纳米蒙脱土聚烯烃复合材料结构形态与电树生长机理研究

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1、国内图书分类号：TM215.92工学博士学位论文纳米蒙脱土/聚烯烃复合材料结构形态与电树生长机理研究博士研究生：迟晓红导师：张晓虹申请学位级别：工学博士学科、专业：电气工程所在单位：电气与电子工程学院答辩日期：2015年03月授予学位单位：哈尔滨理工大学ClassifiedIndex：TM215.92DissertationfortheDoctorDegreeinEngineeringInvestigationonMorphologyofNano-montmorillonite/PolyolefinCompositesandPropagating

2、MechanismofElectricalTreeCandidate：ChiXiaohongSupervisor：ZhangXiaohongAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpecialty：ElectricalEngineeringDateofOralExamination：March,2015University：HarbinUniversityofScienceandTechnology哈尔滨理工大学工学博士学位论文纳米蒙脱土/聚烯烃复合材料结构形态与电树生长机理研究摘要电树枝是聚合物

3、绝缘材料中常见的电老化现象，电树枝的产生会严重影响电气设备中聚合物绝缘的使用寿命与可靠性，已经成为制约高压电力设备发展不可忽视的因素。聚合物中电树枝化现象的研究已逾半个世纪之久，对于电树枝的抑制与机理分析一直是电介质工程应用与科学研究领域关注的热点。通过绝缘结构优化和加工工艺改进，可以改善聚合物绝缘材料的耐电树枝化特性，纳米技术的快速发展为提高绝缘材料介电性能和耐电树枝老化特性提供了新的研究思路和方法。本文以改善常用聚烯烃绝缘材料耐电树枝化性能为目的，分别以聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）为聚合物基体，以层状纳米硅酸盐蒙脱土（MMT）为无机纳米填料

4、，制备了聚烯烃基纳米蒙脱土复合材料MMT/PE和MMT/PP。利用扫描电子显微镜（SEM）观测了MMT在聚合物基体中的分散状态，通过傅立叶变换红外光谱（FTIR）测试了有机化MMT及复合材料的化学结构特征，结果表明经过有机化处理的MMT以纳米尺度在聚合物基体中均匀分散且通过偶联剂作用与基体聚合物形成化学结合。利用偏光显微镜（PLM）、X射线衍射仪（XRD）和差示扫描量热仪（DSC）对复合材料结晶形态、结晶度和结晶过程进行了分析，结果表明MMT改善了聚合物基体原有大球晶结构，提高了PE和PP的结晶度。通过对复合材料结晶形态和纳米蒙脱土分散状态的分析

5、，揭示了纳米蒙脱土对半结晶聚合物结构形态影响的作用机理。实验研究了PE、PP及其复合材料的电树枝特性，探讨了纳米复合材料结晶形态、结晶尺度及界面相容性等对电树枝生长的影响。结果表明：采用熔融插层法制备的MMT含量为0.5wt%的MMT/PE复合材料球晶尺度减小和结晶度增大的变化最明显，其结晶结构的改善是提高复合材料耐电树枝性能的重要因素。通过对比研究溶液插层法和熔融插层法制备的MMT/PE及熔融插层一步法和二步法制备的MMT/PP电树枝发展特性，探讨了界面相容性对电树枝生长的影响。提出了溶液插层法制备的MMT/PE和熔融插层-I-摘要二步法制备的

6、MMT/PP通过促进偶联剂和相容剂与基体聚合物分子的化学反应，改善复合材料的界面相容性进而提高其耐电树枝性能的观点。利用分形分析方法对电树枝图像的计盒分形维数进行计算，实现了电树枝发展形态特征的定量表征。以放电雪崩理论和电树枝分形特征为基础，结合结晶度与电树枝生长的相关性，修正了电树枝生长的动力学模型，对半结晶聚合物中电树枝生长的动力学过程进行了计算。动力学模型计算结果与实验结果具有较好一致性，表明提出的模型化方法可以应用于半结晶聚合物电树枝老化过程的定量分析。根据大球晶结构的物理特征对半结晶聚合物内部局域电场进行了模拟计算，结合相界面自由能对电

7、树枝生长的驱动作用以及界面相容性与电树枝的相关性，建立了半结晶聚合物中电树枝生长热力学状态方程。通过对电树枝发展热力学特征分析及树枝通道细节观测，论证了电树枝沿着半结晶聚合物中结晶界面发展的观点。根据电树枝在半结晶聚合物中生长的动力学及热力学特性分析，结合纳米蒙脱土/聚烯烃复合材料的结构特征，揭示了纳米蒙脱土通过改善聚合物结晶形态和无机片层阻隔作用对电树枝发展的抑制机理。对电树枝产生前后聚合物及其复合材料电导特性进行了实验研究，结合电树枝在半结晶聚合物中发展的动力学过程，探讨了树枝化聚合物的电导特性与电树枝通道电导特性的关系。通过对树枝产生前后充

8、电电荷和电导电流的分析，建立了树枝化聚合物的电路模型并分析了不同电导特性电树枝通道周围载流子的分布特征。关键词纳米蒙脱土/聚烯烃复合材料