納米蒙脫土-聚烯烴復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形態(tài)與電樹生長機(jī)理研究.pdf

1、電樹枝是聚合物絕緣材料中常見的電老化現(xiàn)象，電樹枝的產(chǎn)生會(huì)嚴(yán)重影響電氣設(shè)備中聚合物絕緣的使用壽命與可靠性，已經(jīng)成為制約高壓電力設(shè)備發(fā)展不可忽視的因素。聚合物中電樹枝化現(xiàn)象的研究已逾半個(gè)世紀(jì)之久，對(duì)于電樹枝的抑制與機(jī)理分析一直是電介質(zhì)工程應(yīng)用與科學(xué)研究領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。通過絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化和加工工藝改進(jìn)，可以改善聚合物絕緣材料的耐電樹枝化特性，納米技術(shù)的快速發(fā)展為提高絕緣材料介電性能和耐電樹枝老化特性提供了新的研究思路和方法。
　　本文以改

2、善常用聚烯烴絕緣材料耐電樹枝化性能為目的，分別以聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）為聚合物基體，以層狀納米硅酸鹽蒙脫土（MMT）為無機(jī)納米填料，制備了聚烯烴基納米蒙脫土復(fù)合材料 MMT/PE和MMT/PP。利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀測了MMT在聚合物基體中的分散狀態(tài)，通過傅立葉變換紅外光譜（FTIR）測試了有機(jī)化 MMT及復(fù)合材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征，結(jié)果表明經(jīng)過有機(jī)化處理的MMT以納米尺度在聚合物基體中均勻分散且通過偶聯(lián)劑作用與基體聚合物形

3、成化學(xué)結(jié)合。利用偏光顯微鏡（PLM）、X射線衍射儀（XRD）和差示掃描量熱儀（DSC）對(duì)復(fù)合材料結(jié)晶形態(tài)、結(jié)晶度和結(jié)晶過程進(jìn)行了分析，結(jié)果表明 MMT改善了聚合物基體原有大球晶結(jié)構(gòu)，提高了PE和 PP的結(jié)晶度。通過對(duì)復(fù)合材料結(jié)晶形態(tài)和納米蒙脫土分散狀態(tài)的分析，揭示了納米蒙脫土對(duì)半結(jié)晶聚合物結(jié)構(gòu)形態(tài)影響的作用機(jī)理。
　　實(shí)驗(yàn)研究了PE、PP及其復(fù)合材料的電樹枝特性，探討了納米復(fù)合材料結(jié)晶形態(tài)、結(jié)晶尺度及界面相容性等對(duì)電樹枝生長的影響

4、。結(jié)果表明：采用熔融插層法制備的MMT含量為0.5wt％的MMT/PE復(fù)合材料球晶尺度減小和結(jié)晶度增大的變化最明顯，其結(jié)晶結(jié)構(gòu)的改善是提高復(fù)合材料耐電樹枝性能的重要因素。通過對(duì)比研究溶液插層法和熔融插層法制備的MMT/PE及熔融插層一步法和二步法制備的MMT/PP電樹枝發(fā)展特性，探討了界面相容性對(duì)電樹枝生長的影響。提出了溶液插層法制備的MMT/PE和熔融插層二步法制備的MMT/PP通過促進(jìn)偶聯(lián)劑和相容劑與基體聚合物分子的化學(xué)反應(yīng)，改善復(fù)

5、合材料的界面相容性進(jìn)而提高其耐電樹枝性能的觀點(diǎn)。
　　利用分形分析方法對(duì)電樹枝圖像的計(jì)盒分形維數(shù)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了電樹枝發(fā)展形態(tài)特征的定量表征。以放電雪崩理論和電樹枝分形特征為基礎(chǔ)，結(jié)合結(jié)晶度與電樹枝生長的相關(guān)性，修正了電樹枝生長的動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)半結(jié)晶聚合物中電樹枝生長的動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行了計(jì)算。動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好一致性，表明提出的模型化方法可以應(yīng)用于半結(jié)晶聚合物電樹枝老化過程的定量分析。根據(jù)大球晶結(jié)構(gòu)的物理特征對(duì)半結(jié)

6、晶聚合物內(nèi)部局域電場進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)合相界面自由能對(duì)電樹枝生長的驅(qū)動(dòng)作用以及界面相容性與電樹枝的相關(guān)性，建立了半結(jié)晶聚合物中電樹枝生長熱力學(xué)狀態(tài)方程。通過對(duì)電樹枝發(fā)展熱力學(xué)特征分析及樹枝通道細(xì)節(jié)觀測，論證了電樹枝沿著半結(jié)晶聚合物中結(jié)晶界面發(fā)展的觀點(diǎn)。根據(jù)電樹枝在半結(jié)晶聚合物中生長的動(dòng)力學(xué)及熱力學(xué)特性分析，結(jié)合納米蒙脫土/聚烯烴復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特征，揭示了納米蒙脫土通過改善聚合物結(jié)晶形態(tài)和無機(jī)片層阻隔作用對(duì)電樹枝發(fā)展的抑制機(jī)理。