الکتریک

در این آسودگی مهم‌ترین نقش را قطبش جهت‌گیری ایفا می‌کند که به ساختار درونی مولکول و نظم یافتگی مولکولی یا ساختار دی الکتریک وابسته است [۳۶,۳۹] .
زمانی که مولکولهای قطبی بسیار بزرگ باشند یا فرکانس میدان متغیر خیلی بالا باشد و یا ویسکوزیتهی محیط خیلی بالا باشد، حرکات چرخشی مولکولها برای رسیدن به تعادل با میدان به اندازهی کافی سریع نخواهد بود. در این شرایط قطبش مؤلفهای خارج از فاز با میدان پیدا می‌کند درحالی‌که جریان جابجایی، مؤلفهی رسانشی هم فاز با میدان پیدا می‌کند که این فرایند منجر به اتلاف انرژی به صورت حرارت می‌شود. بنابراین بسته به ساختار مولکولی و مورفولوژی یک پلیمر، مناطق مختلفی برای اتلاف وجود خواهد داشت.
به زبان برداری جریان کلی از مجموع جریان شارژ کننده و جریان اتلافی به دست میآید. زاویه بین بردار دامنه جریان کلی و بردار دامن جریان ذخیره کننده را زاویه اتلاف گفته و تانژانت این زاویه را تانژانت زاویهی اتلاف دی الکتریک مینامند. رابطه ۲-۳ تانژانت زاویهی اتلاف دی الکتریک را تعریف می‌کند که در آن ′ε ثابت دی الکتریک اندازهگیری شدهی مادهی دی الکتریک در خازن و ″‌ε بخش غیرحقیقی ثابت دی الکتریک است که به فاکتور اتلاف معروف است [۳۶] .
(۲-۳)

