Polyethylene/polyhedral oligomeric silsesquioxanes composites : electrical insulation for high-voltage power cables

Guo, Meng (2017). Polyethylene/polyhedral oligomeric silsesquioxanes composites : electrical insulation for high-voltage power cables. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

In order to meet the increasing demand for electricity and electrical power’s efficient transmission, power ratings and operating voltages have seen a continuous rise over the years, which inevitably brings greater electro-thermal stresses to power cable insulation. Polyethylene (PE), an insulating material widely used in underground power cables, is susceptible to electrical degradation and exhibits a low thermal conductivity. Consequently, there is a compelling need to improve its dielectric and thermal performances.

During the last decades, considerable attention has been given to a new class of dielectric material—nanodielectrics, i.e. dielectric composites containing nanometric fillers. They are frequently reported to have superior dielectric properties as compared to neat polymers and microcomposites, and thus have great potential to serve as the insulating materials for highvoltage (HV) power cables. Nonetheless, such property enhancements can only be achieved when the nano-filler has a good size dispersion and spatial distribution within the host dielectric. However, due to nano-fillers’ strong tendency to agglomerate, and their generally poor compatibility with polymers, their dispersion is often compromised with aggregates of micrometric sizes. Furthermore, hydrophilic nano-fillers attract water to the filler-matrix interface, not only impairing the crucial role of the interphase, but also causing property and material degradation. In order to facilitate a homogeneous nanoscaled filler dispersion and prevent water absorption, inorganic nano-fillers are commonly treated with dispersants and coupling agents. However, this adds extra work to material fabrication. Moreover, little is known about the long-term stability of these surface modifications under electro-thermal stresses. Furthermore, a thorough removal of hydrophilic groups may not be straightforward, and so is the complete prevention of filler aggregation and water absorption.

In this context, the objective of this PhD research is to develop PE-based nanodielectrics with enhanced dielectric and thermal performances, as insulating materials for HV underground power cables.

In order to avoid the aforementioned problems concerning surface modifications, polyhedral oligomeric silsesquioxanes (POSS), which are by nature nanoscaled molecules bearing builtin functionalities, were used. POSS selection, POSS loading and fabrication method all play an important role in developing PE/POSS nanodielectrics with enhanced performances. In this project, three types of POSS with different alkyl substituents were studied—solid octamethyl-POSS (OmPOSS, OM), solid octaisobutyl-POSS (OibPOSS, OIB) and viscous-liquid isooctyl-POSS (IoPOSS, IO); 1 wt% and 5 wt% POSS loadings were investigated; and three fabrication methods were attempted—ball milling (BM), xylene solution blending (XSB), and extrusion E). The obtained composites were examined concerning their dielectric and thermal properties. Additional characterizations such as scanning electron microscopy (SEM) and differential scanning calorimetry (DSC) were also performed to obtain information for possible performance explanations.

The results showed that none of the utilized fabrication methods were effective in producing PE/solid-POSS nanodielectrics. Regarding thermal properties, POSS was able to increase PE’s thermal conductivity up to 8%. Moreover, it did not have any significant effects on PE’s thermal stability in a nitrogen atmosphere, and it caused little changes in PE’s melting and crystallization behaviors, as well as degree of crystallinity. As far as dielectric properties were concerned, all PE/POSS composites had enhanced resistance to corona discharges, from a minimum of 6% to a maximum of 61%. This strengthens insulation against cumulative damage brought about by electrical degradation under service conditions. Moreover, POSS had only a weak effect on the dielectric response of PE at ambient temperature: the dielectric constants and the dielectric losses of the composites being, respectively, 2.25–2.35 and generally 10-5–10-4, were similar to that of PE. This is praiseworthy for their applications related to electrical insulation which require low losses and low dielectric constants. At elevated temperatures, the influence of POSS on PE’s dielectric response remained small, except for some loss increase in PE/IO1 (E) and PE/OM5 (E) at frequencies below 10 Hz, and for enhanced charge transports (diffusion and conduction) in PE/IO5 (E). In contrast to the laudable performance in erosion resistance, POSS was barely able to improve PE’s short-term dielectric breakdown strength ; in the best-case scenario, dielectric breakdown strengths of PE/POSS composites were similarto that of PE.

