纳米粒子改性聚乙烯直流电缆绝缘材料研究(Ⅱ)

在电缆聚乙烯材料中添加一种新型纳米粒子可以有效改善材料中的空间电荷积聚,提高其直流击穿强度和体积电阻率。为深入了解此纳米粒子作用机理,基于电声脉冲法(PEA)和充电-放电电流法,分别测量了在不同温度下、不同纳米含量时聚乙烯纳米复合材料的极化/去极化特性。用PEA方法得到不同温度下材料的平均电荷体密度、视在迁移率和陷阱深度,结果表明,20～40°C下,纯聚乙烯及聚乙烯纳米复合材料试样内的陷阱以浅陷阱分布为主;80°C下,当聚乙烯中纳米粒子质量分数>3%时,会增加复合材料陷阱深度。用充电-放电电流法计算得到材料的迁移率,可知在20～60°C内,不同试样迁移率的变化主要由纳米粒子和温度共同作用产生,而在60～80°C内,迁移率的变化则是温度起主要作用。分析认为,电荷输运受到陷阱与温度的影响是导致电阻率变化的主要原因,而在温度梯度场下,聚乙烯纳米复合材料电阻率的正温度系数趋势是抑制材料内空间电荷积聚的主要原因。     

电声脉冲法测量聚合物绝缘表面陷阱能级分布

对紫外光老化不同时间的低密度聚乙烯(low-density polyethylene,LDPE)试样及3%含量的纳米氧化锌(ZnO)粒子与LDPE复合材料试样进行了交流击穿实验,结果表明纯LDPE试样的击穿强度随光老化时间的增加逐渐降低,3%含量的纳米ZnO粒子与LDPE复合材料的击穿强度光老化后基本保持不变。通过对老化前后试样的老化面分别进行电晕放电注入负电荷,并采用电声脉冲法测量短路状态下表面注入电荷随时间的衰减特性,通过公式推导计算得出试样老化面的陷阱能级分布。结果表明,纳米ZnO粒子不仅能提高聚乙烯的光稳定性,还通过成核和界面作用减少聚乙烯体内深陷阱密度,增加浅陷阱密度。     

乙烯咔唑接枝低密度聚乙烯的电性能研究

采用流变仪混炼器通过熔融法制备了乙烯咔唑(VK)接枝低密度聚乙烯,研究了VK含量对咔唑接枝低密度聚乙烯(VK-g-LDPE)复合材料的击穿场强、空间电荷、体积电阻率等电性能的影响。结果表明:随着VK含量的增加,VK-g-LDPE对内部空间电荷的抑制作用先增强后减弱,复合材料的击穿场强和体积电阻率呈先升高后降低的趋势。当VK含量为13.0%时,复合材料的击穿场强比纯LDPE提高了67.73%,空间电荷量比纯LDPE降低了95.9%,体积电阻率为纯LDPE的2.59倍。     

高压直流塑料电缆绝缘用纳米改性交联聚乙烯中的空间电荷特性

为发展国产高压直流(HVDC)塑料电缆绝缘材料,削弱直流电缆运行中温度梯度效应对电缆绝缘中电场强度的畸变,针对国产纯交联聚乙烯(XLPE)、自行研发的纳米改性XLPE以及从国外进口的高压直流用XLPE等3种材料的试样进行了研究。利用电声脉冲(PEA)法和电阻率测量系统,测量了3种XLPE试样在室温、高温及温度梯度等3种温度条件下的空间电荷特性和电阻率特性。研究结果表明:在室温、高温及温度梯度等3种温度条件下,纳米改性XLPE试样在加压过程中的体内积聚电荷量最少、短路后残余电荷量较少;随着温度升高,3种XLPE试样的体积电阻率均呈下降趋势,但自行研发的纳米改性XLPE试样的体积电阻率在测试的高低温范围内始终最高,且比纯XLPE试样高出约1个数量级。因此认为在所测试的3种XLPE试样中,自行研发的纳米改性XLPE材料在测试温度范围内能最好地抑制空间电荷,拥有最高的体积电阻率。     

