تأثير درجة التشابك على خواص الشد والعزل الكهربائي للبولي إيثيلين المتشابك / مركبات المونتموريلونيت النانوية المعدلة عضوياً

تأثير درجة التشابك على خصائص الشد والعزل للبولي إيثيلين المتشابك/مركبات المونتموريلونيت النانوية المعدلة عضوياً

I. مقدمة
يستخدم البولي إيثيلين المتقاطع (XLPE) على نطاق واسع كطبقة عازلة في كابلات الطاقة بسبب خصائصه الكهربائية والميكانيكية والحرارية الممتازة. ومع ذلك، يمكن أن تؤدي الاختلافات في عملية الإنتاج إلى اختلافات في درجة التشابك للطبقة العازلة، مما يؤثر بدوره على البنية الدقيقة للمادة وأدائها. أجرى العلماء أبحاثًا مكثفة حول تأثير درجة التشابك على الهيكل الكلي وأداء XLPE. الدراسة التي أجراها تشانغ تشياوفينج وآخرون. أظهر أنه مع ارتفاع درجة حرارة الارتباط المتشابك، تزداد درجة الارتباط المتشابك لـ XLPE، ويتم تعزيز هيكل الشبكة ثلاثي الأبعاد المتكون عن طريق الارتباط المتشابك، ويصبح الهيكل الكروي مرتبًا بكثافة، وينخفض ​​تيار الاستقطاب وتيار التوصيل وتيار الاستقطاب البيني لـ XLPE، وبالتالي تحسين أداء العزل الكهربائي لـ XLPE. يوان باو وآخرون. وجد أن إضافة عامل التشابك المشترك يمكن أن يزيد من درجة التشابك لـ XLPE ويقلل من كمية بيروكسيد الديكيوميل (DCP)، وبالتالي تقليل المنتجات الثانوية المتشابكة وتحسين الخواص العازلة للمادة. تشو تشيوان وآخرون. درس تأثير درجات التشابك المختلفة على الشحنة الفضائية ووجد أن التشابك يمكن أن يزيد من شدة مجال عتبة حقن الشحنة للبولي إيثيلين، ولكن مع زيادة درجة التشابك، تزداد شدة مجال عتبة الحقن لـ XLPE أولاً ثم تنخفض. من الواضح أن درجة التشابك المناسبة يمكن أن تعزز أداء العزل الكهربائي لـ XLPE.

مع زيادة مستويات الجهد في أنظمة الطاقة، يتم وضع متطلبات أعلى على أداء عزل الكابلات. توفر المواد العازلة المصنوعة من المركبات النانوية القائمة على البوليمر أفكارًا جديدة لتطوير وأبحاث مواد العزل الكهربائي. تحدد مصفوفة البوليمر الخصائص الجوهرية للمركب، في حين أن التشتت الجيد للجسيمات النانوية مفيد لتحسين أداء المركب. ومع ذلك، فإن عملية الارتباط المتشابك للبوليمر قد تؤدي أيضًا إلى عدم اليقين في تشتت الجسيمات النانوية، مما يؤثر على الترابط السطحي بين الجسيمات النانوية ومصفوفة البوليمر، مما يؤدي إلى اختلافات في الخصائص العيانية.

المونتموريلونايت (MMT) هو نوع فريد من الحشو يصل إلى مقياس النانو في بعد واحد فقط. يحتوي هذا الحشو على نسبة عرض إلى ارتفاع كبيرة جدًا. بعد التركيب مع البوليمر، يتم إدخال البوليمر في مساحة الطبقة البينية، والاستفادة الكاملة من مساحة السطح الداخلية والخارجية لـ MMT لتشكيل منطقة بينية مستقرة وقوية، والتي تقيد حركة السلسلة الجزيئية وتمنع حركة الشحن، مما يحسن بشكل فعال الخواص الميكانيكية والكهربائية للبوليمر. لذلك، يختار هذا البحث المونتموريلونيت المعدل عضويًا (OMMT) بكسر كتلي قدره 0.5% لتعديل البولي إيثيلين. من خلال ضبط وقت التشابك، يتم تحضير مركبات نانوية XLPE/OMMT بدرجات تشابك مختلفة. بالاشتراك مع خصائص الواجهة البينية التي شكلتها OMMT النانوية، تم تحليل العلاقة بين عملية الارتباط المتشابك والشكل الهيكلي المجهري للمركب، وتم دراسة تأثير درجة الارتباط المتشابك على خصائص الشد والعازل للمركب النانوي.

ثانيا. تجربة

1. المواد الخام الرئيسية
المونتموريلونيت المعدل عضويًا (OMMT)، المقحم مسبقًا مع ملح الأمونيوم الرباعي الأوكتاديسيل، المصنعة من قبل شركة Zhejiang Fenghong New Materials Co., Ltd.؛ البولي إيثيلين (PE)، موديل 2220H، من إنتاج شركة Yangzi Petrochemical-BASF المحدودة؛ مركب عازل XLPE بقدرة 35 كيلو فولت، مقدم من شركة Nanjing Zhongchao New Materials Co., Ltd.