Among the three methods used, ball milling was more effective in dispersing 5 wt% OibPOSS, extrusion and xylene solution blending were more effective in dispersing 1 wt% OibPOSS, and extrusion was more effective in dispersing IoPOSS. Fabrication methods had little effect on thermal conductivity and dielectric response, except when they induced critical POSS distributions, as in the cases of PE/IoPOSS composites: possible filler alignment in PE/IO1 (XSB) and possible filler quasi-connection in PE/IO5 (E) may be the main reasons for PE/IO1 (XSB)’s enhanced thermal conductivity and PE/IO5 (E)’s intensified charge transports. The method of material fabrication had an influence on erosion resistance: composites obtained by xylene solution blending generally had higher erosion resistances than those obtained by extrusion. This may be related to material precipitation and xylene evaporation processes, which somehow brought POSS to the surface of samples, forming an erosion-resistant layer that hindered erosion from further progression. Fabrication method influenced dielectric breakdown strength through filler dispersion. Good filler dispersions with relatively small POSS sizes resulted in roughly maintained breakdown strengths, as in the cases of all 1 wt%-POSS composites, all 5 wt%-IoPOSS composites, and the 5 wt%-OibPOSS composite obtained by ball milling. On the other hand, compromised filler dispersions with relatively large POSS sizes resulted in reduced breakdown strengths, as in the case of all 5 wt%-solid-POSS composites produced by extrusion and xylene solution blending.

Among all the composites studied, PE/OIB1 (E) was found to be the best material for HV power cable insulation, thanks to its 23% enhancement in erosion resistance, its low dielectric constants and dielectric losses under utility frequencies (50–60 Hz) at both ambient and elevated temperatures, its unreduced breakdown strength, and its 6% improvement in thermal conductivity. PE/IO5 (E) had good performances at ambient temperature but its dielectric properties at elevated temperatures were much less appealing. PE/IO5 (XSB) had good dielectric performances, especially its 61% improvement in erosion resistance. However, compared to PE/OIB1 (E), it had a reduced thermal conductivity; it required five times more filler content; and its fabrication method (i.e., xylene solution blending) was more demanding than traditional extrusion. PE/OIB1 (BM) and PE/OIB5 (BM) had low dielectric permittivities and well-maintained breakdown strengths. However, more characterizations were needed to better evaluate their potentials as HV insulation materials. Both PE/OM1 (XSB) and PE/IO1 (XSB) had a 40%-enhanced erosion resistance. However, PE/OM1 (XSB) had a decreased thermal conductivity and a reduced breakdown strength, and PE/IO1 (XSB) had a diminished shape parameter and thus a greater breakdown-strength scattering. PE/OIB1 (XSB) had an 8%-increased thermal conductivity. However, its shape parameter was much lowered and its erosion resistance was exceptionally smaller than other XSB-produced 1 wt% composites. As for PE/OM5 (XSB), PE/OIB5 (XSB), PE/OM5 (E) and PE/OIB5 (E), their breakdown strengths were largely reduced.

Titre traduit

Composites à base de polyéthylène avec additifs de polyhedral oligomeric silsesquioxanes : isolation électrique pour des cables de puissance

Résumé traduit

Afin de satisfaire la demande croissante en électricité et en efficacité de transmission, les tensions et les puissances d’opération ont connu une augmentation soutenue depuis les dernières années. Par conséquent, cette tendance a entraîné une augmentation des contraintes électro-thermiques supportées par l’isolation polymérique des câbles de puissance. Le polyéthylène (PE), un matériau isolant électriquement, est amplement utilisé dans les cables souterrains. Il est connu que cet isolant est susceptible à la dégradation électrique et possède une conductivité thermique assez faible. Conséquemment, il y a une forte place pour amélioration de ses propriétés diélectriques et thermiques.

