پلی اتیلن خود ترمیم شونده

پلی اتیلن خود ترمیم شونده جزو پلیمر هایی میباشد که خواص اولیه خود را بعد از تخریب توسط عوامل خارجی دوباره بازیابی میکند.

در حین استفاده از کابل پلی اتیلن (PE) در سیستم های قدرت(Power System)، آسیب های الکتریکی به ناچار در داخل مواد عایق رخ می دهد و باعث تخلیه جزئی و تهدید ایمنی منبع تغذیه می شود.

تشخیص آسیب های ریز داخل مواد توسط فناوری موجود دشوار است و جایگزینی کابل ها، زباله های جامد زیادی ایجاد می کند. فناوری خود ترمیمی میکروکپسول، نشآت گرفته از بیونیک می تواند به طور خودکار آسیب های ریز داخل ماده را به موقع تشخیص داده و التیام بخشد و از تصادفات جلوگیری کرده و در منابع صرفه جویی کند.

در این مقاله، توانایی ها و مکانیسم های خود ترمیمی مواد کامپوزیت پلی اتیلن / میکروکپسول در آسیب الکتریکی درختی شکل با استفاده از آزمایش ها و شبیه سازی مورد بررسی قرار می گیرد.

مواد کامپوزیت PE/microcapsule آماده می‌شوند و مواد کامپوزیت با 1 درصد وزنی میکروکپسول نشان داده می‌شود که استحکام عایق بهتری دارد. میکروکپسول ها می توانند رشد درختان الکتریکی را جذب کرده و اندازه آنها را محدود کنند، در حالی که درخت الکتریکی می تواند رفتار خود ترمیمی میکروکپسول ها را به موقع تحریک کند.

رفتار خود ترمیمی می تواند به طور موثر کانال شاخه درخت الکتریکی را ترمیم کند، استحکام شکست و جریان قطبش را بازیابی کند و روند زوال مواد اولیه را معکوس کند. شبیه‌سازی دینامیک مولکولی (MD) تأیید می‌کند که سازگاری شیمیایی خوبی بین مواد ترمیم کننده و ماتریکس پلی‌اتیلن وجود دارد که از یک اثر خود ترمیمی خوب اطمینان می‌دهد.

معرفی پلی اتیلن خود ترمیم شونده

توسعه سیستم های قدرت به دی الکتریک پلیمری قابل اعتماد و بادوام نیاز دارد. مواد عایق جامد مانند پلی اتیلن (PE) و رزین اپوکسی به دلیل عملکرد، عایق الکتریکی خوب، سبک وزن و قیمت پایین به طور گسترده در صنعت برق استفاده می شوند.

اما در حین استفاده از مواد عایق، به دلیل تنش های الکتریسیته حرارتی طولانی مدت، آسیب درخت الکتریکی به ناچار در داخل مواد عایق رخ می دهد. در شدت میدان الکتریکی بالا، آسیب درخت الکتریکی می تواند میدان الکتریکی را مخدوش کرده و پدیده تخلیه موضعی را ایجاد کند.

علاوه بر این، آسیب درخت الکتریکی می‌تواند باعث کاهش غیرقابل برگشت عملکرد عایق شود، که مستقیماً عملکرد عادی سیستم قدرت را تهدید می‌کند و حتی باعث خرابی‌های فاجعه‌بار می‌شود.

تشخیص آسیب های ریز داخل مواد عایق با فناوری فعلی دشوار است و جایگزینی کابل ها باعث ایجاد ضایعات الکترونیکی و هدر رفتن منابع می شود. فناوری خودترمیمی می تواند به طور خودکار آسیب های میکرو داخلی در مواد را شناسایی و ترمیم کند و در کار و منابع صرفه جویی کند.

امروزه تحقیقات بیشتر و بیشتری در مورد فناوری Self Healing وجود دارد. با توجه به اینکه آیا به یک عامل ترمیم کننده خارجی نیاز است، مواد خود ترمیم شونده را می توان به دو دسته تقسیم کرد: نوع ذاتی و نوع کمک خارجی.

مواد خود ترمیم شونده ذاتی از واکنش شیمیایی برگشت پذیر پیوند ظرفیت ویژه ماده برای التیام آسیب داخلی مواد استفاده می کنند که به عملکرد بالای خود ماده نیاز دارد. مواد خود ترمیم شونده با کمک خارجی می توان از یک مکان مخصوص استفاده کرد تا به خود ترمیمی ماده دست یافت.

