等離子表面處理提升聚酰亞胺復合薄膜性能

  聚酰亞胺薄膜因具有優異的介電性能,作為匝間絕緣和對地絕緣的基礎絕緣材料,在變頻調速牽電機中得到了廣泛的應用。

  研究表明,電暈放電產生的高能粒子、熱效應等會對有機高分子結構造成破壞并促使聚酰亞胺降解,是變頻電機絕緣失效的根本原因。

  而將納米粒子作為填充物添加到聚合物中,會給絕緣材料帶來特殊的電氣性能,如高介電常數、低損耗、耐電暈等,在納米電介質領域,一般認為界面是影響材料絕緣性能的關鍵。

  但納米粒子因其較大的比表能,會在絕緣材料中出現團聚現象,大大降低了納米效應,而對納米粒子進行表面改性可以提高納米粒子與基體的相容性,減少納米粒子的團聚,提高納米粒子和聚合物基體間的界面區域。因此研究納米粒子的表面改性對聚酰亞胺納米復合薄膜的耐電暈性能影響機理有著重要的意義。

  目前對納米粒子表面改性一般采用化學方法,該方法對納米電介質電氣性能有一定提高,但國內外學者仍在探索進一步提高絕緣材料性能的方法。

  近年來,低溫等離子體表面處理技術在聚合物材料表面改性上已有廣泛的應用。等離子體表面處理納米粒子僅改變其表面性能,對其本身性能沒有影響,處理過程簡單,不需要化學溶劑,且處理效果較好。

  在等離子體作用下,在納米粒子表面會產生大量羥基(-OH)這類活性基團,和硅烷偶聯劑水解后產生的硅醇鍵反應形成氫鍵。等離子體處理納米粒子表面后,在該處出現較強吸收峰,說明硅烷偶聯劑和納米粒子間形成了良好的相互作用,大量硅烷偶聯劑包覆在納米粒子表面。

  用等離子體處理的納米粒子和未用等離子體處理的納米粒子,在吸收峰基本相同,說明等離子體表面處理并不改變納米粒子本身的化學鍵。

  使用等離子體表面處理納米粒子表面,可以有效地提高納米粒子和硅烷偶聯劑的偶聯效果,從而改善納米粒子在聚酰亞胺復合薄膜中的分散特性,增加納米粒子和聚合物基體間的界面區域。

  粘結層通過硅烷偶聯劑緊密連接著有機無機兩相,具有較強的相互作用,因此耐電暈性能強。邊界層中,聚合物高分子鏈和粘結層以及無機納米粒子間形成相互作用,耐電暈能力較粘結層稍弱。松散層是和邊界層有較弱相互作用的一層界面,其耐電暈能力弱。

  當材料表面發生局部放電作用時,在電場強度較大的區域的聚合物,表面首先遭到破壞,當放電進行到松散層時,因為該層耐電暈性能較差而被放電作用破壞,當放電進一步深入,電荷進入到邊界層或者粘結層時,由于界面區較強的相互作用而形成的強耐電暈能力,使得放電作用無法進一步破壞該區域,改為沿著界面區域以“之”字型發展,延長了放電路徑,從而提高了聚合物材料的耐電暈能力。

  納米粒子經過等離子體表面處理后,大大增加了復合薄膜中的界面區域,從而使得界面區域介電雙層結構發生重疊,提高了薄膜的電導率,并在薄膜內部沿著重疊區域形成了導電通道,促進了薄膜內部電荷的消散,改善了薄膜內部電場,從而提高了薄膜的耐電暈壽命。