2. تحضير العينة

• مركب الكسب غير المشروع: تم تطعيم PE بأنهيدريد الماليك لتحضير البولي إيثيلين المطعم بآنهيدريد المالئيك (PE-g-MAH).

• الأصبغة الرئيسية: تم وضع PE-g-MAH وOMMT على مطحنة ثنائية الأسطوانات بنسبة كتلة 8:2 وتم مزجها بالذوبان عند 100 درجة مئوية مع سرعة لولبية تبلغ 40 دورة/دقيقة لإنتاج الأصبغة الرئيسية بجزء كتلة OMMT بنسبة 20%.

• مركب XLPE/OMMT النانوي: تمت إذابة الخليط الرئيسي مع كريات XLPE بكسر كتلة قدره 2.5% عند 100 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة، مما أدى إلى جزء كتلة OMMT قدره 0.5%.

• عينات بدرجات تشابك مختلفة: تم تحضير العينات المركبة XLPE وXLPE/OMMT وفقًا للمعيار JB/T 10437—2004 'مركب عزل البولي إيثيلين القابل للربط للأسلاك والكابلات'. تم تسخين العينات دون ضغط عند 120 درجة مئوية لمدة 10 دقائق على مكبس الفلكنة المسطح ثم ربطها بشكل متشابك عند 175 درجة مئوية و15 ميجا باسكال لمدة 5 دقائق و10 دقائق و15 دقيقة و20 دقيقة و30 دقيقة. بعد التبريد، تم الحصول على عينات بدرجات تشابك مختلفة.

3. اختبار الملكية

• تحليل حيود الأشعة السينية (XRD).

لتوصيف حالة الإقحام والتشتت للمونتموريلونيت، تم استخدام مقياس حيود الأشعة السينية D8 ADVANCE من Bruker لمسح العينات في حدود 1.5 درجة -10 درجة بمعدل مسح قدره 0.1 ثانية / خطوة. تم استخدام معادلة براغ لحساب تباعد الطبقات البينية للمونتموريلونيت:

حيث d هو التباعد بين الكواكب، θ هي زاوية الحادث، ο هو الطول الموجي الوارد (0.15406 نانومتر)، و n هو ترتيب الحيود.

لتحليل التغييرات الهيكلية الإجمالية للمركبات النانوية XLPE / OMMT، تم استخدام مقياس حيود الأشعة السينية D8 ADVANCE من Bruker لمسح العينات في حدود 10 درجة -30 درجة بمعدل مسح قدره 10 درجة / دقيقة. تم استخدام المعادلتين (2) و (3) لحساب التبلور وحجم الحبيبات المقابلة لقمم الحيود المختلفة.

حيث χ هي البلورة، وS1 هي مساحة الذروة غير المتبلورة، وS2 هي مساحة ذروة الحيود (110)، وS3 هي مساحة ذروة الحيود (200).

حيث Dhkl هو حجم الحبوب المتعامد مع المستوى (110) أو (200)، وK ثابت (0.89)، وβ هو نصف العرض.

• اختبار محتوى الجل

وفقا للطريقة الواردة في الملحق أ للمعيار JB/T 10437-2004، تم استخدام محتوى هلام العينات لتوصيف درجة التشابك. تم تمزيق 0.5 جم من العينة ووضعها في شبكة من الفولاذ المقاوم للصدأ مقاس 130 شبكة (فتحة 0.14 مم)، ثم غمرها في الزيلين عند 110 درجة مئوية لمدة 24 ساعة، ثم تجفيفها في فرن مفرغ عند 110 درجة مئوية حتى وزن ثابت. تم حساب محتوى الجل باستخدام المعادلة (4):

حيث W1 هي كتلة الشبكة، W2 هي كتلة العينة والشبكة قبل الاستخراج، وW3 هي كتلة العينة والشبكة بعد الاستخراج والتجفيف.

• النقش المورفولوجي

تم حفر أفلام XLPE/OMMT النانوية في محلول حمض الكبريتيك المركز 5% KMnO4 لمدة 3 ساعات عند 50 درجة مئوية، مع التحريك كل 0.5 ساعة. بعد النقش، تم تنظيف العينات في منظف الميكروويف بالموجات فوق الصوتية لمدة 0.5 ساعة، وتجفيفها، ومغطاة بالرش بالذهب. تم استخدام المجهر الإلكتروني الماسح SU8010 (SEM) لمراقبة التشكل البلوري عند التكبير × 1000.

• اختبار خاصية الشد

تم استخدام آلة اختبار عالمية UTM2103 وفقًا للمعيار GB/T 1040—2006 'تحديد خصائص الشد للمواد البلاستيكية'. تم اختبار عينات النوع الخامس عند سرعة شد (250±50) ملم/دقيقة وبسمك (1.0±0.1) ملم.

• خصائص درجة الحرارة الموصلية

تم استخدام نظام ثلاثي الأقطاب بمقياس ZC36 عالي المقاومة لقياس مقاومة الحجم (المقلوب هو موصلية الحجم γ) عند 23 درجة مئوية، 40 درجة مئوية، 60 درجة مئوية، 80 درجة مئوية، و 90 درجة مئوية. كان جهد الاختبار 1 كيلو فولت، وكان سمك العينة 1 مم. تم حساب طاقة التنشيط μ0 للمركب من بيانات المقاومة الحجمية لدرجة الحرارة المجهزة.

