苯乙酮—SiO2/LDPE复合材料击穿性能研究

刘奇

摘 要：目前最广泛使用的绝缘材料是聚乙烯，以其为基料制备的复合材料具有较好的电性能并且易于加工。苯乙酮是交联剂过氧化二异丙苯分解产生的副产物，大量的研究结果证明苯乙酮有较好的抑制电树枝效果，并且能提高击穿场强；然而苯乙酮分子量很小，受热易挥发，直接和聚乙烯掺杂会随着时间慢慢的析出，无法真正提高聚乙烯的电性能。基于此，本文采用化学方法处理苯乙酮，将其分子接枝到SiO2颗粒表面的羟基上，随后与聚乙烯熔融共混制备了一种复合材料，苯乙酮-SiO2/LDPE，利用SiO2颗粒将苯乙酮固定在聚乙烯中。对其进行交、直流击穿实验，结果得出，不同含量的苯乙酮-SiO2/LDPE复合材料与纯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。

关键词：苯乙酮；击穿场强；复合材料

中图分类号：TM215.1 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）01-0090-01

1 自蔓延法制备SiO2

自蔓延燃烧法实质是依靠材料自身反应发出的热量，在较短的瞬间完成化学反映的技术。首先外界要提供必要的能量来诱导反应的产生，一般是依靠引燃的方式，反应一旦开启，释放的热量便会提供维持反应进行的基本能量，能量便以燃烧波的方式蔓延开来，合成所需化合物。

2 SiO2的活化处理

SiO2的活化处理也可简称为酸化处理，最终目的是暴露SiO2颗粒表面的羟基，与α-溴代苯乙酮结合成化学键，制造出苯乙酮-SiO2的复合物。

3 溴代苯乙酮接枝SiO2

溴代苯乙酮与SiO2颗粒表面的羟基（-OH）发生缩合反应，生成的溴化氢被除去，最终生成的SiO2颗粒，颗粒表面Si-R和Si-OH基团共存。如果溴代苯乙酮掺杂的比例较高，SiO2表面的羟基几乎都形成Si-R基团，从而生成物的表面只有Si-R基团的一种纳米SiO2复合材料。通过调控溴代苯乙酮和SiO2颗粒的比例，可以调控SiO2纳米颗粒表面的Si-OH和Si-R基团比例，可得到不同改性程度的SiO2复合材料。

4 苯乙酮-SiO2/LDPE复合材料的击穿实验过程

将得到的新型苯乙酮-SiO2颗粒与聚乙烯熔融共混，混合好的材料压制成厚度d≈100μm的圆形薄片，并进行预处理：t=24h，T=80C在真空烘箱中烘干。预处理的作用是消除复合材料在制作过程中由于各种环境因素的不同对实验结果的影响。在本篇文章中，分别采用直流和工频交流电压来进行击穿实验，根据电场强度的计算公式E=U/d计算出场强。使用平板电极进行测试，上电极直径为25mm的圆形电极，接高压端、下电极直径为75mm的圆形电极接地，为了避免空气隙的影响，将电极系统放置于硅油中，不同组分的复合材料每组测试十个，从而消除偶然因素。升压速度为1kV/s，提高电压直到材料发生击穿，击穿后，仪器的短路报警装置會发出报警，读出仪表上的击穿电压U并记录，用薄膜测厚仪测出击穿点附近试样的厚度，从而计算出击穿场强。

5 苯乙酮-SiO2/LDPE复合材料的击穿特性分析

利用场强计算公式计算得到的三种不同含量复合材料的直流击穿场强和工频交流击穿场强，并使用MINITAB统计软件对结果进行统计分析。绘制出Weibull分布图，最终得到下图纯LDPE与不同含量苯乙酮-SiO2/LDPE复合材料的场强曲线。

由图1（a）可知，此种新型的复合材料的交流击穿场强与纯聚乙烯材料相比有所提高，并且苯乙酮-SiO2含量不同时，场强提高的幅度也不同，整体趋势是随着苯乙酮-SiO2含量的降低交流击穿场强呈现上升的趋势，其中含量为3%、2%、1%时，击穿场强分别提高了2.39%、3.89%、6.88%；由图1（b）可知，这种复合材料的直流击穿场强也要高于纯LDPE，不同含量击穿场强提高的幅度不同，提升趋势与交流提升趋势相同，即随着含量的降低直流场强上升，其中含量为3%、2%、1%时，击穿场强分别提高了6.66%、7.66%、12.05%。

6 结语

由于苯乙酮的引入，芳香烃衍生物中固有的大π键，具有吸收运动电子能量的特性，从而降低了材料中的电子数目，有效的抑制碰撞电离，降低了聚合物分子链被高速电子轰击断裂的概率，因次苯乙酮-SiO2/LDPE的这种复合材料于纯LDPE相比有较高的击穿场强；此外，苯乙酮具有一种称作烯醇式互换异构的反应，该反应可以吸收高速电子的能量，并把该能量用于其结构的互换，只要是能量大于260.9kJ/mol的电子都会被吸收，从而引发此反应，而要使C-C键断裂的能量为347.3kJ/mol，这样就降低了由于电子积累造成的能量过大，高于C-C键断裂能，使得C-C键击穿的情况，因此击穿场强得以提高。当苯乙酮-SiO2颗粒含量大于1wt%时，击穿场强反而略减小，分析原因可能是由于苯乙酮-SiO2粒子数量的增加，引入了更多的杂质离子，材料内部形成更多的带电粒子，在电场的作用下带电粒子被加速，聚乙烯分子链被破坏的概率增大，导致材料的击穿强度反而降低。

上述可见，加入苯乙酮-SiO2粒子之后，添加剂材料与纯聚乙烯相比击穿场强有所提高，证明苯乙酮在复合材料中起到了作用。endprint