交联度对XLPE／OMMT纳米复合材料水树枝老化特性的影响.docx

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1、第55卷第4期工程科学与技术Vo1.55No.42023年7月ADVANCEDENGINEERINGSCIENCESJu1y2023面向双碳目标的环保型电力设备DOI:10.15961j.jsuese.202300929交联度对X1PE/OMMT纳米复合材料水树枝老化特性的影响董芸滋，高嫄，李秀峰董瑞雪，刘正第，韩圣斌(山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博255000)摘要：电力系统日益提升的电压等级和复杂的运行环境，对电缆绝缘材料提出更多、更高的要求，工作在潮湿和强电场的极端环境下的绝缘材料应具有优越的电气、热和力学性能。而聚合物基纳米复合电介质以其独特的结构和优异的电气、力学及化学等性

2、能获得了广泛关注。纳米凝合材料的性能依赖于纳米粒子与交联所形成的微观结构形态的稳定性，为了从微观结构角度研究交联度对纳米复合材料水树枝老化特性的影响，通过调控交联时间，制备了两种不同交联度的交联聚乙烯/蒙脱土(X1PE/OMMT)纳米复合材料，并进行了加速水树枝老化实验。通过偏光显微镜观察水树枝形貌，统计水树枝长度和引发概率，并通过测试凝胶含量表征纳米复合试样的交联度：利用傅里叶红外光谱(FTIR)分析老化前后试样的化学组成变化，计算表征纳米复合试样老化程度的埃基指数和亚甲基指数：借助扫描电子显微镜(SEM)对比老化前后、水树区和非水树区结晶形态的变化，研究水树枝生长对晶体结构的破坏。结果表明

3、：纳米复合材料的交联度影响了水树枝的引发概率，正交联状态下试样的水树枝形貌稀疏，分形维数和占空比小：试样老化过程中存在电化学降解现象，堞基基团增多；适当的交联度，可以使3维网状结构更加完善，试样的晶体尺寸差异性减小，晶体分布均匀，且老化后晶体破坏程度降低。有机化蒙脱土(OMMT)片层与基体之间形成牢固的界面作用力，增强了分子链韧性，且OMMT的屏障效应与完善的交联网络共同作用阻碍了水分子的扩散和聚集，抑制了微观水隙的产生，提高了纳米复合材料的耐水树枝能力。关键词：交联度：纳米复合材料；交联聚乙烯；有机蒙脱：水树枝老化中图分类号：TM215文献标志码：A文章编号：2096-3246(2023)0

4、4-0079-10EffectofCross1inkingDegreeonWater-TreeAgingCharacteristicsofX1PE/OMMTNanocompositesDONGYunzi,GAOYuan,11XMeng*,DONGRuixuef11UZhengdiHANShengbin(Sch1ofE1ectrica1&E1ectronicEng.ShandongUniv.ofTechno1.Zibo255000.China)Abstract:Theincreasingvo1tage1eve1andcomp1exoperatingenvironmentofpowersystem

5、shavep1acedmoreandhigherdemandsoncab1einsu1ationmateria1s.Theinsu1ationmateria1sshou1dhavesuperiore1ectrica1,therma1andmechanica1propertieswhenworkinginextremeenvironmentswithmoistureandstronge1ectricfie1ds.Thepo1ymer-basednanocompositedie1ectrichasgainedmuchattentionforitsuniquestructureandexce11en

6、te1ectrica1,mechanica1andchemica1properties.T1ieperformanceofnanocompositesdependsonthestabi1ityofthemicrostructuremorpho1ogyformedbynanopahic1esandcross1inking.Inordertoinvestigatetheeffectofcross1inkingdegreeonthewater-treeagingcharacteristicsofnanocompositesfromthemicrostructureaspect,twokindsofc

7、ross1inkedpo1yethy1ene/montmori11onite(X1PE/OMMT)nanocompositcswithdifferentcross1inkingdegreeswerepreparedinthispaperbyregu1atingthecross1inkingtime,andtheacce1eratedwa1er-treeagingexperimentwasconducted.First1y,thewater-treemorpho1ogywasobservedbythepo1arized1ightmicroscopy.The1engthandinitiationp

8、robabi1ityofwatertreeswereca1cu1ated,andthege1contentwastestedtocharacterizethecross1inkingdegreeofthenanocomposites.Second1y,thechangesofthechemica1compositionofthespecimensbeforeandafteragingwereana1yzedbytheFourierInfraredSpectroscopy(FTIR).Thecarbony1indexand收稿日期:2023-08-31基金项目:山东省自然科学基金项目(ZR201

9、9MEE100)：淄博市张店区校城融合发展计划项目(2023JSCGO(X)9)作者简介:茁芸滋(1998),男，硕士生.研究方向：高电压与绝缘技术.E-mai1：dongyunzi*通信作者:李秀峰，副教授，E-mai1：1ixiufengO9IO网络出版时间:2023-07-0516:14:55网络出版地址:hups:ki.neUkcms2/deiai1/51.1773.TB.20230704.1543.003.him1methy1eneindexthatcharacterizetheagingdegreeofthenanocompositespecimenswereca1cu1ated.