برای یک مادهی دی الکتریک خوب، پایین بودن مقدار اتلاف دی الکتریک ضروری است. خواص دی الکتریک و از جمله اتلاف دی الکتریک بسیار حساس به کمترین مقدار رطوبت و سایر ناخالصیها بوده وبرای داشتن مقدار اتلاف پایین باید آنها را حذف کرد.
پلی‌اتیلن بر حسب مقدار شاخههای فرعی دارای تبلور ۶۵-۵۰ درصد است. پلی‌اتیلن سبک به علت فرایند آسودگی در فاز آمورف معمولاً دارای افت بیشتری نسبت به سایر پلی‌اتیلنها است.
افزودن یک نرمکننده قطبی به پلیمر، افت دی الکتریک را زیاد می‌کند. در پلیمرهای گرما سخت با افزایش درجهی پخت افت دی الکتریک کاهش می‌یابد. نکتهی مهم در رابطه با مواد شبکهای شده این است که در اثر شبکهای شدن گروههایی که در آنها عنصر اکسیژن وجود دارد تولید می‌شوند که اثر این گروه‌های اکسیژندار را هم باید روی افت دی الکتریک در نظر گرفت. این گروهها می‌توانند ممان دوقطبی مؤثر را افزایش داده و در نتیجه افت دی الکتریک را افزایش دهند. با افزایش وزن مولکولی پلیمر، افت دی الکتریک کاهش پیدا می‌کند. در پلی‌اتیلن علاوه بر میزان شاخهای شدن، وزن مولکولی و توزیع آن، چگالی، میزان تبلور و اندازهی گویچهها نیز بر افت دی الکتریک اثر میگذارند. قطر گویچهها با افزایش وزن مولکولی کاهش می‌یابد و فضای بین گویچهها متراکم تر می‌شود. بنابراین چگالی افزایش‌یافته و در نتیجه افت دی الکتریک کاهش می‌یابد. به طور کلی در پلیمرهای غیر قطبی با افزایش درصد تبلور، افت دی الکتریک کاهش می‌یابد.
۲-۵-۳ استحکام دی الکتریک
اگر ولتاژ اعمال‌شده به یک مادهی دی الکتریک به طور پیوسته افزایش یابد، نقطهای فرامی‌رسد که نقصهای ساختاری موجود در آن ماده آشکار شده و در نهایت ماده میشکند. به طور عمده اثر نهایی به صورت موضعی و ناگهانی خواهد بود. در ولتاژهای بالا که میزان انرژی الکتریکی بسیار زیادی به صورت سریع آزاد می‌شود، ماده بین الکترودها در ناحیهی شکست میسوزد. بنابراین می‌توان گفت بیش‌ترین ولتاژی که یک مادهی دی الکتریک میتواند بدون شکست برای مدت طولانی تحمل کند، استحکام دی الکتریک آن ماده نامیده می‌شود که به صورت نسبت ولتاژ شکست به ضخامت عایق تعریف می‌شود[۳۷,۳۹].
مکانیزمهای شکست دی الکتریک به وسیلهی ساختارهای فیزیکی و شیمیایی پلیمر و ناخالصیها قابل توجیه هستند. به طور خلاصه این مکانیزمها به چهار نوع تقسیم می‌شوند:
الف) شکست الکترونیک
شکست الکتریکی توسط مقدار اندکی از الکترونها شروع می‌شود که دارای آمادگی شتاب یافتن با میدان اعمالی هستند. در یک دی الکتریک ایدهآل هیچ حامل بار الکتریکی وجود ندارد اما در دی الکتریکهایی که استفاده می‌شوند به دلایل مختلف حفرهها و الکترونهایی وجود دارد که این نوع شکست را ایجاد می‌کنند.
ب) شکست حرارتی
به دلیل وجود افت دی الکتریک و فرایندهای آسودگی درون پلیمر، دما افزایش می‌یابد. این افزایش دما هدایت پلیمر را افزایش می‌دهد. احتمال به وجود آمدن پدیدهی شکست حرارتی به سرعت انتقال حرارت عایق بستگی دارد.
ج) شکست الکترومکانیکی
ویژگیهای شکست دی الکتریک در دمای نزدیک به نقطهی ذوب آن شبیه به تغییرات خواص مکانیکی آن است. شکست الکترومکانیکی به دلیل تغییر شکل مکانیکی تحت تنش میدان الکتریکی اعمال‌شده، رخ می‌دهد.
د) شکست تخلیهی الکتریکی گاز
این مکانیزم شامل تشکیل کانالهای گازی در یک دی الکتریک است. استحکام دی الکتریک گاز بسیار کمتر از پلیمر است. بنابراین با اعمال ولتاژی بالا در پلیمر پدیدهی تخلیهی الکتریکی در مراحل اولیه در هر حفرهی گازی که درون پلیمر وجود دارد، رخ می‌دهد. این پدیده سب شکست پلیمر میگردد.
فاکتورهای مختلفی بر روی استحکام دی الکتریک اثر دارد. به عنوان مثال ایجاد اتصالات عرضی به دلیل بالا بردن نقطهی ذوب استحکام دی الکتریک را بالا میبرد. زیرا شکست الکترومکانیکی نزدیک نقطه ذوب رخ می‌دهد. افزودن گروه‌های قطبی استحکام دی الکتریک را بالا میبرد. افزایش وزن مولکولی نیز استحکام دی الکتریک را بالا میبرد که این امر از روی ارتباط استحکام دی الکتریک با دما توجیه می‌شود[۳۶].
۲-۵-۴ بررسی خواص الک
تریکی نانو کامپوزیت‌ها
جدا از تأثیراتی که نانو ذرات بر خواص مکانیکی و فیزیکی بر جای میگذارند، اثر این ذرات بر خواص الکتریکی نانو کامپوزیت‌های پلیمری نیز چنان جذاب و در عین حال چالش بر انگیز است که، در سالهای اخیر محققان بسیاری را به تحقیق حول این مسئله وادار نموده است . پس از مطالعه‌ای که سیژل۴۶ و همکارانش بر روی نانو کامپوزیت‌های پلیمری انجام دادند، دریافتند که توزیع نانو ذرات ، و درون ماتریس پلیمری می‌تواند باعث بهبود خواص الکتریکی نانو کامپوزیت شود[۴۰] .
در یک پژوهش ری۴۷ و همکارانش به بررسی نقش فصل مشترک میان رزین و ماده پرکننده بر خواص دی الکتریک نانو کامپوزیت ها پرداختند [۴۱] . برای این منظور، پلی‌اتیلن پرشده با ذرات میکرو و نانو مورد مطالعه قرار گرفت و مشاهده شد که میزان بار فضایی در نانو کامپوزیت نسبت به میکرو کامپوزیت کاهش می‌یابد. به همین دلیل استحکام الکتریکی در نانو کامپوزیت بیشتر از میکرو کامپوزیت است. همچنین توزیع بار در نانو کامپوزیت یکنواخت تر از پلیمر خالص است. از نتایج حاصل‌شده چنین به دست آمد که نانو ذرات موجب کاهش حرکت زنجیرهای پلیمر می‌شوند که این امر به دلیل ایجاد شدن باندهای فیزیکی میان نانوذرات و زنجیرهای پلیمری است. به علاوه همین باندهای فیزیکی موجب افزایش استحکام شکست الکتریکی نیز می‌شوند.
اثر نانو ذرات خاک رس بر خواص الکتریکی نانو کامپوزیت پلی‌اتیلنی توسط گرین۴۸ و همکارانش بررسی شد. نتایج حاصل از آن نشان داد که افزایش خاک رس موجب افزایش فاکتور اتلاف و همچنین افزایش ولتاژ شکست می‌شود [۴۲]. در پژوهشی دیگر ساراثی۴۹ و همکارانش مشاهده کردند که افزایش نانو ذرات خاک رس تا ۵ درصد وزنی به ماتریس اپوکسی باعث افزایش ولتاژ شکست و در درصدهای بالاتر آن موجب کاهش ولتاژ شکست می‌شود [۴۳] . وانگ۵۰ و همکاران مشاهده کردند که در درصدهای کم نانو ذرات SiO2(5/. و ۱ درصد) مقدار ثابت دی الکتریک نانو کامپوزیت در تمام فرکانس‌ها کمتر از ماتریس پلی‌اتیلنی است ولی در درصدهای بالاتر روند تغییرات آن نسبت به ماتریس، وابسته به فرکانس است. افزایش ۳ و۵ درصد این نانو ذرات به ماتریس پلی اتیلنی باعث افزایش ثابت دی الکتریک نانو کامپوزیت نسبت به پلی‌اتیلن شد. اما تغییرات آن با فرکانس روند نزولی داشت و در فرکانس‌های بالاتر از Hz 104 نمودار ثابت دی الکتریک نانو کامپوزیت در زیر ماتریس خالص قرارگرفت [۴۴].

