聚乙烯表面形貌对其空间电荷特性的影响王云杉1,周远翔1,王宁华2,孙清华1(1.清华大学电机工程与应用电子技术系,电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室,北京100084; 2.中国电力科学研究院,北京100085)摘要:随着空间电荷测量技术在最近三十年的巨大进步,固体电介质空间电荷研究成为研究热点。
聚乙烯的热压冷却条件会显著影响聚乙烯的形态结构。
而聚乙烯在热压过程中,其表面会由于不同的基底材料而形成不同的附生结晶层,从而具有不同的表面形貌。
此附生层的形态对空间电荷特性有很大的影响。
通过研究聚乙烯不同表面形貌的形成过程及其显微特征,并结合微观形态对不同表面形貌的聚乙烯进行了空间电荷测量分析,发现不同表面形貌的聚乙烯试样具有不同的空间电荷积聚特性。
关键词:空间电荷;聚乙烯;表面形貌;微观形态;P EA中图分类号:TM201.4;TQ325.12文献标志码:A文章编号:1009-9239(2008)04-0042-04Eff ect of Surface To p o g ra p h yon S p ace Char g e Characteristic in Pol y eth y leneWAN G Yun-s ha n1,ZHOU Yua n-xia n g1,WAN G Ni n g-hua2,SUN Qi n g-hua1(1.S t ate Ke y L aborator y o f Cont rol an d S i m ul ation o f Pow er S y stem an d Generation E q ui p ment,De p art ment o f Elect rical En g i neeri n g,Tsi n g hua U ni versit y,Bei j i n g100084,Chi na;2.Chi na Elect ric Pow er Research I nstit ute,Hai di an Dist rict,Bei j i n g100085,Chi na) Abstract:Wit h g r eat p r o g r ess es of s p ace cha r g e meas ur e me nt t echnolo g ies i n t he las t t hr ee decades, lots of r es ea rches we r e f ocus e d on s p ace cha r g es i n s olid dielect rics.The heat p r essi n g a nd a nneali n g condition of p ol y et h y le ne(P E)aff ect its mor p holo gy obviousl y.Duri n g t he heat p r essi n g,t he s urf ace of P E f or ms diff e r e nt s urf ace t o p o g ra p hies becaus e of diff e r e nt s ubs t rat e mat e rials.Surf ace t o p o g ra p h y has g r eat r elation t o t he e p it axial c r y s t allization la y e r a nd i nfl ue nces t he s p ace cha r g e cha ract e ris tic of P E dra maticall y.The f or mation p r ocess of diff e r e nt s urf ace t o p o g ra p hies a nd t hei r mic r o g ra p hic cha r2 act e rs i n low de nsit y p ol y et h y le ne(L D P E)was s t udie d i n t his p a p e r.P EA met hod was us e d t o mea2 s ur e t he s p ace cha r g e dis t ribution of s a m p les wit h diff e r e nt s urf ace t o p o g ra p hies a nd mor p holo g ies i n L D P E.It’s f ound out t hat t he va rie d s urf ace t o p o g ra p hies have diff e r e nt accumulation cha ract e ris tics of s p ace cha r g e.K e y words:s p ace cha r g e;p ol y et h y le ne;s urf ace t o p o g ra p h y;mic r o-mor p holo gy;p uls e d elect r o-acous tic (P EA)1前言聚乙烯由于其优异的绝缘性能和力学性能而在电气绝缘领域被广泛应用。
