苯乙酮—SiO2/LDPE復(fù)合材料擊穿性能研究

劉奇

摘 要：目前最廣泛使用的絕緣材料是聚乙烯，以其為基料制備的復(fù)合材料具有較好的電性能并且易于加工。苯乙酮是交聯(lián)劑過氧化二異丙苯分解產(chǎn)生的副產(chǎn)物，大量的研究結(jié)果證明苯乙酮有較好的抑制電樹枝效果，并且能提高擊穿場強(qiáng)；然而苯乙酮分子量很小，受熱易揮發(fā)，直接和聚乙烯摻雜會(huì)隨著時(shí)間慢慢的析出，無法真正提高聚乙烯的電性能。基于此，本文采用化學(xué)方法處理苯乙酮，將其分子接枝到SiO2顆粒表面的羥基上，隨后與聚乙烯熔融共混制備了一種復(fù)合材料，苯乙酮-SiO2/LDPE，利用SiO2顆粒將苯乙酮固定在聚乙烯中。對其進(jìn)行交、直流擊穿實(shí)驗(yàn)，結(jié)果得出，不同含量的苯乙酮-SiO2/LDPE復(fù)合材料與純聚乙烯相比有不同程度的提高，百分之一含量提高的最大，百分之三含量提高的最小。

關(guān)鍵詞：苯乙酮；擊穿場強(qiáng)；復(fù)合材料

中圖分類號：TM215.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）01-0090-01

1 自蔓延法制備SiO2

自蔓延燃燒法實(shí)質(zhì)是依靠材料自身反應(yīng)發(fā)出的熱量，在較短的瞬間完成化學(xué)反映的技術(shù)。首先外界要提供必要的能量來誘導(dǎo)反應(yīng)的產(chǎn)生，一般是依靠引燃的方式，反應(yīng)一旦開啟，釋放的熱量便會(huì)提供維持反應(yīng)進(jìn)行的基本能量，能量便以燃燒波的方式蔓延開來，合成所需化合物。

2 SiO2的活化處理

SiO2的活化處理也可簡稱為酸化處理，最終目的是暴露SiO2顆粒表面的羥基，與α-溴代苯乙酮結(jié)合成化學(xué)鍵，制造出苯乙酮-SiO2的復(fù)合物。

3 溴代苯乙酮接枝SiO2

溴代苯乙酮與SiO2顆粒表面的羥基（-OH）發(fā)生縮合反應(yīng)，生成的溴化氫被除去，最終生成的SiO2顆粒，顆粒表面Si-R和Si-OH基團(tuán)共存。如果溴代苯乙酮摻雜的比例較高，SiO2表面的羥基幾乎都形成Si-R基團(tuán)，從而生成物的表面只有Si-R基團(tuán)的一種納米SiO2復(fù)合材料。通過調(diào)控溴代苯乙酮和SiO2顆粒的比例，可以調(diào)控SiO2納米顆粒表面的Si-OH和Si-R基團(tuán)比例，可得到不同改性程度的SiO2復(fù)合材料。

4 苯乙酮-SiO2/LDPE復(fù)合材料的擊穿實(shí)驗(yàn)過程

將得到的新型苯乙酮-SiO2顆粒與聚乙烯熔融共混，混合好的材料壓制成厚度d≈100μm的圓形薄片，并進(jìn)行預(yù)處理：t=24h，T=80C在真空烘箱中烘干。預(yù)處理的作用是消除復(fù)合材料在制作過程中由于各種環(huán)境因素的不同對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。在本篇文章中，分別采用直流和工頻交流電壓來進(jìn)行擊穿實(shí)驗(yàn)，根據(jù)電場強(qiáng)度的計(jì)算公式E=U/d計(jì)算出場強(qiáng)。使用平板電極進(jìn)行測試，上電極直徑為25mm的圓形電極，接高壓端、下電極直徑為75mm的圓形電極接地，為了避免空氣隙的影響，將電極系統(tǒng)放置于硅油中，不同組分的復(fù)合材料每組測試十個(gè)，從而消除偶然因素。升壓速度為1kV/s，提高電壓直到材料發(fā)生擊穿，擊穿后，儀器的短路報(bào)警裝置會(huì)發(fā)出報(bào)警，讀出儀表上的擊穿電壓U并記錄，用薄膜測厚儀測出擊穿點(diǎn)附近試樣的厚度，從而計(jì)算出擊穿場強(qiáng)。

5 苯乙酮-SiO2/LDPE復(fù)合材料的擊穿特性分析

利用場強(qiáng)計(jì)算公式計(jì)算得到的三種不同含量復(fù)合材料的直流擊穿場強(qiáng)和工頻交流擊穿場強(qiáng)，并使用MINITAB統(tǒng)計(jì)軟件對結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。繪制出Weibull分布圖，最終得到下圖純LDPE與不同含量苯乙酮-SiO2/LDPE復(fù)合材料的場強(qiáng)曲線。

由圖1（a）可知，此種新型的復(fù)合材料的交流擊穿場強(qiáng)與純聚乙烯材料相比有所提高，并且苯乙酮-SiO2含量不同時(shí)，場強(qiáng)提高的幅度也不同，整體趨勢是隨著苯乙酮-SiO2含量的降低交流擊穿場強(qiáng)呈現(xiàn)上升的趨勢，其中含量為3%、2%、1%時(shí)，擊穿場強(qiáng)分別提高了2.39%、3.89%、6.88%；由圖1（b）可知，這種復(fù)合材料的直流擊穿場強(qiáng)也要高于純LDPE，不同含量擊穿場強(qiáng)提高的幅度不同，提升趨勢與交流提升趨勢相同，即隨著含量的降低直流場強(qiáng)上升，其中含量為3%、2%、1%時(shí)，擊穿場強(qiáng)分別提高了6.66%、7.66%、12.05%。

6 結(jié)語

由于苯乙酮的引入，芳香烴衍生物中固有的大π鍵，具有吸收運(yùn)動(dòng)電子能量的特性，從而降低了材料中的電子數(shù)目，有效的抑制碰撞電離，降低了聚合物分子鏈被高速電子轟擊斷裂的概率，因次苯乙酮-SiO2/LDPE的這種復(fù)合材料于純LDPE相比有較高的擊穿場強(qiáng)；此外，苯乙酮具有一種稱作烯醇式互換異構(gòu)的反應(yīng)，該反應(yīng)可以吸收高速電子的能量，并把該能量用于其結(jié)構(gòu)的互換，只要是能量大于260.9kJ/mol的電子都會(huì)被吸收，從而引發(fā)此反應(yīng)，而要使C-C鍵斷裂的能量為347.3kJ/mol，這樣就降低了由于電子積累造成的能量過大，高于C-C鍵斷裂能，使得C-C鍵擊穿的情況，因此擊穿場強(qiáng)得以提高。當(dāng)苯乙酮-SiO2顆粒含量大于1wt%時(shí)，擊穿場強(qiáng)反而略減小，分析原因可能是由于苯乙酮-SiO2粒子數(shù)量的增加，引入了更多的雜質(zhì)離子，材料內(nèi)部形成更多的帶電粒子，在電場的作用下帶電粒子被加速，聚乙烯分子鏈被破壞的概率增大，導(dǎo)致材料的擊穿強(qiáng)度反而降低。

上述可見，加入苯乙酮-SiO2粒子之后，添加劑材料與純聚乙烯相比擊穿場強(qiáng)有所提高，證明苯乙酮在復(fù)合材料中起到了作用。endprint