این مطلب مشابه را هم بخوانید :   دانلود پایان نامه درموردصورتهای مالی، رشد شرکت، تأمین مالی خارجی، عدم اطمینان

اهداف پروژه :
با توجه به مطالب ذکر شده و مطالعات قبلی محققان دیده شد که پلی اتیلن اتصال عرضی شده علاوه بر داشتن خواص مکانیکی، شیمیایی و حرارتی برتر نسبت به پلی اتیلن، دارای خواص الکتریکی مناسبی نیز برای استفاده در عایق کابلهای برق می‌باشد و با پیشینه‌ای نزدیک به شصت سال در بسیاری از کارخانههای جهان در حال تولید است. همچنین نتایج بررسیهای انجام شده روی نانو کامپوزیتها نشان میدهد که حضور نانو ذرات در ماتریس پلیمری می‌تواند خواص مکانیکی، حرارتی و الکتریکی آن‌ها را بهبود دهد.
در این پروژه اثر ایجاد تصالات ‌عرضی و اثر نانو ذرات خاک رس در ماتریس پلی اتیلنی به صورت توأم مورد بررسی قرار گرفته و خواص مکانیکی، حرارتی و الکتریکی نانو کامپوزیتهای تهیه شده با ماتریس XLPE مطالعه شده است. در واقع هدف، علاوه بر پخش صفحات خاک رس در ماتریس جهت بهبود خواص، قرار دادن مولکول‌های پراکسید بین این صفحات است تا از این طریق بهبود فرآیند پخت نیز حاصل شود. به این ترتیب که این کار از واکنش همزمان همه‌ی رادیکال‌ها جلوگیری کرده و موجب شودکه فرآیند ایجاد اتصالات ‌عرضی به‌ صورت تدریجی با زمان انجام شود و در نهایت ایجاد اتصالات عرضی با بازده بیشتر و به ‌صورت یکسان تری صورت پذیرد.

۳ فصل سوم
مواد و روشها
در این فصل به تشریح مواد اولیهی بکار رفته، روشهای آماده سازی نمونهها، تجهیزات مورد استفاده و در نهایت آزمونهای انجام شده جهت بررسی خواص نمونهها پرداخته می‌شود.
۳-۱ مواد اولیه
پلی‌اتیلن مورد استفاده در این پروژه LDPE 0200 تولیدی پتروشیمی بندر امام است که مشخصات آن در جدول ۳-۱ آورده شده است.

جدول ‏۳۱ مشخصات LDPE استفاده‌شده.
مقدار
واحد
روش اندازه‌گیری
خاصیت
۲
gr/10 min
ASTM D 1238
M.F.I (190°C /16/2 kg(
۹۲۰/۰
gr/ml
TSTM 209B
دانسیته
۹۴
°C
ASTM D 1525
نقطه نرم شدگی

پراکسیدهای استفاده‌شده در این پژوهش Trigonox 101-45B-gr و Trigonox 101 تولید شرکت اکزو نوبل۵۱ می‌باشند که ساختار شیمیایی آن‌ها در شکل ۱-۳ و مشخصات آنها در جدول ۳-۲ آورده شده است.

شکل ‏۳۱ ساختار شیمیایی Trigonox 101-45B-gr و Trigonox 101.