LDPE中掺入浮石粉对其空间电荷分布特性的影响

为研究低密度聚乙烯和掺杂浮石粉的聚乙烯中的空间电荷分布规律,采用热共混法制备了掺杂不同质量分数浮石粉的低密度聚乙烯(LDPE)材料,并利用脉冲电声法,分别测试了在不同电场强度下以及短路状态下的空间电荷分布随时间的变化。得出在电场的作用下,纯聚乙烯中的空间电荷主要积聚在电极附近且大部分为同极性电荷;相对地,浮石粉复合聚乙烯中则有大量的异极性电荷在阴极附近出现,并且电荷量随着浮石粉质量分数的提高而增加,而当浮石粉质量分数为5%时,且电场强度较高时,有大量正电荷从阳极注入并向阴极移动的空间电荷包现象;短路实验的结果表明,纯聚乙烯和浮石粉的质量分数为1%的复合聚乙烯中的空间电荷衰减较快,然而浮石粉质量分数为2%和5%的复合聚乙烯中的空间电荷衰减较慢。测试结果表明,浮石粉复合低密度聚乙烯材料中出现的异极性电荷和正电荷注入将有助于改善空间电荷分布,从而提高高聚物材料的介电性能。     

EAA改性XLPE中空间电荷和电树、水树的关系

以不同含量的EAA（乙烯－丙烯酸共聚物）改性XLPE（交联聚乙烯）,用电声脉冲法测量了样品中的空间电荷分布。探讨了试样中空间电荷分布与EAA含量的关系,找到了抑制空间电荷的最佳含量。同时测出了在直流预压电压下短路电树枝的起始电压。对交流电压下抑制水树枝的产生和成长了做了研究。试验发现：当试样中含EAA为1．0％wt时,聚乙烯的直流预压短路树枝的起始电压得到提高;交流电压下树枝的出现概率和水树枝长度都减小。     

氯化聚乙烯共混对聚乙烯的空间电荷效应的影响

在直流电场作用下 ,用电声脉冲法测量了低密度聚乙烯 (LDPE)中空间电荷的分布 ,计算结果表明 ,异极性空间电荷严重畸变试样中的电场的分布。以少量氯化聚乙烯 (CPE)混入低密度聚乙烯中 ,大大降低了试样中的空间电荷 ,电场分布趋向均匀。在正负极性直流预压短路树枝试验中 ,分别提高试样短路树枝起始电压 2 6 8%和 36 3%。通过直流预压和电晕电荷注入后 ,短路过程中空间电荷分布的测量 ,提出氯化聚乙烯的作用机理在于降低了聚乙烯中陷阱的深度和密度。     

以氯化聚乙烯改性交联聚乙烯作为直流电缆绝缘的研究

以少量氯化聚乙烯(CPE)改性交联聚乙烯(XLPE),用电声脉冲法测量了试样中的空间电荷分布,研究了CPE含量与空间电荷的关系,确定了降低空间电荷的最佳含量,研究了CPE对试样直流预压短路树枝起始电压的影响,当CPE含量为1%时,XLPE的50%直流预压短路树枝起始电压决定直流电压的极性,分别可提高42.3%和35.5%。最后作者还测量了试样的其他介电性能,计算了空间电荷畸变的电场强度,分析和讨论了相关的机理。     

MgO/LDPE纳米复合材料制备及其空间电荷特性

为了降低低密度聚乙烯中的空间电荷积累,在自制纳米MgO粉体的基础上,采用熔融共混法,制备了氧化镁/低密度聚乙烯(MgO/LDPE)纳米复合材料,并通过扫描电镜(SEM)观察了MgO/LDPE纳米复合材料中的MgO粒径大小和分散情况,采用差热扫描量热法(DSC)确定了不同MgO质量分数纳米复合材料的结晶度,采用电声脉冲法(PEA)测量了不同MgO质量分数纳米复合材料的空间电荷分布,测量了不同MgO质量分数纳米复合材料的拉伸性能。试验结果表明,MgO/LDPE纳米复合材料体系中,MgO粒径约为50nm,且分散均匀;不同MgO质量分数纳米复合材料的弹性模量和抗张强度均高于纯LDPE的,且MgO质量分数为2%时达到最大值;不同MgO质量分数纳米复合材料的结晶度均高于纯LDPE的;纳米MgO能抑制空间电荷的注入和其在材料体内的迁移,质量分数为3%时,MgO/LDPE纳米复合材料中的空间电荷得到了良好的抑制。     