حيث k هو ثابت بولتزمان و B هو ميل خط تركيب المقاومة لدرجة الحرارة والحجم.

• اختبار ثابت العزل الكهربائي وفقدان الظل الكهربائي

تم استخدام نظام قياس ثابت العزل الكهربائي QS87 لاختبار ثابت العزل الكهربائي وظل فقدان العزل الكهربائي للعينات. كان قطر العينة 50 ملم وسمكها 1 ملم.

• اختبار قوة مجال الانهيار

تم استخدام قطب كهربائي كروي، وتم زيادة الجهد بمعدل 2 كيلو فولت / ثانية حتى تعطلت العينة. تمت معالجة النتائج باستخدام توزيع Weibull ثنائي المعلمة. وكانت العينات دائرية بقطر 150 ملم وسمك 0.1 ملم.

ثالثا. النتائج والمناقشة

1. حالة تشتت OMMT في XLPE
تم تحليل تغييرات تباعد الطبقات البينية للمونتموريلونيت عبر أنماط حيود XRD. تظهر أنماط XRD الخاصة بـ MMT وOMMT وmasterbatch وXLPE/OMMT nanocomposite في الشكل 1، ويتم سرد المسافات البينية المحسوبة في الجدول 1.

يوضح الشكل 1 والجدول 1 أن ذروة الحيود الأولية لـ MMT تبلغ حوالي 6.20 درجة، مع تباعد بيني قدره 1.42 نانومتر. بعد العلاج باستخدام ملح الأمونيوم الرباعي الأوكتاديسيل، يتم الحصول على OMMT، وتتحول ذروة حيوده إلى اليسار إلى 3.45 درجة، مع زيادة تباعد الطبقات البينية إلى 2.56 نانومتر، مما يشير إلى أن التعديل العضوي يوسع تباعد الطبقات البينية للمونتموريلونيت. بالمقارنة مع OMMT، فإن ذروة الحيود الأولية للخليط الرئيسي تنتقل إلى اليسار إلى 1.90 درجة، ويزداد التباعد بين الطبقات إلى 4.65 نانومتر. ويرجع ذلك إلى التفاعل القوي بين مجموعات أنهيدريد المالئيك على السلاسل الجزيئية البوليمرية وأسطح صفائح OMMT، مما يتسبب في إقحام PE-g-MAH في الطبقات البينية OMMT وزيادة تباعد الطبقات البينية. في النظام المركب XLPE/OMMT، تحولت ذروة الحيود الأولية إلى اليسار إلى 1.54 درجة، وتوسعت تباعد الطبقات البينية لـ XLPE/OMMT إلى 5.73 نانومتر، بزيادة قدرها 303.5% مقارنة بـ MMT. بالإضافة إلى ذلك، اختفت جزئيًا ذروة الحيود الأولية في الشكل 1، مما يوضح أنه في ظل إجراء PE-g-MAH، حققت OMMT تشتتًا مقشرًا في XLPE/OMMT.

2. تبلور عينات XLPE/OMMT من المركبات النانوية
تظهر أنماط XRD لعينات XLPE/OMMT تحت أوقات تشابك مختلفة ومخططات تركيب غاوسية في الشكلين 2 أ و2 ب. يتم سرد معلمات قمم الحيود (110) و (200) وبلورة كل عينة في الجدول 2. في تحليل XRD، يمكن استخدام شكل الذروة ونصف العرض β والبلورة لتحليل التغيرات في البنية البلورية ودرجة الضرر الهيكلي. وفي ظل نفس ظروف التبلور، يمكن لنصف العرض أن يميز درجة التشوه الهيكلي داخل البلورات. يشير نصف العرض الأكبر إلى درجة أعلى من التشوه البلوري. من الشكل 2، يمكن ملاحظة أن مواضع ذروة الامتصاص للعينات لا تتغير بشكل كبير، في جميع أنحاء 21.3 درجة و 23.6 درجة، ولكن تختلف الشدة، مما يشير إلى أن الأشكال البلورية للعينات هي نفسها بشكل أساسي، ولكن تختلف أحجام البلورات والبلورة.

يوضح الشكلان 2 أ والجدول 2 أنه مع زيادة وقت التشابك، تنخفض تبلور العينات، وتنخفض أحجام البلورات في كلا الاتجاهين المستويين البلوريين. بعد 20 دقيقة من التشابك، تنخفض البلورة بشكل ملحوظ، ويزيد نصف العرض، مما يشير إلى أنه في ظل وقت التشابك المفرط، يكون التشوه والضرر الذي يلحق بالمناطق البلورية للعينات كبيرًا.

3. درجة التشابك لعينات المركبات النانوية XLPE وXLPE/OMMT
يمكن تمييز درجة التشابك للعينات بمحتوى الهلام. يتم سرد محتويات هلام عينات XLPE و XLPE / OMMT النانوية تحت أوقات تشابك مختلفة في الجدول 3. ويمكن ملاحظة أن محتوى هلام العينات يزداد أولاً ثم يتناقص مع زيادة وقت التشابك، ليصل إلى الحد الأقصى عند 15-20 دقيقة. يشير هذا إلى أنه مع زيادة وقت التشابك، تزداد درجة التشابك تدريجيًا، وعندما يصل وقت التشابك إلى 15-20 دقيقة، يكون تفاعل التشابك مكتملًا بشكل أساسي، وتكون درجة التشابك هي الأعلى. عندما يتم تمديد وقت التشابك بشكل أكبر، تنخفض درجة التشابك.

