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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技术

技术编号:20087834 阅读:50 留言:0更新日期:2019-01-15 06:59
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(‑COOZn

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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
,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。
技术实现思路
有鉴于此,本专利技术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。本专利技术采取的技术方案: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,D2d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。本专利技术所述的外电场下盐交联聚乙烯分子的构建方法,包括如下方法:步骤1:在分子模拟软件内构建羧酸盐-COOZn2+OOC-结构盐桥的交联聚乙烯分子模型,聚乙烯单链为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),运用M06-2X/GEN,Zn原子使用def2-TZVP基组,C、H、O原子使用6-31G(d)基组,对交联聚乙烯分子进行优化,获得分子能量最低时的优化结构;步骤2:运用M06-2X/GEN,Zn原子使用def2-TZVP基组,C、H、O原子使用6-31G(d)基组,方法对步骤1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,外电场强度以0.002a.u.为步长对分子施加0-0.020a.u.的电偶极场;步骤3:从不同外电场作用下,分析分子结构中两条聚乙烯链之间的夹角和链端的距离分别随外电场的变化,分析分子在外电场下的结构变化,分子总能量、偶极矩、极化率随外电场的变化趋势;步骤4:分析不同外电场下交联聚乙烯分子的前线轨道的能级和分布的变化,确定分子结构的反应活性位点,并分析不同外电场下分子前线轨道的主要成分。本专利技术外电场下盐交联聚乙烯分子结构的变化规律,技术效果如下:1:本专利技术基于物质分子结构,利用计算化学软件,使用密度泛函理论优化计算分子在不同外电场下的基态结构,准确判定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。2: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,揭示交联聚乙烯分子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。附图说明图1为盐交联聚乙烯初始分子模型。图2为盐交联聚乙烯优化分子模型。图3为聚乙烯链端部的距离R随外电场的变化。图4为聚乙烯链端的二面角D随外电场的变化。图5为总能量随外电场的变化。图6为偶极矩随外电场的变化。图7为极化率随外电场的变化。图8为前线轨道能级随外电场的变化。图9为能隙EG随外电场的变化。图10为外电场下前线轨道分布(a)、(b)和(c)分别是电场为0、0.010和0.020a.u.的HOMO;(d)、(e)和(f)分别是电场为0、0.010和0.020a.u.的LUMO。图11为外电场下MBO(a)链端的C-C键的MBO值随外电场的变化。图12为外电场下MBO(a)(b)链端的C-H键的MBO值随外电场的变化。图13为盐交联聚乙烯E分子在不同外电场下的IR光谱。具体实施方式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,本专利技术的优选方案中聚乙烯单链使用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。外电场下盐交联聚乙烯分子结构的变化规律,包括以下步骤:步骤1:在分子模拟软件内构建羧酸盐(-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,如图1所示。运用M06-2X/GEN(Zn原子使用def2-TZVP基组,C、H、O原子使用6-31G(d)基组)方法对交联聚乙烯分子进行优化,获得分子能量最低时的优化结构。交联聚乙烯分子由初始的H型结构变成了X型结构,聚乙烯链稍微向外侧弯曲,交联处的四个氧原子与锌原子形成四面体的四配位结构(D2d点群对称性),如图2所示。步骤2:运用M06-2X/GEN(Zn原子使用def2-TZVP基组,C、H、O原子使用6-31G(d)基组)方法对步骤1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。以0.002a.u.为步长对分子施加0-0.020a.u.的电偶极场并对其进行基态几何结构优化。步骤3:从不同外电场下分子结构的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.外电场下盐交联聚乙烯分子,该分子结构为羧酸盐‑COOZn2+OOC‑结构盐桥的交联聚乙烯分子,所述的聚乙烯单链为10‑15个烷烃结构,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:

【技术特征摘要】
1.外电场下盐交联聚乙烯分子,该分子结构为羧酸盐-COOZn2+OOC-结构盐桥的交联聚乙烯分子,所述的聚乙烯单链为10-15个烷烃结构,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:2.权利要求1所述的外电场下盐交联聚乙烯分子,在外电场0.010-0.020a.u.的作用下,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,D2d点群对称性,其结构式如下:3.权利要求2所述的外电场下盐交联聚乙烯分子,其特征在于,所述的聚乙烯单链为13个烷烃组成的链烷烃结构。4.权利要求2所述的外电场下盐交联聚乙烯分子,其特征在于,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。5.权利要求2所述的外电场下盐交联聚乙烯分子,其特征在于,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。6.一种分析权利要求1-5任一项所述在外电场下盐交联聚乙烯...

【专利技术属性】
技术研发人员:李亚莎谢云龙徐程刘国成黄太焕刘志鹏
申请(专利权)人:三峡大学
类型:发明
国别省市:湖北,42

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