10、Fina11y,thescanninge1ectronmicroscope(SEM)wasusedtocomparethechangesofthecrysta1morpho1ogyinthewater-1reeareaandthenonwater-treeareabeforeandafteraging.Thedamageofthewater-treegrowthtothecrysta1structurewasa1sostudied.Theexperimenta1resu1tsshowthatthecross1inkingdegreeofnanocompositesaffectstheiniti

11、ationprobabi1ityofwatertrees.Thewater-treemorpho1ogyofthespecimensinthepositivecross1inkingstateissparse,whosefracta1dimensionanddutycyc1eissma11.Thee1ectrochemica1degradationphenomenonexistsduringtheagingprocessofthespecimens,andthecarbony1groupincreases.Anappropriatecross1inkingdegreecanproduceamo

12、reperfectthree-dimensiona1meshstructure,withsma11ervariabi1ityofthecrj,sta1sizeofthespecimens,moreuniformcrysta1distribution,and1owerdegreeofthecrysta1damageafteraging.Theorganicmontmori11onite(OMMT)formsaso1idinterfacia1forcebetweenthe1ayersandthematrix,whichenhancesthemo1ecu1archaintoughness.Theba

13、rriereffectofOMMTandtheperfectcross1inkedtwtworkworktogethertohinderthediffusionandaggregationofwatermo1ecu1es,inhibitthegenerationofmicroscopicwatergaps,andimprovethewatertreesresistanceofnanocomposites.Keywords:cross1inkingdegree:nanocompositemateria1：cross1inkedpo1yethy1ene;organicmontmori11onite

14、;water-treeagingX1PE/OMMT改性试样具有更好的抗氧化能力，耐水交联聚乙烯(X1PE)电缆因其良好的电气性能和机械性能而得到广泛应用5文但电缆的实际运行环境复杂多变，会受到各种外界因素的影响，发生某些物理化学变化，导致绝缘性能下降，威胁电力系统的安全运行。因此，需要进一步提升X1PE的绝缘性能。在潮湿环境中，由于电力电缆的绝缘会在电、水、杂质等复杂因素的共同作用下形成水树枝外叫使绝缘层机械性能、电气性能及其他性能劣化，甚至可能发展成电树枝，导致绝缘击穿，引发电力事故。纳米改性技术的出现为电气绝缘材料的发展和研究开辟了新的领域，不少学者开展了纳米颗粒改性聚合物提高材料耐水树枝

15、性能的相关研究。Zhang等利用三羟甲基丙烷三丙烯酸酯改性纳米二氧化硅(SiO2),并制备了SiOz/X1PE纳米复合材料，发现改性后的SiO?可以抑制水分子在绝缘缺陷处凝结成微水珠，从而减轻微水珠在交变电场下对聚乙烯分子键的破坏，限制了非晶区中的水树枝生长，提高了材料的耐水树枝能力。Wahab等在X1PE中添加氧化锌和氧化铝，发现添加氧化铝可以有效抑制水树枝的生长，且在氧化铝质量分数为1%时的抑制效果最佳。于庆月等对比了纳米有机蒙脱(0MMT)、SiO2和极性乙烯-醋酸乙烯共聚物对X1PE耐水树枝的影响，发现三者的加入均可有效抑制X1PE中水树枝的生长，且树枝能力更强。可见，纳米掺杂可以提高

16、材料的耐水树枝能力。聚合物纳米复合材料有着极其复杂的结构形态，掺杂物的多态性、填充量、表面修饰剂的种类和相容剂的极性匹配等都会影响聚合物的微观结构和水树枝的生长特性。2:1型层状硅酸盐-纳米蒙脱土(MMT)属于比较独特的一类填料，是片层厚度1nm、宽度IoOnm的周期性层叠片层结构。这种填料具有非常大的长厚比，在与聚合物复合后，聚合物插入片层间，充分利用MMT的内、外表面形成稳定且牢固的界面结合力，协同蒙脱土片层形成的几何迂回效应，能有效提高聚合物的力学、热和电气性能等，使复合电介质呈现出有别于掺杂球形纳米粒子复合材料的阻隔特性。徐国敏等I研究了多级拉伸挤出工艺对纳米有机蒙脱/高密度聚乙烯形态结构和拉伸性能的影响，发现该工艺能够减小OMMT的颗粒尺寸，改善OMMT在高密度