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目前,高壓輸電系統正朝著更大容量、更高電壓的方向發展,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鍵設備之一,變壓器的絕緣性能也面臨著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節。因此,提升絕緣紙的絕緣性能具有重要的現實意義。

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,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,研究人員主要通過對納米粒子進行表面修飾的方式來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。硅烷偶聯劑是當前最常用的表面改性劑。硅烷偶聯劑的一端可與納米粒子表面的羥基通過縮合反應結合,另一端的氨基與絕緣紙表面的羥基通過氫鍵作用力結合,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,無機納米粒子表面羥基含量較低,直接采用硅烷偶聯劑改性效果不理想,并且隨著時間的推移硅烷偶聯劑的活性會不斷降低。因此,須對無機納米粒子進行羥基化改性,以提高其與硅烷偶聯劑的結合率,解決納米粒子的團聚問題。

圖1 硅烷偶聯劑的作用原理

等離子處理

低溫等離子體處理已被證實可對材料表面產生刻蝕、接枝、交聯等作用,從而賦予材料新的性質。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,尤其在濕潤空氣環境下進行等離子體改性可進一步提高納米SiO2粒子表面的羥基含量。這是由于等離子體產生大量高能粒子的撞擊使C?C鍵及C=O斷裂產生自由基,再與水分子分解產生的羥基自由基(·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

等離子處理納米SiO2表面化學成分影響分析

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關系,而在SiO2粒子的表面Si和O之間這種對應關系不能完全滿足,納米SiO2在制備過程中會吸附環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生的高能粒子與水分子碰撞產生羥基自由基,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