في مرحلة التشابك الأولية قبل 15 دقيقة، تكون عينات المركب النانوي XLPE وXLPE/OMMT لها درجات تشابك مماثلة. ويرجع ذلك أساسًا إلى أنه تحت تأثير عامل التشابك، تبدأ الروابط الكيميائية في تكوين بنية شبكة ثلاثية الأبعاد بين السلاسل الجزيئية، وتزداد درجة التشابك تدريجيًا. بعد 15 دقيقة، تكون درجة التشابك لعينات XLPE/OMMT النانوية أعلى من تلك الخاصة بـ XLPE النقي. وذلك لأن OMMT المقشر المشتت في المصفوفة يمكن أن يكون بمثابة نقاط تشابك مادية. العمل المشترك للتشابك الكيميائي والفيزيائي يعزز زيادة درجة التشابك. ومع ذلك، فإن وقت التشابك المفرط يؤدي إلى كسر بعض السلاسل الرئيسية بسبب الأكسدة الحرارية، مما يؤدي إلى انخفاض درجة التشابك.

وهكذا، قبل 15 دقيقة من التشابك، تكون عينات XLPE وXLPE/OMMT النانوية في حالة 'غير متشابكة'؛ وفي 15-20 دقيقة، يكونون في حالة 'متشابكة بشكل صحيح'؛ وبعد 20 دقيقة، يصبحون في حالة 'تشابك زائد'.

4. تأثير درجة التشابك على التشكل الدقيق للمركبات النانوية XLPE/OMMT
للتحقيق في تأثير درجة التشابك على التشكل الدقيق للمركب، تم اختيار عينات XLPE/OMMT بأوقات تشابك تبلغ 5 دقائق و15 دقيقة و30 دقيقة للمراقبة تحت المجهر الإلكتروني الماسح. تظهر النتائج في الشكل 3. تم تحليل أحجام البلورات إحصائيًا، وتم سرد البيانات في الجدول 4. من الشكل 3 والجدول 4، يمكن ملاحظة أنه بالمقارنة مع العينة المتشابكة لمدة 5 دقائق، يتناقص متوسط ​​حجم البلورة للمركب من 32.06 ميكرومتر إلى 20.58 ميكرومتر عند 15 دقيقة، ويزيد عدد البلورات بشكل كبير، ويصبح توزيع حجم البلورة أكثر اتساقًا. عند 30 دقيقة، ينخفض ​​متوسط ​​حجم البلورة إلى 18.98 ميكرومتر، لكن تشتت أحجام البلورات يزداد.

هذا الاتجاه يتوافق مع نتائج XRD. في الحالة غير المتشابكة، يمكن لصفائح OMMT المشتتة بشكل موحد في المصفوفة أن تعمل كعوامل نووية غير متجانسة، وتسريع معدل التبلور، وزيادة عدد البلورات، وتشكيل تفاعلات بينية قوية مع المصفوفة، وتقييد الحركة القطاعية وتقليل معدل نمو البلورات، مما يؤدي إلى أحجام بلورات أصغر. مع زيادة درجة التشابك، يتم تكوين المزيد من الجزيئات طويلة السلسلة، ويتدهور انتظام السلاسل الجزيئية، وتقل المرونة، مما يجعل من الصعب على السلاسل أن تطوي بانتظام في الشبكة البلورية، وبالتالي تثبيط نمو البلورات ويؤدي إلى أحجام بلورية غير موحدة. مع مزيد من التحسين لشبكة الارتباط المتشابك، يصبح توزيع البلورات موحدًا مرة أخرى، مما يقلل الفرق في أحجام البلورات. في حالة التشابك الزائد، يؤدي كسر بعض السلاسل الجزيئية إلى تدفق لزج قطعي، ويؤثر عدم الاستقرار الديناميكي الحراري هذا على إقحام وتشتت السلاسل الجزيئية في OMMT، مما يؤدي إلى تفاقم تشتت OMMT في المصفوفة، مما يتسبب في تداخل النوى، ونمو البلورات المركزة، وزيادة الاختلافات في أحجام البلورات. بالإضافة إلى ذلك، تتسبب درجات الحرارة المرتفعة لفترة طويلة في كسر بعض السلاسل الجزيئية بسبب الأكسدة الحرارية، مما يقلل من تناسق شبكة الارتباط المتشابك ويعوق الترتيب المرتب للأجزاء أثناء التبلور، مما يؤدي إلى ضعف التوحيد في توزيع حجم البلورة.