تعبیه مکان به خصوص و عامل ترمیم کننده داخلی، خارج می شود و سفت می شود، که نیازی به عملکرد بالایی ندارد. خود مواد مواد خود ترمیم شونده با کمک خارجی، دامنه کاربری وسیع تری دارند و ارزش کاربرد بالاتری دارند.

مواد خود ترمیم شونده خارجی عمدتاً به انواع الیاف شیشه ای توخالی، میکروواسکولار و میکروکپسول تقسیم می شوند. اندازه بزرگتر الیاف شیشه ای توخالی و ساختارهای میکروواسکولار تأثیر بیشتری بر خواص ماتریکسی ترکیب دارد.

با این حال، اندازه میکروکپسول‌ها کوچک‌تر است و به اندازه الیاف شیشه ای توخالی و میکرووسل پیوسته نیست، بنابراین تأثیر کمتری بر ماتریکس ترکیب دارد. با انتخاب منطقی مواد دیواره میکروکپسول و مواد داخلی و بهینه سازی پارامترهای مختلف میکروکپسول می توان به یک واکنش خود ترمیمی خوب دست یافت.

بنابراین، استفاده از سیستمی که ازمیکروکپسول خود ترمیم شونده با کمک خارجی برای ترمیم بافت پلی اتیلن جهت آسیب های کوچک وارده به محصول پلی اتیلنی مناسب تر می باشد .

فناوری میکروکپسول برای مواد خود ترمیم شونده امیدوارکننده است. دانشمندان از فناوری میکروکپسول‌ها برای ترمیم خودکار ترک‌های موجود در مواد اپوکسی استفاده کرد. آنها نشان دادند که میکروکپسول القا شده با نور می تواند برای ترمیم خود به خودی آسیب مکانیکی و آسیب الکتریکی در مواد رزین اپوکسی استفاده شود.

آماده‌سازی خواص سطحی ، خواص مکانیکی میکروکپسول‌ها و ترکیبهای خود ترمیم شونده میکروکپسول به‌طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، اما بیشتر در زمینه‌های پوشش‌ها و مصالح ساختمانی متمرکز شده‌اند.

مطالعات خودترمیمی کمی در زمینه میدان های الکتریکی و خواص الکتریکی وجود دارد. اکثر تحقیقات در مورد مواد خود ترمیم شونده به ندرت چشم انداز کاربرد آنها را در زمینه الکتریکی در نظر می گیرند، در نتیجه بسیاری از فن آوری های خود ترمیم شونده موجود با الزامات کاربرد عملی مواد عایق الکتریکی مناسب نیستند.

تفاوت های زیادی بین زمینه ها و کاربردهای مختلف در ترکیبات خود ترمیم شونده وجود دارد. خواص خود ترمیمی مواد خود ترمیم شونده باید به طور خاص با توجه به محیط های کاربردی مختلف تجزیه و تحلیل شود.

در این مقاله، ما از فناوری خود ترمیمی با کمک خارجی میکروکپسول برای درک خود ترمیم آسیب درخت الکتریکی در داخل ماده پلی اتیلن استفاده می کنیم.

میکروکپسول ها آماده شده و با کاتالیزور در ماتریکس پلی اتیلن مخلوط می شوند تا یک ماده کامپوزیت تشکیل شود. غلظت بهینه ی میکروکپسول تعیین می‌شود و توانایی خود ترمیمی آسیب درخت الکتریکی مورد مطالعه قرار می‌گیرد.

عامل ترمیم کننده از میکروکپسول ها خارج می شود، تحت واکنش با کاتالیزور در ماتریکس قرار می گیرد تا رفتار خود ترمیم شونده را تکمیل کند. مکانیسم تغییر ساختار مواد، استحکام شکست و جریان پلاریزاسیون، مورد تجزیه و تحلیل و توضیح دقیق قرار می‌گیرد.

برای تجزیه و تحلیل بیشتر مکانیسم ترمیم، مدل‌های مولکولی را برای مطالعه سازگاری شیمیایی بین محصول ترمیم کننده و ماتریکس پلی‌اتیلن ایجاد کردیم. از نتایج این آزمایش نتیجه گیری می‌شود که فناوری خودترمیمی می‌تواند به خودترمیمی خوب درخت الکتریکی، با پاسخ سریع و دمای متعادل دست یافت.