Depuis quelques dizaines d’années, une attention considérable a été portée à une nouvelle classe de matériaux diélectriques — les nanodiélectriques, i.e., des diélectriques faits de composites polymériques contenant des additifs de dimensions nanométriques. Ces nanocomposites sont fréquemment décrits comme ayant des propriétés diélectriques supérieures si on les compare aux polymères de bases ou aux microcomposites. Ainsi, ces nanocomposites ont un grand potentiel d’applications dans les câbles de puissance. Néanmoins, de telles améliorations ne peuvent être atteintes que lorsque l’additif nanométrique est bien dispersé dans la matrice avec une distribution homogène. Cependant, face à une autoagglomération forte et à une incompatibilité fréquente des nano-additifs avec la matrice, la dispersion des nano-additifs est souvent compromise avec des agrégats de tailles micrométriques. De plus, les nano-additifs hydrophiles attirent les molécules d’eau à l’interface particule-matrice, détériorant le rôle de l’interface et entraînant une dégradation des propriétés du matériau. Afin de faciliter une dispersion homogène de charges à l’échelle nanométrique et de prévenir l'absorption d'eau, les nano-additifs inorganiques sont communément traités en surface par des dispersants et des agents de couplage. Cependant, ces traitements amènent du travail additionnel dans le processus de fabrication. De plus, peu d’informations ne sont disponibles sur les effets long-termes des contraintes électrothermiques sur ces modificateurs de surfaces. Aussi, une élimination complète des groups hydrophiles peut ne pas être simple, de même que la prévention complète de l'agrégation de la charge et de l'absorption d'eau.

Dans ce contexte, l’objectif de cette recherche doctorale est de développer des nanodiélectriques à base de polyéthylène avec des propriétés diélectriques et thermiques améliorées, pour l’isolation électrique des câbles de puissance.

Afin d’éviter les problèmes de modifications de surface mentionnés ci-haut, les polyhedral oligomeric silsesquioxanes (POSS), lesquels sont des molécules nanométriques entourées des fonctionnalités, ont été utilisés. La sélection du type de POSS, le contenu en poids et la méthode de fabrication jouent tous un rôle important dans l’émergence de la performance améliorée des composites PE/POSS. Dans ce projet, trois types de POSS avec différents substituants alkyle ont été étudiés — solide octamethyl-POSS (OmPOSS, OM), solide octaisobutyl-POSS (OibPOSS, OIB) et liquide-visqueux isooctyl-POSS (IoPOSS, IO); 1 wt% et 5 wt% de charges de POSS ont été étudiés; trois méthodes de fabrication ont été développées—broyage mécanique (BM), dissolution chimique par xylène (XSB) et extrusion (E). Les échantillons composites obtenus ont été caractérisées pour leurs proprieties diélectriques et thermiques. Des caractérisations supplémentaires telles que la microscopie électronique à balayage (MEB) et la calorimétrie différentielle à balayage (DSC) ont également été effectuées afin d'obtenir des informations pour des explications possibles de la performance de ces matériaux.

Globalement, les résultats expérimentaux indiquent qu’aucune méthode de fabrication n’est efficace pour fabriquer des nanodiélectriques de PE/solide-POSS. Relativement aux proprieties thermiques, l’addition de POSS a pu entraîner une augmentation de la conductivité thermique jusqu’à 8%. De plus, il a été observé que l’ajout de POSS ne modifie pas la stabilité thermique du PE dans une atmosphère d'azote et ne cause que peu de changements dans le comportement de fusion du PE, le comportement de cristallisation du PE et le degré de cristallinité du PE. En ce qui concerne les propriétés diélectriques, tous les composites PE/POSS ont des resistances à l’érosion face aux décharges partielles qui sont bonifiées, s’améliorant de 6% à 61%. Cette amélioration renforce l’isolation envers des dommages cumulatifs provoqués par la dégradation électrique dans les conditions de service. De plus, la présence du POSS n’affecte que peu les réponses diélectriques à la température ambiante : les constantes diélectriques et les pertes diélectriques pour les composites sont, respectivement, 2.25–2.35 et généralement 10-5–10-4, soit des valeurs semblables aux valeurs associées au PE. Conséquemment, ces valeurs sont encourageantes pour une application dans les câbles, qui nécessitent de faibles pertes et de faibles constantes diélectriques. À des températures élevées, l’influence des POSS sur les réponses diélectriques du PE demeurent faible, excepté pour quelques augmentations des pertes dans PE/IO1 (E) et PE/OM5 (E) à des fréquences plus basses que 10 Hz, et pour des transports de charges (la diffusion et la conduction) renforcées dans PE/IO5 (E). À l’inverse des performances d’amélioration relative à la résistance à l’érosion, l’utilisation des POSS n’améliore presque pas la tension de claquage à court terme du PE; au mieux, les tensions de claquage des composites PE/POSS demeurent semblables à celles du PE.

