苯乙酮(AP)作為電壓穩(wěn)定劑可顯著提高聚乙烯(PE)絕緣材料的擊穿場強(qiáng)和耐電樹枝老化性能。但由于其與PE相容性差,容易從PE絕緣材料中遷出,嚴(yán)重影響PE絕緣材料的介電性能和長期使用可靠性,這成為阻礙AP電壓穩(wěn)定劑實(shí)際應(yīng)用的主要原因。為解決AP電壓穩(wěn)定劑遷出問題,本文設(shè)計(jì)了可接枝AP和將AP修飾到聚合物分子鏈上兩種方案,解決AP易從PE中遷出難題,同時(shí)也為解決其他芳香族電壓穩(wěn)定劑從PE中遷出問題提供思路。開展的研究工作如下:通過在AP對(duì)位引入雙鍵活性基團(tuán),制備可接枝AP電壓穩(wěn)定劑4-乙烯基氧基苯乙酮(VPE)。采用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)和核磁共振(~1H NMR)對(duì)VPE結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征;分析了反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度等因素對(duì)VPE產(chǎn)率的影響;采用輻照交聯(lián)(~(60)Co輻照裝置)的方法在低密度聚乙烯(LDPE)交聯(lián)過程中將VPE接枝到XLPE分子鏈上,制備了接枝AP交聯(lián)聚乙烯(VPE-g-XLPE)。通過對(duì)比抽提實(shí)驗(yàn)前后VPE/PE和VPE-g-XLPE試樣FTIR圖,表明VPE成功接枝到XLPE分子鏈上,并有效抑制VPE從XLPE中遷出。通過熱失重(TG)方法測定了VPE接枝效率和VPE在共混和成型過程中損失率,研究結(jié)果表明,VPE接枝效率為75.2%,在共混和成型過程中損失率為40.5%。對(duì)XLPE、AP/XLPE和VPE-g-XLPE進(jìn)行電性能研究,結(jié)果表明,接枝到XLPE分子鏈上的VPE與游離在XLPE材料中的AP都能顯著提高XLPE交流擊穿場強(qiáng)、直流擊穿場強(qiáng)和起樹電壓,VPE效果甚至要好于AP,這是因?yàn)閂PE苯環(huán)對(duì)位連有給電子的烷氧基團(tuán),使其由酮式轉(zhuǎn)換成烯醇式異構(gòu)化反應(yīng)能壘低于苯乙酮由酮式轉(zhuǎn)換成烯醇式異構(gòu)化反應(yīng)能壘,能更有效的消耗XLPE材料內(nèi)部高能電子的能量,更好的降低高能電子對(duì)PE分子鏈的破壞。通過對(duì)比AP/XLPE和VPE-g-XLPE高溫去氣實(shí)驗(yàn)前后交流擊穿場強(qiáng)和起樹電壓測試結(jié)果,VPE-g-XLPE相對(duì)AP/XLPE具有更好熱穩(wěn)定性,高溫去氣實(shí)驗(yàn)前后VPE-g-XLPE擊穿場強(qiáng)和起樹電壓均相比XLPE均獲得明顯提高。VPE-g-XLPE對(duì)電樹枝引發(fā)和生長及空間電荷積累具有較好的抑制效果,研究表明,這主要與VPE在XLPE基體中的消耗高能電子能量和引入均勻、穩(wěn)定的深陷阱有關(guān)。通過乙�；磻�(yīng)在聚苯乙烯丁二烯嵌段共聚物(SEBS)分子鏈上修飾出AP結(jié)構(gòu)單元,制備了含有AP的乙�；疭EBS(Ac-SEBS)。采用共混方法制備Ac-SEBS/LDPE復(fù)合材料。經(jīng)熱失重測試表明AP穩(wěn)定存在Ac-SEBS/LDPE復(fù)合材料基體中。通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀測了不同乙�；潭華c-SEBS在LDPE基體中分散狀態(tài),結(jié)果表明,通過調(diào)控SEBS乙酰化程度,可使Ac-SEBS以納米尺度均勻分散在LDPE基體中。對(duì)Ac-SEBS/LDPE介電性能進(jìn)行研究,研究結(jié)果表明,Ac-SEBS可顯著提高LDPE直流擊穿場強(qiáng),并對(duì)空間電荷積累具有明顯抑制效果,并在提高LDPE起樹電壓的同時(shí)保證交流擊穿場強(qiáng)不降低。Ac-SEBS/LDPE復(fù)合材料介電性能的提高主要與Ac-SEBS在LDPE基體中引入苯乙酮有關(guān),一方面苯乙酮能夠在與高能電子碰撞的過程中通過酮式烯醇式異構(gòu)化反應(yīng)消耗高能電子能量,減少其對(duì)LDPE分子鏈破壞,另一方面其做為深陷井均勻穩(wěn)定分布在LDPE基體中,能夠抑制空間電荷的注入及遷移。本文研究結(jié)果表明,無論是將AP接枝到XLPE分子鏈上,還是將其修飾到聚合物分子鏈上通過共混方法改性LDPE,都能明顯提高PE介電性能,并有效抑制AP從PE基體中遷出。
【學(xué)位單位】：哈爾濱理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TM21
【部分圖文】：

哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文因素。PE 絕緣材料在生產(chǎn)過程中需要添加交聯(lián)劑、抗氧劑等添加劑，但添加劑會(huì)對(duì) PE 絕緣性能產(chǎn)生重要影響，學(xué)者們也針對(duì)這些添加劑對(duì) PE性能的影響展開研究。PE 在生產(chǎn)加工過程中需要加入適量的抗氧劑，抑制 PE 在加工過程中老化[53-55]。研究表明抗氧劑不僅能夠減少 PE 的熱老化，對(duì)材料介電性能一定影響。Y. Tanaka 等[56]研究了抗氧劑對(duì) PE 分子結(jié)晶和空間電荷積累響。LDPE 熔融后在 102℃等溫結(jié)晶，一段時(shí)間后淬火冷卻。對(duì)比 LD加入抗氧劑 LDPE 透射電鏡圖片，LDPE 結(jié)晶形態(tài)為帶狀球晶，而加入劑后，LDPE 基體中球晶消失，出現(xiàn)大量晶片聚集體，見圖 1-1。對(duì)比 LD添加抗氧劑 LDPE 在常溫、50℃和 70℃下空間電荷積累情況，在常溫條，LDPE 和添加抗氧劑 LDPE 空間電荷特性相似，抗氧劑的加入對(duì)空間特性影響不大，說明結(jié)晶形態(tài)對(duì) LDPE 內(nèi)的空間電荷影響不是主要因素 50℃和 70℃下，LDPE 并未發(fā)現(xiàn)有明顯空間電荷，而添加抗氧劑的 LD發(fā)現(xiàn)大量負(fù)電荷積累，分析這主要是由于抗氧劑在材料基體中引入深陷獲了負(fù)電荷。

第 1 章 緒論米顆粒改性聚乙烯 T. J. Lewis 首先提出了“納米尺度電介質(zhì)”概機(jī)納米材料均勻分散到聚合物基體中，聚合物和合材料的介電性能產(chǎn)生重要作用，并闡述了納米電解質(zhì)絕緣領(lǐng)域的應(yīng)用前景[62]。這引起了研究人研究熱情。. Nelson 等[63]研究發(fā)現(xiàn)納米電解質(zhì)相對(duì)于傳統(tǒng)微性能和抑制空間電荷積累等方面具有明顯優(yōu)勢，可使 XLPE 耐電壽命明顯提高，特別是經(jīng)過乙烯 其耐電壽命相比 XLPE 提高 2.5 個(gè)數(shù)量級(jí)，相耐電壽命提高兩倍，見圖 1-2，隨后納米氧化鋁、SiO2、蒙脫土及氧化鈦(TiO2)等被廣泛用于改

圖 1-3 俘獲高能電子的電壓穩(wěn)定劑作用機(jī)理Figure 1-3 Mechanism of voltage stabilizer capturing high energy electrons1.4 苯乙酮電壓穩(wěn)定劑作用機(jī)理苯乙酮作為 DCP 引發(fā) LDPE 交聯(lián)反應(yīng)的副產(chǎn)物，是最早被報(bào)道的能夠起到電壓穩(wěn)定劑作用的化合物，其能顯著提高 XLPE 材料的耐電樹枝性能和擊穿強(qiáng)度，但關(guān)于苯乙酮的電壓穩(wěn)定劑作用機(jī)理并不明確。近年來大型計(jì)算服務(wù)器的廣泛使用，通過理論化學(xué)計(jì)算可對(duì)電壓穩(wěn)定劑作用機(jī)理進(jìn)行研究，這對(duì)設(shè)計(jì)、制備高效電壓穩(wěn)定劑具有重要的指導(dǎo)作用。張輝等[114-119]最早提出了苯乙酮通過酮式和烯醇式結(jié)構(gòu)互變吸收高能電子能量，從而降低高能電子對(duì) PE 分子鏈的破壞。并在通過密度泛函理論計(jì)算的方法計(jì)算了苯乙酮及連有不同側(cè)鏈的苯乙酮衍生物酮式-烯醇式互變異構(gòu)反應(yīng)的能壘，研究表明苯乙酮及其衍生物不論是從酮式轉(zhuǎn)換成烯醇式還是從烯醇式轉(zhuǎn)換成酮式都需要克服一定的能壘，但這些能壘均小于聚乙烯絕緣材料中 C-C 鍵斷裂所需的能量（C-C 鍵平均鍵能 83.05kcal/mol）。這就可以解
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本文編號(hào)：2844369