انتخاب مواد

دی سیکلوپنتادین (DCPD) و رزین اوره فرمالدئید (UF) به ترتیب به عنوان مواد اصلی و دیواره میکروکپسول انتخاب می شوند. DCPD به دلیل قیمت پایین، دمای پخت مناسب (50 تا 60 درجه سانتیگراد) و سرعت واکنش سریع تحت اثر کاتالیزور و عملکرد خوب پلی دی سیکلوپنتادین محصول پخت شده (PDCPD) به طور گسترده به عنوان ماده اصلی میکروکپسول های خود ترمیم شونده استفاده می شود. UF پایداری خوب و خواص مکانیکی مناسبی دارد.

به عنوان مواد دیوار کپسول، UF می تواند مواد هسته را به خوبی بسته بندی و از آن محافظت کند و همچنین می تواند به موقع شکسته شود تا رفتار خود ترمیمی را ایجاد کند. کاتالیزور نسل دوم گرابز به این دلیل انتخاب شده است که فعالیت کاتالیزوری، پایداری و گزینش پذیری خوبی دارد، در نتیجه می توان اثر خود ترمیمی را تضمین کرد.

پلی اتیلن با چگالی کم (LDPE) به عنوان ماتریکس پلی اتیلن استفاده شد. برای مخلوط کردن یکنواخت پلی اتیلن، میکروکپسول ها ، کاتالیزور و ذرات پلی اتیلن به صورت پودر (15 مش) آسیاب شدند.

برای مقایسه عملکرد محصول ترمیم کننده PDCPD و ماتریکس پلی اتیلن، نمونه PDCPD با پلیمریزاسیون DCPD تحت تأثیر کاتالیزور نسل دوم گرابز تهیه شد و نمونه PE خالص نیز تهیه شد.

خواص دی الکتریک، منحنی nanoindentation   و قدرت شکست AC نمونه های PDCPD و PE خالص مورد آزمایش قرار گرفتند و نتایج در شکل 1 نشان داده شده است. ثابت دی الکتریک (3.6) و چگالی (1.03 گرم بر سانتی متر مکعب) مواد PDCPD مشابه مواد PE هستند، بنابراین سازگاری خوبی دارند.

مقدار ضریب یانگ را می توان از منحنی loading–unloading آزمایش nanoindentation به دست آورد و ضریب یانگ PDCPD و PE خالص به ترتیب 7.54 و 1.02 GPa است. ضریب یانگ PDCPD بزرگتر از مواد پلی اتیلن خالص است و نشان می دهد که می تواند اثر ترمیم کننده گی خوبی داشته باشد.

قدرت شکست نمونه PDCPD کمی کمتر از مواد پلی اتیلن خالص است که عملکرد عایق الکتریکی خوبی را نشان می دهد که نشان دهنده اثربخشی انتخاب مواد است.

شکل 1: نمونه های (الف) PDCPD و (ب) PE خالص. (ج) خواص دی الکتریک دو نمونه. منحنی های loading–unloading (د) PDCPD و (ه) PE خالص. (f) قدرت شکست AC دو نمونه.

تهیه میکروکپسول

برای تهیه میکروکپسول های DCPD/UF از روش دو مرحله ای پلیمریزاسیون درجا که قابلیت کنترل و پایداری خوبی دارد استفاده شد. جزئیات آماده سازی به شرح زیر است.

اول، تهیه پیش پلیمر UF شامل: اوره، 37 درصد وزنی فرمالدئید، و آب دیونیزه به یک بالن مخروطی با نسبت جرمی 5.2:12:40 اضافه شد. pH سیستم توسط تری اتانول آمین به 8-9 تنظیم شد. سپس واکنش در دمای 73-70 درجه سانتی گراد به مدت 1 ساعت با هم زدن مغناطیسی 400 دور در دقیقه انجام شد.

دوم، تشکیل میکروکپسول: 10 گرم DCPD مذاب، 0.5 گرم امولسیفایر سدیم دودسیل بنزن سولفونات (SDBS) و 100 گرم آب دیونیزه شده مخلوط شده و به صورت مکانیکی با شرایط 400 دور در دقیقه و حمام آب 40 درجه سانتی گراد هم زده شدند.

pH سیستم توسط اسید هیدروکلریک رقیق به 7-8 تنظیم شد. هم زدن مکانیکی تا زمانی که یک امولسیون روغن در آب پایدار تشکیل شد ادامه یافت. سپس، 20 گرم UF پیش پلیمر، 0.2 گرم نانو سیلیس و 0.4 گرم عامل پخت رزورسینول اضافه شد و هم زدن مکانیکی پس از 5 تا 10 دقیقه به هم زدن مغناطیسی تبدیل شد.

