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目前,高壓輸電系統正朝著(zhù)更大容量、更高電壓的方向發(fā)展,高壓輸電系統的安全穩定運行也變得尤為重要。電力變壓器是輸電系統的關(guān)鍵設備之一,變壓器的絕緣性能也面臨著(zhù)前所未有的巨大挑戰。目前,大多數電力變壓器為油浸式變壓器,其絕緣系統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。因此,提升絕緣紙的絕緣性能具有重要的現實(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、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)生團聚,團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聚。硅烷偶聯(lián)劑是當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)縮合反應結合,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(zhù)時(shí)間的推移硅烷偶聯(lián)劑的活性會(huì )不斷降低。因此,須對無(wú)機納米粒子進(jìn)行羥基化改性,以提高其與硅烷偶聯(lián)劑的結合率,解決納米粒子的團聚問(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應用需求在材料表面接枝相應的官能團,從而被廣泛應用于材料表面改性領(lǐng)域

等離子體處理對納米SiO2粒子表面元素組成影響分析

XPS測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(xiàn)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(xiàn)

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等離子體改性前后納米SiO2粒子表面的官能團進(jìn)行分析,結果如圖3所示。對于純納米SiO2粒子,Si和O之間存在對應的1∶2關(guān)系,而在SiO2粒子的表面Si和O之間這種對應關(guān)系不能完全滿(mǎn)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。這可能是由于反應器內不可避免的存在少量水蒸氣,導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,使羥基特征峰的強度略有增強。與干燥空氣中等離子體改性相比,濕潤空氣中等離子改性后納米SiO2粒子的羥基特征峰強度進(jìn)一步增強,與XPS的表征結果相一致。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