LDPE/（ZnO+Al2O3）納米復(fù)合物的電性能研究

宋麗

【摘要】為研究無機(jī)納米摻雜對(duì)聚乙烯電性能的影響，本文采用熔融共混法制備了不同摻雜量的LDPE/（ZnO+Al2O3）納米復(fù)合物，并通過對(duì)擊穿場強(qiáng)研究其不同摻雜量對(duì)納米復(fù)合物的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過納米摻雜后，當(dāng)納米顆粒摻雜含量為0.5wt%時(shí)，LDPE的交流擊穿場強(qiáng)最大值達(dá)到98kv/mm左右，提高為原來的1.09倍。當(dāng)摻雜含量增加為7wt%時(shí)，LDPE擊穿場強(qiáng)最小值為72kv/mm左右，降低為原來的0.2倍；研究表明，少量的納米ZnO+Al2O3摻雜能夠提高LDPE的交流擊穿場強(qiáng)。

【關(guān)鍵詞】聚乙烯；電性能；擊穿場強(qiáng)

1.引言

聚合物基納米復(fù)合電介質(zhì)是無機(jī)填料以納米尺度均勻分散于聚合物中而形成的復(fù)合體系，又稱納米電介質(zhì)。在聚合物中加入無機(jī)納米顆?？赡軙?huì)引起其電、熱、機(jī)械等性能的大幅度提高。因而，自從1994年T.J. Lewis提出納米電介質(zhì)的概念并作為電介質(zhì)未來的研究方向之后，聚合物基無機(jī)納米復(fù)合電介質(zhì)開始受到工程界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，成為電介質(zhì)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，并被公認(rèn)為是下一代絕緣電介質(zhì)[1]。

目前研究多以單種納米顆粒摻雜為主，對(duì)兩種不同性質(zhì)的納米顆?；旌蠐诫s研究較少。由于ZnO納米顆粒摻雜除產(chǎn)生巨大的界面效應(yīng)外，其本身的非線性電阻效應(yīng)和半導(dǎo)電特性，可能對(duì)聚合物的電性能有重要影響；而Al2O3納米顆粒粒徑尺寸小，比表面積大，表面存在不飽和的殘鍵及不同鍵合狀態(tài)的羥基，絕緣性能好[2]。因此本文采用ZnO和Al2O3兩種納米顆粒和聚乙烯混合摻雜，通過對(duì)擊穿場強(qiáng)實(shí)驗(yàn)，希望能為研究和分析納米摻雜對(duì)聚合物影響機(jī)理提供一定的依據(jù)。

2.實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 LDPE/（ZnO+Al2O3）納米復(fù)合物制備

實(shí)驗(yàn)材料：大慶石化產(chǎn)LDPE，型號(hào)為18D；自制ZnO納米顆粒，粒徑為50nm左右，經(jīng)KH550表面處理；北京納辰提供的Al2O3納米顆粒，粒徑為13nm，經(jīng)KH550表面處理。

取一定量的ZnO和Al2O3納米顆粒，按一定的比例將其和LDPE均勻混合，加入到轉(zhuǎn)矩流變儀中，在150℃下混煉30分鐘將納米復(fù)合物混合均勻。最后在120℃的平板硫化機(jī)上，壓力為10MPa下熱壓成厚度為0.1～0.2mm、直徑為10cm的LDPE和不同摻雜含量的LDPE/（ZnO+Al2O3）納米復(fù)合物的圓形薄片，壓制時(shí)間為15min。將壓制的薄片在70℃下熱處理12h，以消除試樣壓制過程中壓力和冷卻速度不同對(duì)結(jié)晶形態(tài)的影響。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

2.2.1電擊穿場強(qiáng)測試

交流擊穿場強(qiáng)測試采用CS2674C型耐壓測試儀及標(biāo)準(zhǔn)電極系統(tǒng)。其電壓測試范圍可在0-50kv變化，誤差范圍±5%；漏電流測試范圍為0.5-20mA，誤差范圍±5%。本實(shí)驗(yàn)采用絕緣強(qiáng)度相對(duì)較高的苯甲基硅油（其絕緣強(qiáng)度可高達(dá)16kV/mm）作為實(shí)驗(yàn)媒質(zhì)，升壓速率為500V/s。樣品厚度為0.1～0.15mm，每種組分擊穿電壓測試均選用20個(gè)樣品，取其中間的10個(gè)擊穿電壓平均值為該組分擊穿電壓，并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 LDPE/（ZnO+Al2O3）納米復(fù)合物的擊穿場強(qiáng)

圖1是LDPE及其ZnO+Al2O3納米復(fù)合物的交流擊穿場強(qiáng)。從圖中看出：LDPE及其ZnO+Al2O3納米復(fù)合物的交流擊穿場強(qiáng)呈現(xiàn)先增減后減小的趨勢，在納米顆粒摻雜含量為0.5wt%時(shí)，LDPE的交流擊穿場強(qiáng)最大值達(dá)到98kv/mm左右（LDPE的擊穿場強(qiáng)為90kv/mm），提高為原來的1.09倍。當(dāng)摻雜含量增加為7wt%時(shí)，LDPE擊穿場強(qiáng)值出現(xiàn)最小，其值為72kv/mm左右，降低為原來的0.2倍。如前所述，納米復(fù)合物中納米顆粒與聚乙烯基體間的界面區(qū)域在高場強(qiáng)下具有一定的導(dǎo)電性，同時(shí)，界面形成的陷阱也對(duì)載流子輸運(yùn)具有散射作用。界面區(qū)的電導(dǎo)和陷阱散射對(duì)載流子在高場下積累能量起著相反的作用。摻雜量少時(shí)，界面區(qū)域較小，其對(duì)聚合物的高場電導(dǎo)影響較小，故對(duì)載流子的散射降低其能量起主導(dǎo)作用；而當(dāng)摻雜量較大時(shí)，界面區(qū)域增大，其對(duì)聚合物的電導(dǎo)影響也增大，此時(shí)其電導(dǎo)效應(yīng)可能大于對(duì)載流子的散射效應(yīng)。因而少量納米摻雜后交流擊穿場強(qiáng)稍有提高，而大量摻雜后擊穿場強(qiáng)隨摻雜含量的增加而降低。

4.結(jié)論

本文研究了LDPE和LDPE/（ZnO+Al2O3）納米復(fù)合物不同摻雜含量的擊穿場強(qiáng)試驗(yàn)得出如下結(jié)論：

在納米顆粒摻雜含量為0.5wt%時(shí)，LDPE的交流擊穿場強(qiáng)最大值達(dá)到98kv/mm左右，提高為原來的1.09倍。當(dāng)摻雜含量增加為7wt%時(shí)，LDPE擊穿場強(qiáng)值最小為72kv/mm左右，降低為原來的0.2倍，一定量的納米顆粒摻雜提高了LDPE的交流擊穿場強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

[1]Lewis T.J. Nanometric dielectrics[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation， 1994.

[2]田付強(qiáng)，楊春，何麗娟等.聚合物/無機(jī)納米復(fù)合電介質(zhì)介電性能及其機(jī)理最新研究進(jìn)展[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2011，26（3）：1-12.