نیروی همزن مغناطیسی کمتر است، که منجر به تشکیل بهتر میکروکپسول ها می شود. pH سیستم به آرامی روی 3.5 تنظیم شد و دما به تدریج به 63 درجه سانتیگراد افزایش یافت. واکنش به مدت 3 ساعت با هم زدن مغناطیسی در 300 دور در دقیقه به طول انجامید. نمودار شماتیک برای تهیه میکروکپسول ها در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2: نمودار شماتیک روش دو مرحله ای تهیه میکروکپسول

پس از تکمیل واکنش، محصول تصفیه و خشک شد تا میکروکپسول های پودری به دست آید. تصویر میکروسکوپ الکترونی اسکن شده ی میکروکپسول در شکل 3 نشان داده شده است.

ضریب میکروکپسول یانگ 3.30 گیگا پاسکال بود که با آزمون nanoindentation   به دست آمد که خاصیت مکانیکی خوبی را نشان می دهد.

شکل3: تصویر میکروسکوپ الکترونی اسکن شده میکروکپسول ها

تهیه مواد کامپوزیتی عایق پلی اتیلن / میکروکپسول

نمونه‌های کامپوزیت پلی اتیلن / میکروکپسول با روش مخلوط مذاب تهیه شد. پلی اتیلن مخلوط شده، میکروکپسول ها و کاتالیزور به طور مساوی مخلوط شدند.

غلظت میکروکپسول ها به ترتیب 5/0، 1، 5 و 10 درصد وزنی و جرم کاتالیزور 1 درصد وزنی میکروکپسول ها بود. سپس مخلوط را در قالب ریخته، ذوب کرده و به صورت گرم فشار دادند تا نمونه شکل بگیرد.

نمونه های پلی اتیلن خالص با همان روش بدون افزودن میکروکپسول و کاتالیزور تهیه شد.

تست قدرت شکست

آزمایش قدرت شکست AC برای منعکس کردن عملکرد عایق مواد کامپوزیتی PE / میکروکپسول انجام شد. آزمایش با افزایش ولتاژ، مرحله به مرحله انجام شد. ولتاژ تقویت شده ی 1 کیلوولت بر ثانیه تا زمانی که خرابی رخ داد افزایش یافت. برای جلوگیری از دخالت تخلیه سطحی، نمونه و الکترود در روغن عایق غوطه ور شدند.

آزمایش آسیب درخت الکتریکی

تنظیم آزمایشی برای آسیب درخت الکتریکی در شکل 4 نشان داده شده است. درخت الکتریکی با استفاده از الکترودهای صفحه – سوزنی تولید شد. الکترود سوزنی در طی قالب گیری پرس داغ نمونه وارد شد.

شعاع انحنای نوک سوزن 5 میکرومتر بود. الکترود صفحه با استفاده از چسب رسانا به نمونه چسبانده شد. فاصله الکترودها در فاصله 5 میلی متر حفظ شد. آزمایش در روغن عایق برای جلوگیری از تخلیه بار الکتریکی و جرقه در امتداد سطح انجام شد.

یک ولتاژ متناوب 7 کیلوولت/50 هرتز به مدت 60 دقیقه با یک سیستم ولتاژ اعمال شده ساخته شده توسط یک ژنراتور سیگنال (AFG3022C، Tektronix، آمریکایی) و یک تقویت کننده ولتاژ بالا (AMP، Matsusada، ژاپنی) به نمونه برای تولید درخت الکتریکی اعمال شد.

شکل 4: صفحه آزمایش صفحه الکتریکی

خود ترمیمی ساختار مورفولوژیکی درخت الکتریکی

در این مقاله، ماده کامپوزیتی 1 درصد وزنی با عملکرد نسبتا عالی انتخاب شد، توانایی خود ترمیمی درخت الکتریکی از نظر عیوب ساختاری با مشاهده میکروسکوپ نوری (OM) مورد بررسی قرار گرفت.

