，而在受熱刺激下可發生拓撲重排，實現再加工與修復。

圖1. 具有永久交聯與動態共價交聯的CANs結構設計與機制示意圖。 a) CANs的分子結構設計。b) LDPE的銅催化胺化反應與動態交換機制。

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共價鍵的成功引入。雖然動態交聯的引入使擊穿強度略有下降，但其通過引入極性基團構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，動態交聯網絡的電場畸變率僅為7%，遠低于傳統XLPE的27%，表現出更穩定的絕緣性能。

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。

材料的動態行為通過X射線光電子能譜與動態力學分析得到進一步驗證。動態共價鍵的引入顯著降低了材料的玻璃化轉變溫度，增強了鏈段運動能力。蠕變恢復實驗表明，材料在卸荷后能通過動態鍵交換恢復大部分應變，表現出良好的網絡重排能力。這種可逆的迪爾斯-阿爾德反應與雙硫鍵交換機制，為材料的自修復與回收提供了基礎。

圖3. CANs的動態特性。 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范圍內的儲能模量比較；e) 三者在-150至150°C范圍內的損耗因子比較；f) 三者在100°C下的蠕變-恢復實驗；g) CANs重排機制示意圖；h) XLPE、DPPE、DPE與當前電纜標準的雷達對比圖。

在自修復與可回收性方面，該材料展現出卓越的多重損傷修復能力。無論是表面劃傷、電暈損傷還是電樹枝破壞，經過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-再沉淀的方式實現多次機械回收與溶劑回收，回收后仍能保持優異的力學、熱學與電氣性能，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性能及多重可回收性。 a) 原始及自修復后DPPE和DPE在不同類型機械損傷下的應力-應變曲線；b) 原始及自修復后DPPE和DPE的威布爾擊穿強度；c) DPPE電暈損傷后的自修復效果：c1) 電暈損傷后與c2) 自修復后的DPPE SEM圖像；d) DPPE機械損傷后的自修復效果：d1) 機械損傷后與d2) 自修復后的DPPE SEM圖像；e) 具有雙動態共價鍵的動態交聯網絡的可逆重組示意圖；f) XLPE、DPPE和DPE中電樹枝生長與自修復過程的圖像；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，力學性能仍保持初始狀態的約100%，且未出現明顯的羰基降解產物，顯示出優異的抗老化穩定性。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性，為其在電纜絕緣中的實際應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力-應變曲線，(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。

這項研究通過動態共價化學成功設計出一種兼具自修復、可回收、高韌性及優異絕緣性能的聚乙烯電纜絕緣材料。其通過分子結構設計構建深陷阱，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境友好與長壽命方向發展，也為新一代可持續電力裝備材料的開發提供了重要思路與技術基礎。