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

1、電樹(shù)枝是聚合物絕緣材料中常見(jiàn)的電老化現(xiàn)象，電樹(shù)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(shù)枝化現(xiàn)象的研究已逾半個(gè)世紀(jì)之久，對(duì)于電樹(shù)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(guò)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(shù)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(shù)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(shù)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(wú)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(cè)了MMT在聚合物基體中的分散狀態(tài)，通過(guò)傅立葉變換紅外光譜（FTIR）測(cè)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(shù)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(shù)枝生長(zhǎng)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(shù)枝性能的重要因素。通過(guò)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(shù)枝發(fā)展特性，探討了界面相容性對(duì)電樹(shù)枝生長(zhǎng)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(guò)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(shù)枝性能的觀點(diǎn)。
　　利用分形分析方法對(duì)電樹(shù)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(shù)枝發(fā)展形態(tài)特征的定量表征。以放電雪崩理論和電樹(shù)枝分形特征為基礎(chǔ)，結(jié)合結(jié)晶度與電樹(shù)枝生長(zhǎng)的相關(guān)性，修正了電樹(shù)枝生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)半結(jié)晶聚合物中電樹(shù)枝生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)過(guò)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(shù)枝老化過(guò)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(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)合相界面自由能對(duì)電樹(shù)枝生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)作用以及界面相容性與電樹(shù)枝的相關(guān)性，建立了半結(jié)晶聚合物中電樹(shù)枝生長(zhǎng)熱力學(xué)狀態(tài)方程。通過(guò)對(duì)電樹(shù)枝發(fā)展熱力學(xué)特征分析及樹(shù)枝通道細(xì)節(jié)觀測(cè)，論證了電樹(shù)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(shù)枝在半結(jié)晶聚合物中生長(zhǎng)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(guò)改善聚合物結(jié)晶形態(tài)和無(wú)機(jī)片層阻隔作用對(duì)電樹(shù)枝發(fā)展的抑制機(jī)理。