苯乙酮—SiO2/LDPE復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合材料具有較好的電性能并且易于加工。苯乙酮是交聯劑過氧化二異丙苯分解產生的副產物，大量的研究結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；然而苯乙酮分子量很小，受熱易揮發，直接和聚乙烯摻雜會隨著時間慢慢的析出，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。對其進行交、直流擊穿實驗，結果得出，不同含量的苯乙酮-SiO2/LDPE復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。

關鍵詞：苯乙酮；擊穿場強；復合材料

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

1 自蔓延法制備SiO2

自蔓延燃燒法實質是依靠材料自身反應發出的熱量，在較短的瞬間完成化學反映的技術。首先外界要提供必要的能量來誘導反應的產生，一般是依靠引燃的方式，反應一旦開啟，釋放的熱量便會提供維持反應進行的基本能量，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-溴代苯乙酮結合成化學鍵，制造出苯乙酮-SiO2的復合物。

3 溴代苯乙酮接枝SiO2

溴代苯乙酮與SiO2顆粒表面的羥基（-OH）發生縮合反應，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，從而生成物的表面只有Si-R基團的一種納米SiO2復合材料。通過調控溴代苯乙酮和SiO2顆粒的比例，可以調控SiO2納米顆粒表面的Si-OH和Si-R基團比例，可得到不同改性程度的SiO2復合材料。

4 苯乙酮-SiO2/LDPE復合材料的擊穿實驗過程

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，并進行預處理：t=24h，T=80C在真空烘箱中烘干。預處理的作用是消除復合材料在制作過程中由于各種環境因素的不同對實驗結果的影響。在本篇文章中，分別采用直流和工頻交流電壓來進行擊穿實驗，根據電場強度的計算公式E=U/d計算出場強。使用平板電極進行測試，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，將電極系統放置于硅油中，不同組分的復合材料每組測試十個，從而消除偶然因素。升壓速度為1kV/s，提高電壓直到材料發生擊穿，擊穿后，儀器的短路報警裝置會發出報警，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附近試樣的厚度，從而計算出擊穿場強。

5 苯乙酮-SiO2/LDPE復合材料的擊穿特性分析

利用場強計算公式計算得到的三種不同含量復合材料的直流擊穿場強和工頻交流擊穿場強，并使用MINITAB統計軟件對結果進行統計分析。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復合材料的場強曲線。

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

6 結語

由于苯乙酮的引入，芳香烴衍生物中固有的大π鍵，具有吸收運動電子能量的特性，從而降低了材料中的電子數目，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的這種復合材料于純LDPE相比有較高的擊穿場強；此外，苯乙酮具有一種稱作烯醇式互換異構的反應，該反應可以吸收高速電子的能量，并把該能量用于其結構的互換，只要是能量大于260.9kJ/mol的電子都會被吸收，從而引發此反應，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，因此擊穿場強得以提高。當苯乙酮-SiO2顆粒含量大于1wt%時，擊穿場強反而略減小，分析原因可能是由于苯乙酮-SiO2粒子數量的增加，引入了更多的雜質離子，材料內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，導致材料的擊穿強度反而降低。

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有所提高，證明苯乙酮在復合材料中起到了作用。endprint