电场诱导蒙脱土在聚乙烯中取向分散及其电树枝特性研究

摘要

聚乙烯因其优良的介电和耐热性能而成为了典型的电力电缆固体绝艳材料。电树枝是引起电缆绝缘损伤并导致故障的主要原因之一。特别是聚乙烯电缆中的电树枝生长会导致材料绝缘击穿，严重威胁电力系统的安全运行。前人已经发现用熔融插层复合法制得的低密度聚乙烯/蒙脱土(LDPE/MMT)复合材料具有较好的抗电树枝特性。主要原因是，电树枝在生长的过程中遇到MMT会改变原有路径而沿MMT表面生长，这样就延长了放电距离，推迟了电树枝生长引起的贯穿性击穿。近年来，众多学者利用电场诱导粒子取向技术制备出一系列具有各项异性的复合材料。它们发现诱导取向后的材料的光学性能、机械性能、电学性能有较大的提高。设想，利用电场诱导粒子取向技术，使MMT在LDPE中垂直于电树枝生长方向排列，当电树枝遇到MMT时，电树枝将会沿着原本生长方向的法向生长，放电距离将会得到最大限度的延长，电树枝也就得到了最有效的抑制。
　　 因此，本文提出了一种新的提高LDPE抗电树枝能力的方法-电场诱导MMT在LDPE中取向分散。为此，我们自行设计制作了电场取向装置，并根据电场诱导取向原理推算了合适的诱导温度、诱导场强等参数。之后，分别对不同MMT含量和电场诱导前后复合材料的基本性能特别是电树枝生长特性进行了研究，主要成果如下：
　　 ①经过理论计算和实验摸索，确定诱导温度为170℃、诱导电场为场强为18kV/mm的工频交流电场。
　　 ②通过测量材料的紫外光透射率、X射线衍射曲线和SEM图，发现电场诱导后部分MMT发生了沿电场方向的取向翻转。并且电场诱导取向后，材料的热学性能几乎没有变化，但介电强度出现了各项异性。
　　 ③ LDPE/MMT复合材料的MMT最佳添加量为1％，因为此时MMT分散性最好能与LDPE较好的相容，阻隔电树枝生长的效果最佳；而当MMT含量达到5％时，MMT发生“团聚”成为杂质反而使材料各项性能劣化。
　　 ④电场诱导MMT取向分散后，材料的电树枝起始电压升高，电树枝生长速度减慢、生长长度缩短。样品的局部放电统计结果显示，电树枝得到抑制的原因是电场诱导使MMT剥离得更好，削弱了“团聚”引起的局部放电；同时MMT垂直于电场方向排列后，其“延长放电距离”和“阻隔水分和空气”的作用达到了最大限度，所以材料抑制电树枝的能力显著增强。