5. تأثير درجة التشابك على خصائص الشد للمركبات النانوية XLPE/OMMT
يمكن أن تعكس اختبارات الشد التشوه المرن، والتشوه البلاستيكي، ومراحل الكسر للمادة من التحميل إلى الكسر. يمكن تقسيم منحنى الإجهاد والانفعال للمركبات النانوية XLPE/OMMT إلى قسمين: ① منطقة التشوه المرنة حيث يكون للإجهاد والانفعال علاقة خطية، و② منطقة التشوه البلاستيكي حيث يكون للإجهاد والانفعال علاقة غير خطية. يتم سرد معلمات التشوه المرنة للمركبات النانوية XLPE / OMMT في الجدول 5.

من الجدول 5، يمكن ملاحظة أنه مع زيادة وقت التشابك، يزداد المعامل المرن E للعينات أولاً ثم يتناقص، في حين تنخفض قوة الخضوع σY وسلالة الخضوع εY بدرجات متفاوتة. في الحالة غير المتشابكة، أولاً، يعمل OMMT المشتت بشكل موحد في المصفوفة كنقاط تشابك مادية، مما يزيد من عدد النقاط الحاملة ويحسن مقاومة المركب للتشوه؛ ثانيًا، درجة التشابك منخفضة، وهيكل الشبكة المتكون داخل المركب قريب من المثالية، حيث تتحمل كل سلسلة شبكة الحمل بالتساوي، ومع زيادة درجة التشابك، تزداد سعة الحمل، وبالتالي تزيد E؛ بالإضافة إلى ذلك، ترتبط قدرة التشوه المرنة للمركب بالوزن الجزيئي. مع زيادة درجة التشابك، يزداد الوزن الجزيئي للبوليمر، وتحت تشابك السلاسل الجزيئية، تتعزز مقاومة المركب للتشوه، مما يزيد من E. في حالة التشابك الزائد، يؤدي عدم تناسق شبكة التشابك الناتج عن الانقسام التأكسدي الحراري إلى تفاقم توزيع الحمل غير الموحد، مما يقلل من مقاومة المركب للتشوه. علاوة على ذلك، فإن العدد الكبير من الروابط المتشابكة يقلل المسافة بين صفائح OMMT، مما يضعف قدرة OMMT على تشتيت الحمل، وبالتالي تنخفض E. تتأثر قوة الخضوع بشكل رئيسي بالبلورة. تمنع تفاعلات التشابك التبلور وتقلل من التبلور، مما يزيد من المنطقة غير المتبلورة ويجعل اتجاه السلسلة الجزيئية أسهل، وبالتالي ينخفض ​​σY وεY.

بعد أن تخضع المادة للتشوه المرن ويتجاوز الضغط المطبق حد المرونة، تدخل المادة في مرحلة التشوه البلاستيكي. يتم سرد معلمات تشوه البلاستيك للمركبات النانوية XLPE / OMMT في الجدول 6. من الجدول 6، يمكن ملاحظة أن قوة الشد σB للمركب تزداد أولاً ثم تتناقص مع زيادة وقت التشابك، حيث تصل إلى حد أقصى قدره 19.5 ميجا باسكال عند 15 دقيقة. من المعتقد أنه في حالة التشابك السفلي، تعمل الروابط المتشابكة المتكونة تدريجيًا على تعزيز القوى بين الجزيئات، ويزيد تفاعل التشابك من عدد السلاسل الجزيئية المتشابكة بين الصفائح البلورية، وبالتالي تحسين σB. ومع ذلك، فإن نقاط التشابك الكثيفة تقصر طول السلسلة بين نقاط التشابك، مما يقيد حركة السلسلة الجزيئية ويجعل التوجه على طول اتجاه الشد صعبًا، مما يقلل من الحركة النسبية ويقلل الاستطالة عند الكسر.

ترتبط قوة الشد للبوليمر أيضًا بالفراغات الدقيقة التي تتشكل أثناء تبلور وتشوه المنطقة غير المتبلورة (مما يؤدي إلى إجهاد داخلي). أثناء التبلور، تميل نهايات السلسلة الجزيئية وعيوبها إلى التركيز في المنطقة غير المتبلورة. في حالة التشابك الزائد، تنخفض درجة التشابك، وتقل البلورة بشكل أكبر، وتزداد المنطقة غير المتبلورة، ويؤثر الانقطاع التأكسدي الحراري للسلاسل الجزيئية على الترابط بين OMMT والمصفوفة، مما يتسبب في فصل الطور عند الواجهة وتحفيز الشقوق الصغيرة. تؤدي هذه العوامل إلى زيادة الفراغات الدقيقة والعيوب في المنطقة غير المتبلورة، وزيادة الضغط الداخلي، والهشاشة، وانخفاض القوة.

طاقة الكسر S هي الشغل المبذول بواسطة إجهاد الشد على وحدة حجم المادة أثناء كسر الشد. تشير القيمة الأكبر إلى صلابة أفضل واحتمال أقل لحدوث كسر هش. ومع زيادة زمن التشابك، يزيد S أولًا ثم يتناقص. في حالة التشابك السفلي، مع زيادة درجة التشابك، تزداد S، مما يشير إلى أن تفاعل التشابك يحسن صلابة المركب. ويعزى ذلك إلى الروابط المتشابكة التي تشكلها تفاعل التشابك، والتي تعزز القوى بين الجزيئات. بالإضافة إلى ذلك، تزيد مساحة السطح المحددة الكبيرة لـ OMMT من التفاعل مع البوليمر، ويعمل OMMT المقشر كنقاط تشابك مادية، مما يخفف بشكل فعال من التأثيرات الخارجية ويحسن صلابة المركب. ومع ذلك، مع التشابك المفرط، من ناحية، فإن عدم انتظام شبكة التشابك الناجم عن الانقسام التأكسدي الحراري يؤدي إلى عدد قليل من السلاسل الجزيئية التي تحمل الحمل أولاً وتنكسر تحت قوى خارجية، مما يؤدي إلى تسريع تدهور المركب؛ من ناحية أخرى، تميل الشقوق الصغيرة أو الشقوق بين OMMT والمصفوفة إلى تركيز الضغط، مما يتسبب في كسر المركب وتقليل S.