聚乙烯材料的研究目前非常关注空间电荷问题,空间电荷问题已经成为制约高压电介质材料发展的重要问题。
电介质材料中的空间电荷分布可以改变介质内部的局部电场分布,从而影响介质材料的电导和击穿等过程[1～3],影响材料的性能和寿命[4]。
聚乙烯的热压冷却条件显著影响聚乙烯的形态结构[5]。
事实上,聚乙烯在热压过程中,其表面会由于不同的基底材料,而形成不同的附生结晶(E p itaxial cr y stallization)层[6～8],而此附生层的形态对空间电荷特性有很大的影响。
附生结晶是一种物质在另一种物质(基底,Sub2 st rate)上的取向生长,实际上是一种表面诱导的取向结晶现象。
研究聚合物在无机盐类离子上的附生结晶始于20世纪50年代后期,聚合物-聚合物间附生结收稿日期:2008-06-25基金项目:国家自然科学基金项目(NSFC50437030、NSFC50277023、NSFC50347010)作者简介:王云杉(1983-),男,陕西人,博士研究生,研究方向为固体电介质的空间电荷特性及测量技术;周远翔(1966-),男,福建蒲田人,教授,博士生导师,从事高电压与绝缘技术的教学与科研工作,(电子信箱)zhou-y x@t sin g 。
晶是八十年代中期才开始的较新研究领域[6]。
已有研究证明,降温速率会对附生结晶产生影响[9]。
附生结晶可对材料的力学性能产生影响[6,7,10]。
通过对两种不同基底材料热压的低密度聚乙烯进行不同的热处理,进而进行其空间电荷特性的研究。
2实验2.1试品的制备试验所用原材料是低密度聚乙烯(LDPE )颗粒。
用两片预热至180℃的聚四氟乙烯或玻璃模具夹住原材料颗粒,用5k g 的不锈钢块施加压力,在180℃下保持30min 使其充分熔化,然后在空气中冷却成约100μm 厚的薄膜。
冷却速率约10℃/s 。
使用P TF E 为基底材料制备的试品称为LDPE -F 试品,使用玻璃片为基底材料制备的试品称为LDPE -G 试品。
在试验中,将试品原材料颗粒放在两片玻璃片之间,其中,“-F ”和“-G ”分别代表以P TF E 和玻璃为基底材料。
仍然以冰水冷却、空气冷却和缓慢冷却3种冷却方式制备试品,分别以“-I ”、“-A ”和“-S ”表示。
2.2表面形貌SEM 分析研究表明不同热处理方式得到的LDPE 试品会具有不同大小的球晶结构,冷却速率越高,球晶尺寸越小,反之则越大[5]。
但是不同的基底材料对试品的球晶大小和形态并没有显著的影响。
本研究使用SEM 分析得到试品的表面形貌。
在图1中,不同冷却方式的LDPE -F 和LDPE -G 两种试品的SEM 照片表明,以玻璃和P TF E 为附生基底材料结晶的试品表面形貌有着明显的不同:使用玻璃为基底材料制作的试品表面比较“光滑”,而使用P TF E 为基底材料制作的试品表面比较“粗糙”,且存在一些直线型的条纹。
这是由于聚乙烯在P TF E 基底材料上结晶时形成了附生结晶层。
聚乙烯在P TF E 取向基底上可形成平行链附生结晶,即沉积聚合物与基底聚合物分子链平行的取向结晶现象。
目前,对聚合物附生结晶的解释主要是以某种方式的简单几何匹配为基础。
平行链附生结晶体系由于发生复生的聚合物链相互平行地落在膜平面内,最容易实现的匹配是分子链间距离。
图2给出了聚乙烯的结晶结构,分子构象为平面锯齿型,立方晶型。
而P TF E 的分子构象为螺旋型,在19℃以上为立方晶型。
聚乙烯与P TF E 的附生结晶被解释为聚乙烯(100)面的分子链间距(0.492nm )与P TF E (100)或(010)面的链间距(0.566nm )之间不甚完美的一维匹配(失配率12%)。
而玻璃对于聚乙烯无附生诱导作用。
ⅰiiⅲ(a )L D P E -F (基底材料为P TF E ,ⅰ:冰水冷却试品;ⅱ:空气冷却试品;ⅲ:缓慢冷却试品)ⅰⅱiii(b )L D P E -G (基底材料为玻璃,ⅰ:冰水冷却试品;ⅱ:空气冷却试品;ⅲ:缓慢冷却试品)图1LD PE 试品以不同附生基底材料结晶时的SEM 照片图2聚乙烯的结晶结构2.3LDPE的空间电荷测量空间电荷测量使用PEA方法[11]。
实验中,在20℃下对LDPE试品分别施加直流场强50MV/m、100 MV/m或150MV/m并观察LDPE中空间电荷的分布和运动。
实验中每5s采集一次数据,每次采集200幅图像进行平均以消除噪声。
阴电极材料为铝电极上覆盖半导体高聚物膜,阳电极材料为铝。
3不同表面形貌的LDPE的空间电荷特性图3和图4分别给出了使用不同基底材料(P TF E和玻璃)热压的LDPE试品在50MV/m负直流场强作用后撤压10min时的空间电荷分布。
图33种热处理方式的LD PE-F试品在50M V/m负直流场强下作用10min后撤压10min时的空间电荷分布图43种热处理方式的LD PE-G试品在50M V/m负直流场强下作用10min后撤压10min时的空间电荷分布图3和图4中,以P TF E为基底材料热压制成的LDPE-F试品中积聚的空间电荷以同极性分布为主;而以玻璃为基底材料热压制成的LDPE-G试品中,阴阳两极附近均积聚正电荷,即在阳极为同极性积聚,在阴极为异极性积聚。