PP/PPE阻燃绝缘材料的多性能协同评价：从电线电缆安全需求到绝缘击穿失效溯源

国高材高分子材料产业创新中心

2026年8月7日 17:31

01 背景：电气化发展下，绝缘材料面临多性能协同挑战

随着新能源汽车、储能系统、轨道交通、电力装备、工业电气及电子电器产业快速发展，电线电缆及绝缘部件的工作电压、功率密度和服役环境复杂度不断提高。

作为隔离带电导体、阻断漏电和降低短路风险的重要安全屏障，绝缘材料不仅需要具备良好的电绝缘性能，还要长期承受高温、湿热、机械摩擦、振动弯折及化学介质接触等多重作用。

在新能源汽车高压线束中，绝缘材料需要同时面对高电压、热循环、振动摩擦以及冷却液、润滑油等介质侵蚀；在储能系统中，材料需要兼顾长期绝缘、阻燃和热安全；在工业电缆及轨道交通领域，绝缘层还可能经历拖拽、穿管、弯折和复杂环境老化。

这些应用场景对绝缘材料提出了共同要求：

具有较高的介电强度和体积电阻率；
在摩擦和弯折过程中不易磨损、开裂；
接触油液、溶剂和清洗剂后仍能保持性能；
具备良好的阻燃能力和较低的燃烧热释放；
长期服役后仍能维持稳定的电气安全性能。

传统电线电缆绝缘材料较多采用交联聚乙烯。交联聚乙烯具有良好的力学性能、绝缘性能和耐老化性能，但交联工艺相对复杂，材料使用后难以重新熔融加工和回收利用。

聚丙烯是一种热塑性材料，具有耐温性能较好、无需交联、加工工艺相对简单及可回收利用等特点，被认为是具有应用潜力的新型电线电缆绝缘材料。

然而，聚丙烯本身阻燃性能有限，与部分无卤阻燃剂的相容性也不理想。如果单纯增加阻燃剂用量，容易引起颗粒团聚、界面缺陷和力学性能下降，并可能对材料的绝缘性能产生不利影响。

因此，聚丙烯绝缘材料的研发并不是简单追求某一个性能指标，而是需要在绝缘、阻燃、耐磨、耐介质、柔韧性和加工性能之间找到合理的平衡。

本文结合聚丙烯/聚苯醚阻燃绝缘材料研究案例，分析不同PPE添加量对复合材料耐磨、电绝缘、耐溶剂和燃烧性能的影响，并通过扫描电子显微镜和能谱分析进一步追踪材料介电击穿的微观原因。在此基础上，分享国高材分析测试中心面向电线电缆及电气绝缘材料的综合评价解决方案。

02 技术挑战：阻燃性能与绝缘可靠性如何兼顾

聚丙烯分子链主要由碳、氢元素构成，材料自身成炭能力有限，阻燃性能相对不足。为了满足电线电缆及电子电气产品的阻燃要求，通常需要加入磷系、氮系或无机阻燃组分。

阻燃剂虽然能够降低材料燃烧风险，但也可能带来新的问题：

阻燃剂与聚合物基体相容性不足；
颗粒在材料内部发生团聚；
颗粒与树脂界面形成孔洞或间隙；
材料内部局部电场发生畸变；
介电强度和长期绝缘可靠性下降；
材料柔韧性、耐磨性和加工性能受到影响。

因此，阻燃等级达到要求，并不代表材料的电气安全性能一定可靠。对于绝缘材料而言，还需要进一步评价阻燃剂的分散状态、材料内部缺陷以及环境老化后的性能保持能力。

本案例采用聚苯醚作为功能组分。聚苯醚分子主链含有较多苯环和醚键，具有较好的刚性、电性能、耐热性能和成炭能力。

研究希望利用PPE的结构特点，在提升材料耐磨和电绝缘性能的同时，促进磷系阻燃体系形成更加稳定的炭层，从而改善材料整体阻燃表现。

但PPE加入后，还需要回答以下问题：

PPE能否提高材料耐磨性能？
介电强度和体积电阻率如何变化？
阻燃剂是否会成为介电击穿的薄弱点？
PPE含量增加是否会影响耐溶剂性能？
材料热释放和成炭行为是否得到改善？