Parmi les trois méthodes employées, le broyage mécanique a été plus efficace pour disperser 5 wt% OibPOSS, la dissolution chimique et l’extrusion ont été plus efficaces pour disperser 1 wt% OibPOSS, et l'extrusion a été plus efficace pour disperser IoPOSS. Il a été observé que les méthodes de fabrication ont peu d’effet sur la conductivité thermique et les réponses diélectriques, excepté lorsque les distributions résultantes sont particulières, comme dans les cas PE/IoPOSS : il semblerait que de l’alignement possible dans le cas PE/IO1 (XSB) et la quasi-connexion possible dans le cas PE/IO5 (E) pourrait expliquer l’augmentation de la conductivité thermique pour PE/IO1 (XSB) et l’intensification du transport de charges pour PE/IO5 (E). Cependant, il a été trouvé que la méthode de fabrication avait un effet sur la résistance à l’érosion : les échantillons obtenus via la route chimique ont généralement montré des performances supérieures à celles montrées par les échantillons fabriqués par extrusion. Une explication pour ce résultat pourrait être que la précipitation et l’évaporation du xylène, pourrait amener le POSS en surface, formant ainsi une couche plus résistance envers les décharges. La fabrication a affecté la tension de claquage via la dispersion des additifs. De bonnes dispersions de charge avec des tailles de POSS relativement faibles ont donné lieu à les tensions de claquage pratiquement maintenues, comme dans les cas suivants : tous les composites de 1 wt% POSS, tous les composites de 5 wt%-IoPOSS, et le composite de 5 wt%-OibPOSS obtenu par broyage mécanique. D’autre part, quand les dispersions de charges sont compromises avec des tailles de POSS relativement grandes, alors la tension de claquage mesurée est réduite, comme observé pour les composites de 5 wt%-solide-POSS produit par extrusion et dissolution chimique.

Parmi tous les composites étudiés, PE/OIB1 (E) semble démontrer les meilleures performances pour des applications relatives aux câbles de puissance. Cette considération serait possible grâce au 23% d’amélioration face à l’érosion, basse constante diélectrique et faibles pertes aux fréquences industrielles (50–60 Hz) à la température ambiante et à températures élevées, le maintien de la tension de claquage et une augmentation de la conductivité thermique par 6%. PE/IO5 (E) avait des bonnes performances à la température ambiante mais ses réponses diélectriques à température plus élevée étaient moins intéressantes. PE/IO5 (XSB) avait des bonnes performances diélectriques, spécialement sa résistance à l’érosion augmentée par 61%. Néanmoins, comparé au cas PE/OIB1 (E), la conductivité thermique était réduite alors que cinq fois plus d’additif était utilisé et que la fabrication par dissolution était plus exigeante que l’extrusion. Le PE/OIB1 (BM) et PE/OIB5 (BM) présentaient des perméabilités diélectriques faibles et des tensions de claquage bien maintenues. Cependant, plus de caractérisation serait nécessaire afin d’évaluer leur potentiel pour une application pour les câbles. Les deux cas PE/OM1 (XSB) and PE/IO1 (XSB) ont montré une augmentation de 40% en regard de leur résistance à l’érosion. Cependant, PE/OM1 (XSB) exhibe une diminution de la conductivité thermique et de la tension de claquage. Aussi, PE/IO1 (XSB) montre un facteur de forme diminué et ainsi une plus grande distribution statistique de la tenue au claquage. PE/OIB1 (XSB) montre une augmentation de sa conductivité thermique par 8%. Néanmoins, son facteur de forme est assez bas et sa résistance à l’érosion a été trouvé exceptionnellement plus petite comparée à d'autres 1 wt% composites préparés par la même méthode. Comme pour le cas PE/OM5 (XSB), PE/OIB5 (XSB), PE/OM5 (E) and PE/OIB5 (E), leurs tenues de claquage sont largement réduites.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de Technologie supérieure in partial fulfillment for the Degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 101-109.
Mots-clés libres:	Câbles électriques Isolation. Polyéthylène Propriétés électriques. Polyéthylène Propriétés thermiques. Diélectriques. nanodiélectrique, polyhedral oligomeric silsesquioxanes (POSS), composite, morphologie, résistance à l’érosion face aux décharges partielles, tension de claquage, constante diélectrique, perte diélectrique, conductivité thermique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse David, Éric
Codirecteur:	Codirecteur Demarquette, Nicole R.
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	13 juill. 2017 20:26
Dernière modification:	15 janv. 2018 20:58
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1906

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