氟树脂结构形态与空间电荷关系研究

论文摘要

氟树脂因其优异的电气和机械性能而被广泛用于航空航天和特种电力电缆的绝缘材料。但是由于氟碳键极性大,氟树脂极易捕获电荷而形成空间电荷。在直流电场下,聚合物中空间电荷的聚集严重畸变电场分布并最终引发绝缘击穿,导致绝缘性能失效,引发短路、放电等现象,使仪器损坏;在航空航天领域,电介质中形成的空间电荷严重影响卫星的安全运行,空间环境中存在着宇宙线、高能质子和等离子体,入射到介质上的高能电子形成嵌入电荷,空间电荷的积累在材料内和表面上感应出很高的电位差,常常触发放电,引起元件工作失常,导致航空器的失效和翻转。因此,研究氟树脂空间电荷的成因、抑制空间电荷的生成或改善其分布,对于保证绝缘的有效性和航天器的安全运行,有着十分重要的意义。影响聚合物中的空间电荷量及其分布的因素很多,如实验温度、外施电场、加电压时间、试样几何形状、电极类型及材料、电极一试样的界面特性、试样的制备工艺、化学构成、试样的结晶程度、氧化度、杂质以及添加剂等。通常改善材料电荷存储能力的方法包括不同高分子共混、加入成核剂或者引入极性基团。目前国际上对聚烯烃类(例如聚乙烯、交联聚乙烯、聚丙烯、乙丙橡胶等)空间电荷的研究非常活跃,对氟树脂聚合物的研究主要集中在驻极体领域,而忽略了氟树脂作为特种绝缘材料时空间电荷的危害。本论文中我们选用PTFE、FEP、PVDF三种典型得氟树脂进行研究,通过改善加工工艺、共混改性、加入添加剂三种方法抑制氟树脂中空间电荷的形成,改善空间电荷分布。通过研究氟树脂的形态以及添加组分在氟树脂中的分布,分析了空间电荷与氟树脂聚集态之间的关系,讨论了空间电荷的形成和消除机理,为航空航天领域中使用含氟聚合物材料的改性和加工提供了理论依据。通过实验结果分析,可以得到以下结论:1.通过改善加工工艺抑制电荷形成。淬火工艺可以明显地改善PTFE、FEP空间电荷分布,减少空间电荷总量。淬火工艺并未改变PTFE、FEP的晶型及形态,而降低了其结晶度、晶粒尺寸、晶粒的有序程度及完美程度。结晶形态地变化,使得材料中浅陷阱比例增加,电荷传输能力增强,被陷阱捕获得电荷容易传导出去,因此空间电荷减少。2.通过共混改性抑制电荷形成。PVDF与PMMA共混可明显地减少PVDF在高压直流电场下的电荷存储量及其分布。PMMA的加入改善了PVDF电荷传输能力,减弱了PVDF捕获电荷的能力,同时使PVDF球晶、晶粒尺寸减小。PMMA的极性侧基可作为电荷跳跃点传导被捕获的电荷。相结构的转变影响电荷的传输能力。PMMA、PVDF之间氢键的形成减少了PVDF中深陷阱的数目,使得PVDF捕获电荷的能力减弱。上述结果都是共混物电荷减少的原因。3.通过加入添加剂抑制电荷的形成。采用抗静电剂对PVDF进行改性。研究发现,抗静电剂的加入能够有效地改善PVDF中电荷的分布,而PVDF的结晶形态并没有发生变化。抗静电剂作为异物被排斥到非晶区域或者晶区与非晶区之间,抗静电剂吸水后电离,增大了材料中得载流子浓度,提高了PVDF的导电性,增大了载流子的跃迁几率,从而使得被捕获得电荷易传导出或者被异性离子中和,因此电荷量减少。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 聚合物空间电荷的研究意义
• 1.2 聚合物空间电荷形成的原理
• 1.2.1 聚合物的能带结构
• 1.2.2 聚合物空间电荷的形成机理
• 1.2.3 聚合物电荷的运输原理
• 1.2.4 聚合物空间电荷积累的原理
• 1.3 空间电荷对聚合物绝缘的危害
• 1.3.1 空间电荷对介电强度的影响
• 1.3.2 空间电荷在电树枝形成中的作用
• 1.4 空间电荷的测量方法
• 1.5 聚合物空间电荷的研究现状
• 1.5.1 烯烃类聚合物空间电荷的研究现状
• 1.5.2 氟树脂空间电荷的研究现状
• 1.6 聚合物的形态结构和理论模型
• 1.6.1 聚合物的结构模型
• 1.6.2 聚合物的结晶过程
• 1.6.3 聚合物的结晶形态
• 1.7 共混高聚物的形态结构
• 1.7.1 非均相非晶/非晶共混高聚物的形态结构
• 1.7.2 非均相结晶/非晶共混高聚物的形态结构
• 1.7.3 非均相结晶/结晶共混高聚物的形态结构
• 1.7.4 影响聚合物共混形态结构的因素
• 1.8 本论文的研究目的、内容和意义
• 第二章 淬冷工艺对PTFE结晶结构和空间电荷分布的影响
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 试样制备
• 2.2.2 空间电荷分布测量
• 2.2.3 DSC分析结晶结构
• 2.2.4 WAXD测试结晶结构
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 PTFE中空间电荷及其分布
• 2.3.2 淬冷工艺对PTFE结晶结构的影响
• 2.3.3 PTFE结晶结构对空间电荷的影响
• 2.4 结论
• 第三章 淬冷工艺对FEP结晶结构和空间电荷分布的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 原料及试样制备
• 3.2.2 空间电荷分布测量
• 3.2.3 DSC测试
• 3.2.4 WAXD测试
• 3.2.5 SAXS分析
• 3.3 结果和讨论
• 3.3.1 直流电场中FEP的空间电荷分布
• 3.3.2 FEP的结晶结构
• 3.3.3 FEP结晶结构与空间电荷关系
• 3.4 结论
• 第四章 PVDF/PMMA共混物相形态结构和电荷分布
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 样品制备
• 4.2.2 DSC分析
• 4.2.3 WAXD测试
• 4.2.4 DMA测试
• 4.2.5 SEM相形态观察
• 4.2.6 PEA测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 PVDF/PMMA共混物的结晶性能
• 4.3.2 PVDF/PMMA共混物的相容性
• 4.3.3 PVDF/PMMA共混物相结构与组成
• 4.3.4 PMMA/PVDF共混体系电荷分布
• 4.3.5 PVDF/PMMA共混物相结构与电荷分布关系讨论
• 4.4 结论
• 第五章 抗静电剂对PVDF电荷分布的影响
• 5.1 引言
• 5.2 实验方法
• 5.2.1 样品制备
• 5.2.2 DSC分析
• 5.2.3 PEA法测量空间电荷
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 PVDF/HDC102体系电荷分布
• 5.3.2 PVDF/HDC102体系结晶性形态研究
• 5.4 结论
• 参考文献
• 发表文章
• 致谢