بالاشتراك مع نتائج XRD، قبل وفي حالة الارتباط المتشابك بشكل صحيح، مع زيادة درجة الارتباط المتشابك XLPE/OMMT، يتم إنشاء هيكل الشبكة المتشابك تدريجيًا، مما يعزز القوى بين الجزيئات ويزيد من قدرة تحمل الحمولة، وبالتالي تحسين خصائص الشد. في هذا الوقت، على الرغم من انخفاض التبلور وزيادة المنطقة غير المتبلورة، فإن صفائح OMMT المشتتة بشكل موحد في المصفوفة تعمل كنقاط تشابك مادية، مما يزيد من التشابك الجسدي تحت تأثير PE-g-MAH، مما يزيد من تعزيز القدرة على تفريق الحمل وتحسين قوة الشد، وطاقة الكسر، ومعامل المرونة. في الحالة المتشابكة بشكل صحيح، يحافظ التشوه المرن العالي الذي تنقله الشبكة ثلاثية الأبعاد على قوة الترابط في واجهة الطور واستقرار حالة التشتت والتشتت OMMT، وهو أيضًا سبب مهم لزيادة المعامل المرن.

في حالة التشابك الزائد، تؤدي زيادة انقسام السلسلة الجزيئية إلى تقليل درجة التشابك، وتدهور حالة التشتت والتشتت في OMMT، وتقليل قوة الترابط بين الوجهين، وإحداث شقوق دقيقة. بالإضافة إلى ذلك، تزداد درجة تلف البلورات، وتقل التبلور، وتزداد المنطقة غير المتبلورة، ويزداد الفرق في توزيع حجم البلورات، مما يؤدي إلى تفاقم تركيز الإجهاد. تُظهر عينات المركبات النانوية اتجاهًا لتناقص قوة الشد، وطاقة الكسر، ومعامل المرونة.

6. تأثير درجة التشابك على خواص العزل الكهربائي للمركبات النانوية XLPE/OMMT

• تأثير درجة التشابك على خصائص درجة حرارة التوصيل للمركبات النانوية XLPE / OMMT

يظهر الشكل 4 علاقة التوصيل ودرجة الحرارة المجهزة لـ XLPE/OMMT تحت درجات تشابك مختلفة. وتم حساب طاقات التنشيط لكل عينة بناءً على المعادلة (5) والشكل 4، ويتم سرد البيانات في الجدول 7.

تعتمد موصلية المركب على تركيز وتنقل حاملات الشحنة داخل المادة، وتتأثر قابلية التنقل بحاجز الربط (أي طاقة التنشيط). من الشكل 4، يمكن ملاحظة أن موصلية كل عينة تزداد مع درجة الحرارة، مما يشير إلى أنه مع ارتفاع درجة الحرارة، يتم تحفيز المزيد من حاملات الشحنة حرارياً للمشاركة في التوصيل، بما يتوافق مع خصائص التوصيل الأيوني. في XLPE/OMMT، عند درجات حرارة منخفضة، يشكل OMMT المقشر، مع طاقته السطحية العالية، رابطة بينية قوية مع مصفوفة XLPE تحت تأثير PE-g-MAH، مما يقيد الحركة الاتجاهية لحاملات الشحن وامتصاص ناقلات الشحن وأيونات الشوائب في XLPE، مما يجعل هجرة حامل الشحنة أمرًا صعبًا ويؤدي إلى انخفاض الموصلية. مع ارتفاع درجة الحرارة، يتم تحفيز حاملات الشحنة المقيدة حرارياً للتغلب على الحاجز والمشاركة في الهجرة، مما يزيد من الموصلية. بالإضافة إلى ذلك، يضعف الترابط السطحي بين OMMT وXLPE، وتقل القوى بين الجزيئات، مما يقلل القيود المفروضة على حركة حامل الشحنة. ولذلك، تزداد الموصلية مع درجة الحرارة.