纳米粒子改性聚乙烯直流电缆绝缘材料研究(Ⅰ)

由于高压直流塑料电缆运行中温度梯度效应会引起场强畸变,选用一种特殊的纳米粒子作为填料,通过熔融共混制备出不同填料质量分数(1%,3%,5%)的低密度聚乙烯(LDPE)纳米复合材料。通过扫描电镜(SEM)观察,证明纳米粒子在聚乙烯中分散均匀。利用电声脉冲(PEA)法研究了温度梯度场下LDPE纳米复合材料中的空间电荷及场强畸变特性;并测量了不同温度下的体积电阻率和直流击穿特性。结果表明,该种纳米粒子的添加能有效改善温度梯度场下聚乙烯绝缘中电荷积聚和场强的畸变现象,并提高聚乙烯的直流击穿强度。同时发现,该聚乙烯纳米复合材料体积电阻率随着温度升高呈现先升后降趋势。     

DC conduction and electrical breakdown of MgO/LDPE nanocomposite

To understand basic electric properties of nano-sized magnesium oxide (MgO) / low-density polyethylene (LDPE) nanocomposite under DC voltage application, the volume resistivity, the space charge distribution and the breakdown strength were investigated. By the addition of nano-sized MgO filler, both the DC breakdown strength and the volume resistivity of LDPE increased. At the average DC electric field of about 85 kV/mm and more, a positive packet space charge was observed in LDPE without MgO nano-filler, whereas a little homogeneous space charge was observed in MgO/LDPE nanocomposite material at the front of electrode. From these results, it is confirmed that the addition of MgO nano-filler leads to the improvement of DC electrical insulating properties of LDPE.     

茂金属聚乙烯改善低密度聚乙烯的介电性能

针对高压、超高压直流塑料电缆中存在的空间电荷效应,大多数直流电力电缆常采用改性方法提高其介电性能,如空间电荷特性、体积电阻率和击穿强度等。常用的改性方法主要有添加剂、共混、接枝和二元共聚4种。共混技术较广泛用以改性聚乙烯电缆,提高其介电性能。因此用电声脉冲法(PEA)测量了MPE与LDPE共混试样中的空间电荷分布;用高阻计测量了共混物的体积电阻率,用阶梯电压测量了共混物的交流击穿场强。试验结果表明,1%MPE与LDPE共混能有效降低空间电荷效应,提高交流击穿场强7.9%,略降低体积电阻率。最后讨论了共混物的物质结构、电荷陷阱及介电性能间的关系。     

纳米ZnO对聚乙烯电老化过程中空间电荷及击穿特性的影响

聚乙烯是电气绝缘领域应用最广泛的聚合物材料之一。根据电老化过程中电子和空穴复合产生的紫外辐射能导致聚合物降解理论,将少量纳米ZnO与低密度聚乙烯熔融共混,研究了电晕老化不同时间后复合材料空间电荷以及击穿特性的变化。结果表明添加纳米ZnO能有效提高聚乙烯绝缘的耐电晕老化寿命。     

CB/LDPE纳米复合材料的空间电荷抑制特性

采用熔融共混法制备了纯低密度聚乙烯(LDPE)试样和纳米炭黑(CB)颗粒质量分数分别为0.01%、0.03%、0.05%、0.07%的CB/LDPE复合试样。采用扫描电子显微镜观察纳米CB颗粒在LDPE基体中的分散性,并利用电声脉冲法(PEA)测试各试样在常温和-40 kV/mm条件下的空间电荷积聚特性和陷阱特性,讨论纳米CB颗粒提升LDPE基体空间电荷抑制特性的机制。结果表明:相较于纯LDPE试样,CB/LDPE复合试样的空间电荷积聚特性得到了显著改善,其中CB质量分数为0.03%的CB/LDPE复合试样具有最佳的空间电荷抑制效果。纳米CB颗粒提高了复合试样内部的深陷阱密度,这是提高复合试样空间电荷抑制能力的关键。     

