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Advanced polymer nanocomposites with tailored morphologies for high voltage insulating systems

Helal, Emna (2017). Advanced polymer nanocomposites with tailored morphologies for high voltage insulating systems. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This thesis reports different approaches to prepare a new generation of nanostructured insulating materials featuring controlled nanoparticles dispersion, using block copolymers and polymer blends as template matrices. Two types of nanoparticles, both organically modified, were used: zinc oxide (ZnO) and Montmorillonite clay. In addition, polystyrene-b-poly(ethylene-co-butylene)-b-polystyrene (SEBS) triblock copolymer, composed of two polystyrene (PS) endblocks in the form of well-ordered nanodomains and one poly(ethylene-co-butylene) (PEB) elastomer middle block, was selected as a template matrix.

SEBS/clay and SEBS/ZnO nanocomposites featuring different configurations of PS domains and clay platelets, namely: isotropic, partially oriented and oriented morphologies were achieved by varying the processing techniques. Besides, the spatial distribution of clay platelets and ZnO nanospheres and their affinities to either PS block or PEB block were tuned by the presence or not of maleic anhydride (MA) graft attached to PEB block. In particular, the dispersion of both types of nanoparticles was considerably improved in the presence of MA. Dielectric, rheological, thermal and mechanical properties of these nanocomposites were characterized in correlation with their morphologies.

In SEBS/clay nanocomposites, it was found that the incorporation of clay induced slower dynamics of PEB chains located in the interfacial region. A new interfacial glass transition (Tgi), higher than the glass transition (Tg) of bulk PEB, was attributed to these interfacial chains. Furthermore, the orientation and location of clay affected the interfacial dynamics: the highest Tgi temperatures were related to samples with lower alignment degree and preferential location of clay in PEB phase. Functional properties were also affected by the orientation. To be more specific, SEBS/clay nanocomposites with totally aligned clay platelets and PS domains were simultaneously the most efficient in improving the breakdown strength up to 45% and the less efficient in improving the mechanical strength. However, nanocomposites with partially oriented morphologies provided the best combination of dielectric breakdown strength and mechanical strength.

In SEBS/ZnO nanocomposites, the improved dispersion and affinity to PEB block, achieved in the presence of MA, induced the formation of networks between ZnO nanoparticles and SEBS chains. This behavior was accompanied by an increase of thermal conductivity and excellent improvement of the resistance to surface erosion: eroded volume reduced by 90% at only 5wt% ZnO. In the last part of the project, selected SEBS/ZnO nanocomposites were mixed with polyethylene (PE) to prepare blend nanocomposites as new candidates for HV insulation. Although the overall dielectric performance of unfilled PE/SEBS blend was reduced compared to neat PE, PE/SEBS/ZnO blend nanocomposites featured higher resistance to surface erosion and mechanical flexibility compared to conventional PE/ZnO nanocomposites. This improvement was correlated with the improved dispersion of ZnO nanoparticles in PE/SEBS/ZnO compared to PE/ZnO nanocomposites and their selective localization in SEBS phase and potentially at the interfaces between PE and SEBS.

Titre traduit

Nanocomposites de polymères à morphologies controlees pour des applications d'isolation haute tension

Résumé traduit

Cette thèse rapporte différentes approches pour préparer des matériaux d’isolation nanostructurés qui bénéficient d’une dispersion contrôlée de nanoparticules dans l’objectif d’optimiser leurs propriétés. Ces approches se basent sur l’utilisation de matrices polymères multi-phases, telles que les copolymères à blocs et les mélanges de polymères, comme gabarit pour guider la dispersion des nanoparticules. Deux types de nanoparticules, organiquement modifiées, ont été utilisés: l’oxyde de zinc (ZnO) sous forme de sphères et l’argile Montmorillonite sous forme de plaquettes. En plus, un copolymère à blocs a été sélectionné comme gabarit, à savoir: le polystyrène-b-poly (éthylène-cobutylène)- b-polystyrène (SEBS) constitué de deux blocs de polystyrène (PS) sous forme de domaines nanométriques et d’un bloc élastomère de poly(éthylène-co-butylène) (PEB).

Des nanocomposites SEBS/argile et SEBS/ZnO ayant des morphologies variées ont été fabriqués. En particulier, l’orientation des nanodomaines du bloc PS et des plaquettes d’argile dans ces nanocomposites a été contrôlée en ayant recours à différentes méthodes de fabrication. Les morphologies obtenues varient de l’isotropie totale à l’orientation totale suivant une seule direction, en passant par des morphologies intermédiaires partiellement orientées. La distribution spatiale des deux types de nanoparticules ainsi que leurs affinités respectives aux blocs PS et PEB ont été également contrôlées par la présence ou non de groupements fonctionnels d’anhydride maléique (MA) greffés sur le bloc élastomère PEB. Les propriétés diélectriques, rhéologiques, thermiques et mécaniques de ces nanocomposites ont été caractérisées en corrélation avec leurs morphologies.

Dans les nanocomposites SEBS/argile, l’incorporation des argiles a réduit la mobilité des chaînes du bloc PEB situées à l’interface polymère/nanoparticule. Une transition vitreuse, plus élevée que celle du bloc PEB, a été attribuée à ces chaînes de la zone interfaciale. De plus, l’orientation et la localisation des argiles ont affecté la mobilité de ces chaînes et en conséquence les proprieties d’ingénierie. Plus précisément, les nanocomposites SEBS/argile ayant une morphologie partiellement alignés ont assuré la combinaison optimale de résistance diélectrique et mécanique.

Dans les nanocomposites SEBS/ZnO et en présence du MA, la dispersion des nanoparticules et leur affinité au bloc PEB ont été nettement améliorées. Par conséquence, un réseau entre les nanosphères de ZnO et les chaînes de polymère a été formé. Ce réseau a été associé à une amélioration de la conductivité thermique et une remarquable augmentation de la résistance à l’érosion de surface par décharges couronne; le volume érodé étant réduit de 90% à seulement 5 wt% de ZnO. Dans la dernière partie du projet, des nanocomposites SEBS/ZnO sélectionnés ont été mélangés avec du polyéthylène (PE) pour préparer des nanocomposites hybrides PE/SEBS/ZnO candidats pour l’isolation haute tension. La résistance à l’érosion de surface et la flexibilité mécanique des nanocomposites PE/SEBS/ZnO ont été améliorées par rapport aux nanocomposites de reference PE/ZnO. Cette augmentation a été associée à l'amélioration de la dispersion des nanoparticules de ZnO et à leur localisation sélective dans SEBS et à l’interface entre PE et SEBS.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 271-297.
Mots-clés libres: Matériaux nanocomposites Propriétés. Matériaux nanocomposites Conception et construction. Isolation électrique. Oxyde de zinc. Argile. Composites polymères. Composites thermoplastiques. Polyéthylène. diélectrique, morphologie, nanoargile, isolation haute tension, nanocomposite de polymère, nanodiélectrique, dispersion contrôlée de nanoparticules, copolymère à blocs, mélange de polymers
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Demarquette, Nicole R.
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
David, Éric
Fréchette, Michel
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 25 sept. 2017 20:12
Dernière modification: 25 sept. 2017 20:12
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1941

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