这些问题无法通过单一测试进行判断，需要建立涵盖机械性能、电性能、耐介质性能、燃烧行为和微观失效分析的综合评价方案。

03 多配方梯度设计与综合评价方案

为分析PPE添加量对PP阻燃绝缘材料综合性能的影响，研究以PP为主要树脂基体，以SEBS为相容及增韧组分，以次磷酸铝为无卤磷系阻燃剂，并设置不同PPE添加量进行对比。

3.1 样品配方

表1 实验配方

试样编号

PP/质量份

PPE/质量份

SEBS/质量份

ADP/质量份

抗氧剂/质量份

1#

80

0

5

15

0.2

2#

72.5

7.5

5

15

0.2

3#

70

10

5

15

0.2

4#

65

15

5

15

0.2

5#

60

20

5

15

0.2

其中：

PP作为主要树脂基体；
PPE用于改善材料刚性、绝缘性能和成炭能力；
SEBS用于改善体系相容性和柔韧性；
ADP作为无卤磷系阻燃剂；
抗氧剂用于降低加工过程中的热氧降解。

各组材料经双螺杆挤出造粒后，再通过开炼和热压制备测试样品。

3.2 评价内容

研究围绕绝缘材料实际应用中的主要性能和失效风险，开展了以下测试：

这种评价方式不仅用于判断材料某项指标是否提高，还可分析不同性能之间的关联，识别配方调整带来的收益和潜在代价。

04 多维测试结果与机理分析

4.1 耐磨性能：PPE加入后，材料表面抗损伤能力明显提升

电线电缆在穿管、拖拽、装配以及长期振动过程中，绝缘层可能持续与金属边缘、线束支架或其他线缆发生摩擦。绝缘层一旦磨损减薄，局部位置所承受的电场强度就可能升高，进一步增加绝缘失效风险。

研究通过邵氏D硬度和厚度磨损量，评价不同PPE添加量对PP/PPE/ADP复合材料耐磨性能的影响。

图1 PPE添加量对PP/PPE/ADP材料硬度和耐磨性能的影响

图1显示，随着PPE添加量增加，材料硬度总体上升，厚度磨损量则持续下降。未添加PPE时，材料的厚度磨损量为0.068 mm；当PPE添加量达到15质量份时，厚度磨损量下降至0.024 mm，降幅约为64.7%；PPE添加量提高至20质量份后，磨损量进一步降低至约0.017 mm。

与此同时，当PPE添加量为15质量份时，材料的邵氏D硬度达到约63。PPE主链中含有大量苯环和醚键，分子结构具有较高刚性。苯环结构限制了分子链的运动，使材料在摩擦过程中更不容易发生塑性变形和表面剥落，从而提高耐磨性能。

这一结果表明，在PP阻燃绝缘材料中加入PPE，能够有效提高材料对摩擦损伤的抵抗能力。对于汽车高压线束、工业电缆及需要频繁装配、弯折的绝缘部件，耐磨性能的提升有助于降低绝缘层局部减薄带来的电气风险。

不过，硬度提高后，还应进一步评价材料的柔韧性、低温弯折、抗开裂及成缆加工性能，避免单纯提高硬度后影响线缆的安装和长期使用。

4.2 绝缘性能：PPE加入后，介电强度逐步提高

体积电阻率和介电强度是评价绝缘材料电气性能的重要指标。体积电阻率主要反映材料抑制泄漏电流的能力，介电强度则反映材料在高电场作用下抵抗电气击穿的能力。

研究通过体积电阻率和介电强度测试，评价不同PPE添加量对PP/PPE/ADP复合材料绝缘性能的影响。

图2 PPE添加量对PP/PPE/ADP材料体积电阻率和介电强度的影响

图2显示，各组复合材料的体积电阻率均保持在10¹⁵ Ω·m数量级，说明随着PPE添加量变化，材料整体仍具有较好的绝缘电阻性能。

与此同时，材料的介电强度随PPE添加量增加而总体上升。未添加PPE时，材料的介电强度为35.75 kV/mm；当PPE添加量达到15质量份时，介电强度提高至37.03 kV/mm；当PPE添加量进一步提高至20质量份时，介电强度达到约38.04 kV/mm。

PPE主链由苯环和醚键交替构成，分子结构具有较低极性和一定疏水性。苯环的共轭结构能够削弱高能电子对聚合物分子链的冲击，同时较为刚性的分子链结构也有助于降低水分渗入对材料绝缘性能造成的影响。