من الجدول 7، يمكن ملاحظة أنه مع زيادة وقت التشابك، تزيد طاقة التنشيط أولاً ثم تنخفض، لتصل إلى حد أقصى قدره 0.35 فولت عند 15 دقيقة. تميز طاقة التنشيط بشكل أساسي الطاقة اللازمة لحاملات الشحنة للتغلب على ارتفاع الحاجز عند المشاركة في التوصيل. في حالة التشابك السفلي، مع استمرار تفاعل التشابك، تتحول العينة من بنية جزيئية خطية إلى بنية شبكة ثلاثية الأبعاد. تتحول المصائد الداخلية من المصائد الضحلة إلى المصائد العميقة، كما تقدم المنطقة البينية القوية بين صفائح OMMT المقشرة والمصفوفة مصائد أكثر عمقًا، مما يزيد من احتمال التقاط حامل الشحنة، مما يجعل من الصعب على الشحنات المحاصرة فك الفخ، ورفع الحاجز وطاقة التنشيط. من نتائج SEM، يمكن ملاحظة أنه في الحالة المتشابكة بشكل صحيح، يكون للعينة توزيع بلوري موحد وبنية طور متطورة. تشكل صفائح OMMT المشتتة جيدًا ومصفوفة XLPE رابطة بينية قوية، مما يعزز القيود المفروضة على حركة اتجاه حامل الشحنة، ويقلل من حركة حامل الشحنة، ويزيد من طاقة التنشيط. في حالة التشابك الزائد، يتدهور تشتت OMMT، مما يؤثر على المنطقة البينية بين OMMT والمصفوفة، مما يقلل من عدد الفخاخ العميقة، كما يؤدي الانفصال التأكسدي الحراري للسلاسل الجزيئية إلى إضعاف القوى بين الجزيئات، مما يقلل القيود المفروضة على حركة حامل الشحنة، وبالتالي خفض الحاجز وطاقة التنشيط.

مع زيادة درجة التشابك لـ XLPE/OMMT، تنخفض تبلور العينات، وتزداد المنطقة غير المتبلورة، مما يسهل نقل حامل الشحنة، ويميل الهيكل الداخلي إلى أن يكون أكثر اكتمالاً، مما يقلل من الفخاخ الناتجة عن العيوب. بالإضافة إلى ذلك، تحدد الاختلافات في نوع الراتنج الأساسي للمركب الاختلافات في مستويات طاقة المصيدة، وبالتالي يكون مستوى طاقة الحاجز لعينات XLPE/OMMT أقل، وتكون طاقة التنشيط أصغر.

• تأثير درجة التشابك على ثابت العزل الكهربائي وفقدان العزل الكهربائي للمركبات النانوية XLPE / OMMT

يظهر في الشكل 5 تباين ثابت العزل الكهربائي النسبي وظل فقدان العزل الكهربائي لـ XLPE/OMMT مع وقت التشابك. ويمكن ملاحظة أنه مع زيادة وقت التشابك، يتناقص ثابت العزل الكهربائي النسبي لـ XLPE/OMMT أولاً ثم يزيد، ليصل إلى الحد الأدنى عند 15-20 دقيقة، بينما يظهر ظل فقدان العزل الكهربائي تغيرًا على شكل 'N' مع زيادة وقت التشابك. يعتمد ثابت العزل الكهربائي النسبي للمركب النانوي على المجموعات القطبية التي تقدمها الجسيمات النانوية ودرجة الترابط بين واجهة مصفوفة الحشو. مع استمرار التشابك، تزداد درجة التشابك، ويصبح هيكل الشبكة المتشابك ثلاثي الأبعاد للمركب أكثر اكتمالًا، مما يقيد التدفق اللزج الناتج عن القفزات التعاونية القطاعية، ويمنع تجميع صفائح OMMT، ويزيد من استقرار تشتت صفائح OMMT، ويقيد بشكل أكبر اتجاه ثنائيات القطب، ويعوق اتجاه المجموعات الجانبية وقطاعات السلسلة الجزيئية. وفي الوقت نفسه، يتم توصيل مصفوفة البوليمر بصفائح OMMT عبر PE-g-MAH، وتتفاعل المجموعات القطبية الموجودة على السطح الداخلي مع مجموعات أنهيدريد على PE-g-MAH، مما يعزز التفاعل البيني بين صفائح البوليمر وصفائح OMMT، مما يقلل من قابلية الاستقطاب الجزيئي، ويقلل ثابت العزل الكهربائي النسبي، ويقلل مماس فقدان العزل الكهربائي. قد تكون الزيادة الأولية في ظل فقدان العزل الكهربائي بسبب زيادة الخسائر الهيكلية الناجمة عن بنية التشابك الفضفاضة نسبيًا في هذه المرحلة.

في حالة التشابك الزائد، في ظل درجات حرارة عالية لفترة طويلة، تؤدي زيادة انقسام السلسلة الجزيئية إلى تقليل درجة التشابك، وإضعاف القوى بين الجزيئات، وتسهيل توجيه ثنائيات الأقطاب، وزيادة المجموعات القطبية بسبب الأكسدة وإزالة المجموعات الجانبية والمنتجات الثانوية القديمة مثل مجموعات الكربونيل، مما يزيد من ثابت العزل الكهربائي النسبي وفقدان العزل الكهربائي. بالإضافة إلى ذلك، تخضع صفائح OMMT لإعادة ترتيب دقيقة بسبب القوى الجزيئية القوية في XLPE، وتداخل مناطق الواجهة، وتقليل القوى البينية، وإضعاف القيود، وزيادة ثابت العزل الكهربائي النسبي وفقدان العزل الكهربائي.