جدول ‏۳۲ مشخصات پراکسیدهای استفاده‌شده.
Flash point
°)C(
نقطه ذوب
°)C(

دانسیته
gr/cm3))

حالت فیزیکی
وزن مولکولی(g/mol )
نام پراکسید
۵۵
۶
۸۷۷/۰
پودر سفید رنگ
۴/۲۹۰
Trigonox 101-45B-gr
۵۶
۶
۸۷۰/۰
مایع شفاف
۴/۲۹۰
Trigonox 101

به منظور ایجاد پایداری اُکسایشی لازم از Irganox 1010 با نام شیمیایی Pentaerythritol tetrakis(3-(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl)propionate) تولید شرکت سیبا۵۲ استفاده شد که فرمول شیمیایی آن در شکل ۳-۲ و مشخصات آن در جدول ۳-۳ نشان داده‌شده است.

شکل ‏۳۲ ساختار شیمیایی Irganox 1010.

جدول ‏۳۳ مشخصات آنتی اکسیدانت استفاده‌شده.
نقطه اشتعال
دانسیته(C◦ ۲۰ )
بازهی ذوب
حالت فیزیکی
وزن مولکولی
۲۹۷°C
۱۵/۱ g/ml
۱۱۰ – ۱۲۵ °C
پو
در سفید رنگ
۱۱۷۸ g/mol

به منظور ساخت نانو کامپوزیت از خاک رس آلی ، سدیم مونت موریلونیت طبیعی اصلاح‌شده با اصلاح‌کننده‌ی آلی bis(2-hydroxyethyl) methyl tallow، که ساختار شیمیایی آن در شکل ۳-۲ نشان داده شده است، با نام تجاری Cloisite 30B که تولید شرکت سوترن کلی۵۳ میباشد، استفاده‌شده است . چگالی این نوع نانو خاک رس آلی gr/cm3 98/1 ، ظرفیت تبادل یونی آن meqiv/100gr 91 و فضای بین لایهای آن A◦ ۵/ ۱۸ است.

شکل ‏۳۳ ساختار شیمیایی یون الکیل آمونیوم در Cloisite 30B.
۳-۲ تجهیزات
۳-۲-۱ اکسترودر دو مارپیچه
از اکسترودر دو مارپیچه همسوگرد ZSK25 ساخت شرکت کاپریون۵۴ آلمان که دارای ۶ المان حرارتی و مجهز به گرانول ساز رشته‌ای است به منظور ساخت گرانول استفاده شد این اکسترودر دارای . L/D برابر۴۰ ، سرعت پیج rpm 1500 و دبی خروجیKg/h 70 است.
۳-۲-۲ دستگاه قالب‌گیری فشاری
دستگاه پرس مورد استفاده مدل mini test press ساخت شرکت تویوسکی۵۵ ژاپن بود. این دستگاه حداکثر تا فشار MPa 35 و دمای◦C 400 را تأمین می‌کند. سیستم گرمایش آن، المان حرارتی و سیستم سرمایش آن آب سرد است. اعمال فشار توسط اهرم هیدرولیک انجام می‌شود. این دستگاه امکان تهیه نمونه‌های مختلف را در ضخامت‌های دلخواه فراهم می‌کند.

۳-۳ آزمونهای انجام‌شده
۳-۳-۱ اندازهگیری محتوای ژل
برای تعیین میزان درصد ژل در نمونه‌ها (اتصالات عرضی ایجادشده) آزمایش تعیین درصد ژل طبق استاندارد D2765 ASTMانجام شد. برای این منظور نمونهها به قطعات خیلی ریز خرد شدند و محتوای ژل نمونهها توسط استخراج با حلال زایلن جوشان تعیین شد. در این روش وزن مشخصی از نمونه داخل توری با مش ۱۲۰ قرار داده شد و به مدت ۱۶ ساعت در زایلن جوشان قرار گرفت. برای جلوگیری از بالا رفتن درصد اتصالات عرضی حین آزمایش ۳% آنتی اکسیدانت به زایلن پیش از شروع آزمایش افزوده شد. در نهایت محتوای ژل نمونهها با اندازهگیری وزن نمونه قبل و بعد از استخراج طبق رابطهی زیر به دست آمد.
(۱-۳)

۳-۳-۲ آزمون تفرق زاویه پایین اشعه ایکس۵۶
این روش بر پایه خاصیت موجی اشعه ایکس استوار است. هسته اتم ها در یک شبکه بلوری به فاصله کمی )در حدود چند آنگستروم) از یکدیگر قرارگرفته‌اند. بازتابش اشعه ایکس از این صفحات متوالی منجر به تداخل سازنده یا ویرانگر امواج ایکس می‌شود. بررسی چگونگی پراکنش سیلیکات‌های لایهای نانو خاک رس در ماتریس پلیمری با استفاده از دستگاه تفرق اشعه ایکس با نام Hecus S3-MICROpix ساخت اتریش و در محدوده زاویه‌های۰ – ۱۰◦=۲ صورت گرفت. جریان دستگاه ۱ میلیآمپر و

دیدگاهتان را بنویسید