这一结果表明，在PP阻燃绝缘材料中加入适量PPE，能够在维持较高体积电阻率的同时，提高材料抵抗电气击穿的能力。对于汽车高压线束、储能系统、电力电缆及其他高压绝缘部件，介电强度的提高有助于增加材料在高电场环境下的安全裕度。

不过，介电强度属于材料整体性能指标，不能完全反映内部是否存在阻燃剂团聚、孔洞或界面缺陷。为进一步判断材料发生击穿的原因，还需要结合击穿点微观形貌和元素组成进行分析。

4.3 击穿失效分析：阻燃剂局部富集可能形成绝缘薄弱点

绝缘材料在高电场作用下发生击穿，往往并非由材料整体绝缘性能不足引起，而可能起始于颗粒团聚、孔洞、杂质或界面结合不良等局部缺陷。

研究选取添加15质量份PPE和15质量份ADP的复合材料，对介电强度测试后的击穿点进行扫描电子显微镜观察，并利用能谱分析击穿区域的元素组成。

图3 PP/15份PPE/15份ADP材料介电强度击穿点的表面形貌

图3显示，介电击穿点附近存在较多颗粒和孔洞。随着放大倍数提高，可以观察到局部区域结构不均匀，部分颗粒与周围聚合物基体之间存在明显界面。

图4 PP/15份PPE/15份ADP材料介电强度击穿点附近的能谱分析

表2 PP/15份PPE/15份ADP材料介电强度击穿点附近的能谱分析数据

表2显示，击穿区域除碳、氧元素外，还检测到铝和磷元素。其中，局部点位的磷元素含量达到15.5%。铝和磷均为次磷酸铝阻燃剂的特征元素，说明击穿点附近可能存在ADP颗粒富集或分散不均。

ADP极性较强，而PP基体属于非极性聚合物，两者之间的相容性相对有限。当阻燃剂未能在材料中充分分散时，容易形成颗粒团聚、界面间隙和微孔洞。这些区域与周围树脂的介电性能存在差异，在高电场作用下可能引起局部电场集中，进而成为击穿的起始位置。

结合介电强度、SEM和EDS结果可以看出，材料宏观绝缘性能虽然得到改善，但阻燃剂的局部分散状态仍可能影响绝缘可靠性。因此，在阻燃绝缘材料开发过程中，除了控制阻燃剂添加量，还应关注阻燃剂粒径、分散均匀性、相容剂效果以及挤出加工条件。

对于批次间介电强度波动、局部击穿或成品耐压不稳定等问题，将电性能测试与微观形貌、元素分析相结合，有助于进一步区分问题来自配方设计、原料分散还是加工过程。

4.4 耐溶剂性能：PPE含量增加后，材料溶胀程度有所上升

电线电缆在汽车、家电和工业装备等场景中，可能接触润滑油、燃油、冷却液、清洗剂、胶黏剂及其他化学介质。介质进入材料内部后，可能引起溶胀、软化和尺寸变化，并进一步影响材料的力学性能和绝缘性能。

研究通过甲苯浸泡24 h后的体积膨胀率，评价不同PPE添加量对PP/PPE/ADP复合材料耐溶剂性能的影响。

图5 PPE添加量对PP/PPE/ADP材料浸泡甲苯后体积膨胀率的影响

图5显示，随着PPE添加量增加，材料的体积膨胀率逐渐升高。未添加PPE时，体积膨胀率为105.3%；当PPE添加量达到15质量份时，体积膨胀率上升至111.9%；当PPE添加量进一步提高至20质量份时，体积膨胀率达到114.3%。

虽然各组材料浸泡后的体积膨胀率均保持在115%以内，但变化趋势表明，随着PPE含量增加，材料在甲苯中的溶胀程度有所提高，耐甲苯性能呈一定下降趋势。

这一结果说明，PPE在改善材料耐磨、绝缘和阻燃性能的同时，也可能改变共混体系的相态结构和溶剂渗透行为。材料配方优化不能只比较获得提升的性能，还需要同步关注耐介质性能是否受到影响。