• تأثير درجة التشابك على خصائص انهيار المركبات النانوية XLPE / OMMT

يظهر الشكل 6 توزيع Weibull ثنائي المعلمة لقوة مجال انهيار تردد الطاقة للعينات، ويتم سرد معلمات الشكل والمقياس ذات الصلة لكل عينة في الجدول 8. من الشكل 6 والجدول 8، يمكن ملاحظة أنه مع زيادة وقت التشابك، تزداد شدة مجال الانهيار أولاً ثم تنخفض، لتصل إلى الحد الأقصى عند 15 دقيقة مع أصغر تشتت للبيانات. مع استمرار تفاعل التشابك وزيادة درجة التشابك، يزداد عدد المصائد العميقة داخل العينات، ويزداد احتمال التقاط الإلكترون الحر، ويتناقص عدد الإلكترونات الحرة. تؤدي إضافة OMMT وزيادة درجة التشابك إلى تحسين البنية المجهرية لـ XLPE، وتقليل الحجم الحر، وتقصير متوسط ​​المسار الحر للإلكترونات الحرة، وتجعل من الصعب تشكيل قنوات موصلة، وبالتالي زيادة قوة مجال الانهيار للمركب وتقليل تشتت البيانات. بالإضافة إلى ذلك، بالإضافة إلى نتائج اختبار المعامل المرنة، يمكن العثور على أنه في الحالة المتشابكة بشكل صحيح، يتم تعزيز صلابة السلاسل الجزيئية المركبة، مما يمكنها من مقاومة قوة الضغط تحت مجال كهربائي، مما يقلل من احتمالية الانهيار الكهروميكانيكي. مع مزيد من التمديد لوقت التشابك، تنخفض درجة التشابك، وتنكسر جزيئات السلسلة الطويلة، وتتغير بعض أطوال السلاسل الجزيئية وزوايا الرابطة، ولا يعد من الممكن طي السلاسل بانتظام حول النوى، مما يسبب عيوبًا دقيقة في البلورات وتسهيل تطوير القنوات الموصلة المحلية. يسمح التفاعل الضعيف بين OMMT والمصفوفة بالهروب لمزيد من الإلكترونات الحرة، وتحت تأثير المجال الكهربائي، تصطدم هذه الإلكترونات باستمرار مع الذرات الموجودة على العقد الشبكية، مما يؤدي إلى تدمير البنية البلورية للمركب وتقليل قوة مجال الانهيار وزيادة تشتت البيانات. توفر المناطق البينية المتداخلة بين OMMT والمصفوفة أيضًا مسارات لحركة الإلكترون الحرة، وتؤدي انخفاض البلورة وزيادة المنطقة غير المتبلورة إلى تسريع نقل الشحنة، مما يقلل بشكل أكبر من قوة مجال الانهيار للمركب.

رابعا. الاستنتاجات

1. تصل المركبات النانوية XLPE/OMMT إلى حالة 'الترابط الملائم' خلال 15-20 دقيقة. تؤثر درجة التشابك على توحيد أحجام البلورات والبلورة. ومع ذلك، فإن روابط التشابك تقلل المسافة بين صفائح OMMT، مما يؤثر على تشتت OMMT، مما يؤدي إلى زيادة اختلافات حجم البلورة في حالة التشابك الزائد.

2. إن الزيادة في روابط التشابك، وتحسين هيكل الشبكة ثلاثي الأبعاد، ودور OMMT كنقاط تشابك مادية تعمل معًا على تعزيز قوة الشد وصلابة المادة. في حالة التشابك الزائد، يؤدي انخفاض البلورة والانقسام التأكسدي الحراري للسلاسل الجزيئية وإعادة الترتيب الدقيق لصفائح OMMT إلى تقليل خصائص الشد للمركب.

3. ترتبط موصلية المركب النانوي ارتباطًا وثيقًا بدرجة التشابك والتفاعل البيني بين OMMT والمصفوفة. يعكس معدل تغير الموصلية مع درجة الحرارة قوة تقييد التفاعل البيني على الحركة الجزيئية. في الحالة المتشابكة بشكل صحيح، فإن العمل المشترك للروابط المتشابكة والقوى البينية يقلل من ثابت العزل الكهربائي وظل فقدان العزل الكهربائي للمركب. يعزز الارتباط المتشابك المناسب سلامة البنية المجهرية للمركب، ومع تأثير الحاجز لـ OMMT، يعزز القوة الكهربائية للمركب.

تم التحقق من نافذة 'متشابكة بشكل صحيح' مدتها 15 دقيقة: يمكن للتأثير التآزري لصفائح OMMT المقشرة والشبكة المتشابكة أن يعزز في الوقت نفسه الحدود الميكانيكية والعازلة لـ XLPE. إذا تمت إضافة عامل تشكيل الكربون المزود خصيصًا من YINSU Flame Retardant، فيمكن تشكيل طبقات كربون كثيفة بسرعة في المرحلة الأولى من الاحتراق، مما يؤدي إلى إنشاء حاجز مزدوج مع OMMT وتحقيق ترقية أمان مثبطات اللهب منخفضة الدخان وخالية من الهالوجين للكابلات - مما يجعل الكابلات ذات الجهد العالي قوية وآمنة على حد سواء، وجاهزة للنشر الصناعي بنقرة واحدة.