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目前,高壓輸電系統(tǒng)正朝著更大容量、更高電壓的方向發(fā)展,高壓輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行也變得尤為重要。電力變壓器是輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一,變壓器的絕緣性能也面臨著前所未有的巨大挑戰(zhàn)。目前,大多數(shù)電力變壓器為油浸式變壓器,其絕緣系統(tǒng)由絕緣油和纖維素絕緣紙組成。其中纖維素絕緣紙由于易發(fā)生局部放電,導(dǎo)致絕緣紙易擊穿且較難更換,使其成為了油紙絕緣中的薄弱環(huán)節(jié)。因此,提升絕緣紙的絕緣性能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前,提高絕緣紙絕緣性能的主要方法是向絕緣紙中添加無(wú)機(jī)納米粒子,如SiO2、TiO2、Al2O3等。納米粒子由于其納米尺度的量子效應(yīng)、比表面積較大等特點(diǎn),能夠吸附絕緣材料中的載流子以降低其能量,從而提高絕緣材料的絕緣性能,因此被廣泛應(yīng)用于絕緣材料的改性中。然而,納米粒子具有高比表面積以及表面活性,在聚合物基體中易發(fā)生團(tuán)聚,團(tuán)聚處納米粒子易積聚電荷造成局部擊穿。目前,研究人員主要通過(guò)對(duì)納米粒子進(jìn)行表面修飾的方式來(lái)提高其在基體材料表面的分散性,從而抑制納米粒子的團(tuán)聚。硅烷偶聯(lián)劑是當(dāng)前最常用的表面改性劑。硅烷偶聯(lián)劑的一端可與納米粒子表面的羥基通過(guò)縮合反應(yīng)結(jié)合,另一端的氨基與絕緣紙表面的羥基通過(guò)氫鍵作用力結(jié)合,以提高納米粒子在絕緣紙表面的分散性,其作用原理如圖1所示。然而,無(wú)機(jī)納米粒子表面羥基含量較低,直接采用硅烷偶聯(lián)劑改性效果不理想,并且隨著時(shí)間的推移硅烷偶聯(lián)劑的活性會(huì)不斷降低。因此,須對(duì)無(wú)機(jī)納米粒子進(jìn)行羥基化改性,以提高其與硅烷偶聯(lián)劑的結(jié)合率,解決納米粒子的團(tuán)聚問(wèn)題。

圖1 硅烷偶聯(lián)劑的作用原理

等離子處理

低溫等離子體處理已被證實(shí)可對(duì)材料表面產(chǎn)生刻蝕、接枝、交聯(lián)等作用,從而賦予材料新的性質(zhì)。其中,等離子體的接枝作用可根據(jù)應(yīng)用需求在材料表面接枝相應(yīng)的官能團(tuán),從而被廣泛應(yīng)用于材料表面改性領(lǐng)域

等離子體處理對(duì)納米SiO2粒子表面元素組成影響分析

XPS測(cè)試可以表征化合物的元素組成及占比。等離子體改性前后納米SiO2粒子的XPS光譜分析結(jié)果見(jiàn)表1。納米SiO2粒子表面主要包含Si、C、N、O四種元素,等離子體改性后納米SiO2粒子表面O元素含量增加。C1s分峰擬合曲線如圖2所示。等離子體處理使納米SiO2粒子表面的C?C鍵以及O?C=O鍵占比降低,C?O鍵(即C?OH鍵)占比增加,尤其在濕潤(rùn)空氣環(huán)境下進(jìn)行等離子體改性可進(jìn)一步提高納米SiO2粒子表面的羥基含量。這是由于等離子體產(chǎn)生大量高能粒子的撞擊使C?C鍵及C=O斷裂產(chǎn)生自由基,再與水分子分解產(chǎn)生的羥基自由基(·OH)結(jié)合形成了C?OH鍵。

圖1 等離子體改性納米SiO2粒子的C1s分峰擬合曲線

等離子處理納米SiO2表面化學(xué)成分影響分析

采用傅里葉紅外光譜對(duì)等離子體改性前后納米SiO2粒子表面的官能團(tuán)進(jìn)行分析,結(jié)果如圖3所示。對(duì)于純納米SiO2粒子,Si和O之間存在對(duì)應(yīng)的1∶2關(guān)系,而在SiO2粒子的表面Si和O之間這種對(duì)應(yīng)關(guān)系不能完全滿足,納米SiO2在制備過(guò)程中會(huì)吸附環(huán)境中的水形成一定數(shù)量的羥基,因此未改性的納米SiO2粒子也會(huì)有較弱的羥基特征峰。與未改性的納米SiO2粒子相比,干燥空氣中進(jìn)行等離子體改性的納米SiO2粒子在3440cm^?1處的羥基特征峰略微增強(qiáng)。這可能是由于反應(yīng)器內(nèi)不可避免的存在少量水蒸氣,導(dǎo)致水分子在等離子體的作用下分解產(chǎn)生羥基自由基并接枝在納米SiO2粒子的表面,使羥基特征峰的強(qiáng)度略有增強(qiáng)。與干燥空氣中等離子體改性相比,濕潤(rùn)空氣中等離子改性后納米SiO2粒子的羥基特征峰強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng),與XPS的表征結(jié)果相一致。這主要是由于等離子體產(chǎn)生的高能粒子與水分子碰撞產(chǎn)生羥基自由基,并接枝到納米SiO2粒子的表面。納米SiO2粒子表面羥基含量增加有利于提高其與硅烷偶聯(lián)劑的接枝率,從而改善納米SiO2粒子在基體材料表面的分散性。

圖3 在不同氣氛下等離子體改性前后的納米SiO2粒子傅里葉紅外光譜