对于新能源汽车高压线束、工业电缆及家电内部线缆，实际评价时应根据使用环境选择冷却液、润滑油、燃油、清洗剂或其他目标介质，并进一步测试浸泡前后的拉伸性能、介电强度和体积电阻率，从而判断化学介质接触是否会影响材料的长期可靠性。

4.5 阻燃性能：PPE加入后，材料热释放速率明显降低

绝缘材料的阻燃性能不仅关系到材料能否自熄，还关系到燃烧过程中热量释放的速度、总热释放量以及炭层能否形成有效保护。

研究采用锥形量热测试，评价不同PPE添加量对PP/PPE/ADP复合材料燃烧行为的影响。

图6 不同PPE添加量的热释放曲线

图6显示，随着PPE添加量增加，材料的热释放速率峰值逐渐降低，总热释放量也有所下降。未添加PPE时，热释放速率峰值为508.7 kW/m²；当PPE添加量达到10质量份时，下降至475.2 kW/m²；当PPE添加量达到20质量份时，进一步下降至337.2 kW/m²，降幅约为33.7%。

表3 不同PPE添加量的锥形量热测试数据

表3显示，当PPE添加量由0提高至20质量份时，材料总热释放量由94.6 MJ/m²下降至89.6 MJ/m²，平均有效燃烧热由29.2 MJ/kg下降至26.5 MJ/kg，残炭率则由7.4%提高至10.1%。

图7 不同PPE添加量锥形量热测试后的炭层

图7显示，未添加PPE的样品燃烧后炭层相对疏松；加入PPE后，样品表面的炭层厚度和完整性明显提高。

PPE主链中含有较多芳香环结构，在高温条件下能够作为炭源参与成炭。ADP分解产生的含磷组分可进一步促进PPE炭化，使材料表面形成更加连续和稳定的凝聚相保护层。该炭层能够减少氧气与内部材料接触，抑制可燃挥发物逸出，并降低热量继续向材料内部传递。

这一结果表明，PPE与磷系阻燃剂之间具有一定协同作用。通过提高体系的成炭效率，可以在降低热释放速率的同时改善阻燃表现，也为减少高比例阻燃剂添加、降低其对绝缘和机械性能的不利影响提供了优化方向。

对于电线电缆、新能源汽车高压线束、储能设备绝缘件等产品，除了常规垂直燃烧和氧指数测试，还应结合锥形量热分析材料的热释放行为和成炭能力，从而更全面地评价其实际火灾风险。

05 综合分析：绝缘材料配方需要寻找多性能平衡点

综合耐磨、电绝缘、耐溶剂、锥形量热及击穿点微观分析结果可以发现，PPE的加入对PP阻燃绝缘材料产生了多方面影响。

从测试结果来看，15质量份PPE时，材料耐磨性能和介电强度已经获得较为明显的改善；当PPE添加量提高至20质量份时，热释放速率峰值进一步降低，残炭率和介电强度继续提高。

但这并不意味着PPE添加量越高越好。

随着PPE含量增加，材料在甲苯中的溶胀程度有所提高。此外，材料硬度、柔韧性、低温性能、加工流动性、成缆适应性及综合成本也需要进一步评价。

因此，材料配方优化的目标不应是某一个指标达到最高，而应根据具体应用场景确定性能优先级。

例如：

新能源汽车高压线束更加关注高低温循环、耐油、耐磨和高压绝缘；
储能系统更加关注阻燃、热释放和长期电气可靠性；
工业电缆需要兼顾耐介质、机械磨损和环境老化；
家电及电子电气绝缘件还需关注漏电起痕、灼热丝和加工成型稳定性。

只有将应用环境、性能数据和失效机理结合起来，才能找到更适合产品实际使用要求的配方窗口。

06 国高材分析测试中心解决方案

针对电线电缆、新能源汽车高压线束、连接器、电池模组、储能系统、电气设备外壳及其他绝缘材料和绝缘制件，国高材分析测试中心可提供覆盖材料研发、产品验证、质量控制和失效分析的综合评价解决方案。