مرحله ایجاد درخت الکتریکی مورد مطالعه قرار گرفت، تاثیر میکروکپسول ها بر رشد درخت الکتریکی مورد بررسی قرار گرفت و توانایی خود ترمیمی و اصل مواد کامپوزیت بر روی ساختار آسیب دیده درخت الکتریکی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت.

DCPD را می توان در 20-30 دقیقه در حضور کاتالیزور نسل دوم گرابز در دمای 50-60 درجه سانتیگراد به PDCPD تبدیل کرد. برای اطمینان از اثر پخت خوب، دمای پخت 60 درجه سانتیگراد و زمان پخت 30 دقیقه انتخاب شد.

نتایج مورفولوژی درخت الکتریکی در شکل زیر با شرایط گرمایش 60 درجه سانتیگراد و زمان30 دقیقه نشان داده شده است.

شکل : مورفولوژی درخت الکتریکی در (الف) پلی اتیلن خالص و (ب) نمونه های مرکب قبل از (چپ) و پس از (راست) گرمایش (دایره ها 4 برابر برای مناطق انتخاب شده بزرگ می شوند).

در مقایسه با نمونه مواد پلی اتیلن خالص، می توانیم متوجه شویم که اندازه درخت الکتریکی در مواد کامپوزیت به میزان قابل توجهی کاهش می یابد، درخت الکتریکی می تواند روی میکروکپسول ها رشد کند و رشد خود را متوقف کند، و درخت الکتریکی تمایل دارد شاخه هایی در نزدیکی میکروکپسول ها در طول فرآیند گسترش تولید کند.

هیچ تغییری در نمونه PE خالص قبل و بعد از عملیات حرارتی وجود ندارد. با این حال، به جز شاخه درخت الکتریکی اصلی ماده کامپوزیت، شاخه های دیگر ناپدید می شوند و عرض شاخه درخت الکتریکی اصلی نیز پس از عملیات حرارتی به طور قابل توجهی کاهش می یابد.

نتیجه گیری

در این مقاله، کامپوزیت پلی اتیلن/میکروکپسول توانایی تشخیص و ترمیم خودکار آسیب درختان الکتریکی را دارد. نتیجه گیری اصلی به شرح زیر است. ناخالص سازی میکروکپسول استحکام عایق مواد پلی اتیلن را کاهش می دهد.

با این حال، ماده کامپوزیت با میکروکپسول 1 درصد وزنی دارای استحکام عایق خوبی است و می تواند الزامات عملکرد رشته عایق پلی اتیلن را برآورده کند.

میکروکپسول ها می توانند تداوم ساختار مواد پلی اتیلن را از بین ببرند و بر توزیع میدان الکتریکی محلی تأثیر بگذارند، بنابراین رشد درختان الکتریکی را جذب کرده و اندازه آنها را محدود می کنند، که منجر به کاهش غلظت میکروکپسول ها می شود.

درخت الکتریکی موجود در مواد پلی‌اتیلن می‌تواند رفتار خودترمیمی میکروکپسول‌ها را به موقع تحریک کند، در نتیجه کانال شاخه درخت الکتریکی را ترمیم می‌کند، خواص الکتریکی (قدرت شکست و قطبت مواد) را بازیابی می‌کند و روند زوال عایق را معکوس می‌کند.

نتایج شبیه‌سازی MD سازگاری شیمیایی خوب بین ماتریکس PE و محصول ترمیم کننده PDCPD را نشان می‌دهد. به طور خلاصه، مواد کامپوزیت پلی اتیلن با میکروکپسول های %1wt دارای استحکام عایقی خوب، ویژگی های پلاریزاسیون و توانایی خود ترمیم شوندگی هستند.

این کار به توسعه مواد هوشمند خود ترمیم شونده، کاهش ضایعات جامد و صرفه جویی در منابع برای توسعه پایدار کمک می کند.

گروه صنعتی پترو آب حیات تولید کننده لوله و اتصالات پلی اتیلن و یو.پی.وی.سی امیدوار است با ارائه این مطالب نظر شما کاریران عزیز را جلب کرده باشد، در صورت نیاز به رگونه راهنمایی و مشاوره در خصوص خرید لوله و اتصالات پلی اتیلن و یو.پی.وی.سی میتوانید با تیم فروش و بازرگانی ما در تماس باشید، و با ارسال این مطلب به همکاران و افراد جویای علم به پیشرفت افراد در صنعت پلی اتیلن و لوله و اتصالات و رشته های دیگر کمک کرده باشید.