茂金属聚乙烯改性低密度聚乙烯中空间电荷的机理研究

针对高压,超高压直流塑料电缆中存在的空间电荷效应,文中选用与普通低密度聚乙烯(LDPE)化学结构相似的茂金属聚乙烯(MPE)作为成核剂与LDPE共混,用电声脉冲法(PEA)测量了共混物的空间电荷特性,以差示扫描量热法(DSC)研究了共混物的非等温结晶行为,用高阻计测量了共混物的体积电阻率的变化,结合聚合物的结晶和导电理论,讨论了共混物中空间电荷的形成和抑制机理。测试结果表明:1%的MPE与LDPE共混,能有效降低LDPE中空间电荷效应,提高结晶温度,降低体积电阻率。     

The effect of nano‐ZnO on corona aging and photo aging in low‐density polyethylene

In this paper, space charge distributions as well as dielectric properties, such as volume resistivity and AC breakdown strength, were studied in low‐density polyethylene (LDPE) and its composite obtained by adding nano‐ZnO nanofiller, before and after photo‐oxidation or corona aging for several days. It was found that a small amount of ZnO nanoparticles could effectively improve both the photostabilization and corona stabilization of the LDPE matrix. Fourier transform infrared (FTIR) spectra of the specimens were investigated to reveal the change of the microstructures. The results showed that a weaker carbonyl absorption peak appeared in LDPE/ZnO nanocomposite than in LDPE. A proper explanation is given according to the photodegradation and corona degradation theory of polyethylene. The results also showed that there was a certain similarity between photo aging and corona aging. IEEJ Trans 2010 DOI: 10.1002/tee.20600     

茂金属聚乙烯改性低密度聚乙烯介电性能与机械强度

为提高聚乙烯电缆料的击穿强度和机械性能,将少量茂金属聚乙烯(MPE)与普通低密度聚乙烯(LDPE)共混,用电声脉冲法(PEA)测量直流预压短路后的残余空间电荷量;详细研究了共混物的体积电阻率、直流击穿强度、直流预压反极性击穿电压和机械强度.实验结果表明:当MPE含量为1wt%时,能有效提高共混物的击穿强度和机械强度,但同时降低了体积电阻率和材料韧性,而且聚乙烯的介电性能和机械强度与其结晶形态密切相关.     

基于α松弛分析CB/LDPE纳米复合介质空间电荷特性

分别以导电炭黑(C-CB)和绝缘炭黑(I-CB)作为纳米填充相,研究不同性能炭黑(CB)对低密度聚乙烯(LDPE)空间电荷特性的影响。采用多种测试方法对CB微观形貌和表面化学特性进行表征。利用电声脉冲(PEA)法测量LDPE及其纳米复合介质的空间电荷分布,并结合动态机械分析法(DMA)和热刺激电流法(TSC)探索CB改善LDPE空间电荷特性的作用机理。结果表明:C-CB比I-CB具有更长的链状结构和较少的表面基团,可与LDPE产生更强的相互作用;C-CB/LDPE和I-CB/LDPE纳米复合介质均能够有效地抑制空间电荷积聚,其中前者的空间电荷抑制能力更强。分析认为复合介质空间电荷性能改善是由于CB与LDPE相互作用,减少了参与α松弛的分子形成的缺陷数量,降低了LDPE内的陷阱密度。     

Space charge and electrical conduction in maleic anhydride-graftedpolyethylene

The space charge behavior such as charge distribution and electrical conduction of maleic anhydride grafted LDPE (LDPE-g-MAH) was investigated. Heterocharge was found in LDPE and it decreased with increasing MAH graft ratio in LDPE-g-MAH. Conduction currents also decreased with increasing MAH graft ratio. The relationship between the space charge behavior and the electrical conduction characteristics in LDPE-g-MAH is discussed