6.1 电气绝缘性能评价

围绕材料在不同电压和环境条件下的绝缘可靠性，可开展：

介电强度；
体积电阻率；
表面电阻率；
介电常数；
介质损耗；
耐电弧性能；
相比电痕化指数；
耐漏电起痕性能；
高温、湿热及浸液后的电性能保持率。

针对新能源汽车、储能系统及高压电气应用，还可结合产品实际厚度、工作电压和服役环境，设计针对性的测试组合。

6.2 阻燃与燃烧行为评价

根据原材料、试片、零部件及终端产品的不同要求，可开展：

水平燃烧与垂直燃烧；
极限氧指数；
灼热丝起燃及可燃性；
针焰测试；
锥形量热；
热释放速率；
总热释放量；
残炭率；
烟密度及燃烧产物分析。

锥形量热能够从热释放和成炭行为角度补充常规阻燃等级测试，为阻燃体系优化和产品火灾风险评价提供更加完整的数据支持。

6.3 机械与耐磨性能评价

针对线缆在拖拽、弯折、振动及装配过程中的机械损伤风险，可开展：

拉伸性能；
弯曲性能；
冲击性能；
邵氏硬度；
耐磨损测试；
摩擦性能；
弯折与疲劳评价；
低温脆化；
老化前后力学性能保持率。

通过机械性能与电气性能的关联分析，可进一步判断绝缘层磨损、开裂或局部减薄是否可能导致后续电气风险。

6.4 耐环境与介质可靠性评价

可结合产品实际应用场景开展：

高温老化；
湿热老化；
冷热循环；
温度冲击；
紫外老化；
臭氧老化；
吸水与水解性能；
汽油、柴油和润滑油浸泡；
冷却液、清洗剂和化学试剂浸泡；
老化或浸液前后的电气、力学和阻燃性能对比。

通过“环境处理—性能复测”的方式，可判断材料在长期服役后的性能保持能力，而不仅是常温初始性能。

6.5 击穿与失效机理分析

针对材料或产品出现介电击穿、开裂、燃烧异常、批次波动等问题，中心可利用多种分析技术开展失效溯源：

SEM观察击穿点、裂纹及界面形貌；
EDS分析异常区域的元素组成；
阻燃剂与填料分散状态分析；
颗粒团聚、孔洞和界面缺陷识别；
红外光谱分析材料组成及老化变化；
热分析判断材料热稳定性和配方差异；
正常区域与失效区域对比；
原料、粒料、制件与失效样品的全链条比对。

通过宏观性能测试与微观形貌、成分分析相结合，可以进一步判断问题来自配方设计、原料分散、加工过程还是实际使用环境。

6.6 配方开发与工艺优化验证

根据材料研发和量产阶段的不同需求，中心可提供：

研发筛选

对不同树脂、阻燃剂、相容剂、增韧剂和填料配方进行横向比较，建立配方、结构与性能之间的对应关系。

中试验证

分析实验室配方放大后是否出现分散不均、加工降解、批次波动或性能衰减。

工艺优化

比较挤出温度、螺杆转速、停留时间和混炼方式对材料性能及微观缺陷的影响。

量产质量控制

建立原材料、粒料、试片和终端制件的关键质量指标与检测方法。

失效改进

针对击穿、磨损、开裂、阻燃不稳定及环境老化等问题提出改进方向，并通过对比测试验证优化效果。

07 从单项检测走向系统评价

绝缘材料的安全性，并不由某一个测试结果单独决定。

体积电阻率较高，不代表材料内部不存在局部击穿风险；通过阻燃等级测试，也不意味着材料在真实火灾中具有较低的热释放；常温性能合格，更不能完全代表材料经过湿热、油液和长期热老化后仍然可靠。

国高材分析测试中心可根据电线电缆、新能源汽车、储能、电子电气及工业装备等不同应用场景，将电性能、阻燃性能、机械性能、耐环境性能与微观失效分析相结合，构建从材料筛选、配方研发、中试验证到量产质量控制和失效定位的全流程评价体系。

系统测试的价值不仅是获得一组检测数据，更重要的是帮助企业回答三个问题：

材料的性能短板在哪里？

潜在失效风险来自哪里？

配方和工艺应该如何调整？

通过从宏观性能到微观机理的系统分析，帮助企业识别材料风险、优化配方体系、改善加工工艺，并提升绝缘产品的长期可靠性。

08 互动交流

欢迎加入【高分子技术交流群】！

不论是绝缘材料检测、阻燃评价、环境老化、失效分析还是成分分析，均可在群内交流探讨。

请添加微信：guogaocai123

即可加入技术交流群，与行业技术人员共同探讨材料研发与质量控制问题。