بررسی خواص الکتریکی گریدهای مختلف پلی اتیلن در مقایسه با پلی اتیلن کراسلینک شده

حضور تیم تحقیق و توسعه آمیزه های پلیمری ابهر در هفتمین همایش ملی پلیمر ایران

مسلم میرزائی¹، وحید محسنی²، شاهین جهانیار³، علیرضا عالمی⁴، ابولفضل حلوائی⁵

4،3،1- کارشناس ارشد تحقیق و توسعه، شرکت آمیزه‌های پلیمری ابهر، تهران، ایران

2- مدیر تحقیق و توسعه، شرکت آمیزه های پلیمری ابهر، تهران، ایران

5- کنترل کیفیت، شرکت آمیزه‌های پلیمری ابهر، تهران، ایران

چكيده

یکی از خواص مواد اولیه پلی اتیلن، خواص الکتریکی آن است. پلی اتیلن همچون بیشتر پلیمرهای دیگر رسانایی بسیار ضعیفی دارد زیرا تعداد الکترون‌های آزاد آن بسیار کم است. پلی اتیلن به دلیل رسانایی بسیار ضعیف یکی از بهترین عایق‌های الکتریسیته است و به همین منظور در صنایع سیم و کابل و بسیاری از کاربردهای برقی دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرد و همچنین به دلیل رسانایی پایین الکتریکی از آزاد شدن بارهای الکتریکی حاصل از الکتریسیته ساکن جلوگیری میکند. مقاومت سطحی گرید LL22B03 بالاترین مقدار و گرید HDEX3 کمترین مقدار را دارد. مقاومت حجمی گرید LD0190 بیشترین مقدار و گرید HDEX3 کمترین مقدار را دارد. ولتاژ شکست گرید LD0190 بیشترین مقدار و گرید HD52518 کمترین مقدار را داراست. با کراسلینک کردن پلی اتیلن به دو روش سیلانی و پراکسایدی نتایج نشان داد که خواص الکتریکی کراسلینک کردن پراکسایدی نسبت به سیلانی مقدار بالاتری می‌باشد.

1.مقدمه

پلیمرها از اوایل قرن بیستم به طور گسترده‌ای به عنوان مواد عایق الکتریکی برای کابل‌های زیرزمینی استفاده شده‌اند [1]. به طور کلی، پلیمرها به عنوان ماکرومولکول‌های متشکل از واحدهای تکرار شونده زیادی به نام مونومر تعریف می‌شوند. بر اساس نیروهای بین مولکولی وارد شده در زنجیره آنها، پلیمرها را می‌توان به سه دسته اصلی طبقه بندی کرد: الاستومرها، مانند لاستیک طبیعی و پلی یورتان. ترموست، مانند رزین‌های اپوکسی؛ و ترموپلاستیک‌ها مانند پلی اتیلن (PE) و پلی وینیل کلراید(PVC). پلی اتیلن و پی وی سی به دلیل گذردهی کم(ثابت دی الکتریک) و قدرت شکست الکتریکی بالا، رایج ترین پلیمرهای مصنوعی هستند که به عنوان مواد عایق الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرند [2]. پلی اتیلن به اشکال مختلفی یافت می‌شود: پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE)، پلی اتیلن با چگالی کم (LDPE)،پلی اتیلن خطی با چگالی کم (LLDPE) و پلی اتیلن کراسلینک شده‌ (XLPE) [1,2]

شکل تجاری HDPE با چگالی بین) 0.941-0.959 g/cm³ ) یک پلیمر خطی است که شامل فاز کریستالی و فاز آمورف است [3]. واکنش‌پذیری شیمیایی کم، سختی، نفوذ ناپذیری، پایداری حرارتی و مقاومت رطوبتی نشان می‌دهد که HDPE در عایق‌های الکتریکی قابل استفاده است [4,5,6]‌. در مقایسه باHDPE ، LDPE با چگالی کمتر (0.910-0.925 g/cm³)، واکنش‌پذیری شیمیایی پایین‌تر و استحکام کششی کمتر، به دلیل وجود زنجیره‌های کوتاه و بلند شاخه‌دار [7]، به‌ طور گسترده در ساخت کابل‌ها برای ولتاژ بالای جریان مستقیم‌(HVDC) استفاده می‌شود. علاوه بر این، LDPE می‌تواند دمای 95 درجه سانتیگراد را برای مدت کوتاهی تحمل کند و در برابر اسیدهای رقیق، غلیظ و بازها نسبت به سایر ترکیبات آلی مقاومت بیشتری دارد. با این وجود، مقاومت ضعیفی در برابر هیدروکربن‌های هالوژنه دارد‌[8]. علاوه بر LDPE ، LLDPE همچنین در عایق بندی سیم‌ها و کابل‌ها برای کاربردهای ولتاژ پایین، متوسط و بالا استفاده می‌شود. اولین بار در دهه 1970 توسط Union Carbide و Dow Chemical تجاری شد. تفاوت اصلی بین LLDPE و LDPE در این است که اولی دارای توزیع وزن مولکولی باریک و بدون انشعاب زنجیره بلند است، بنابراین استحکام کششی و مقاومت در برابر سوراخ شدن بالاتری نسبت به LDPE دارد [7]. چگالی آن (0.926-0.940 g/cm³) بالاتر از LDPE است [9]، و از آنجایی که یک هیدروکربن اشباع است، مانند پلی اتیلن، عموماً غیر فعال است. در برابر الکل‌ها، محلول‌های قلیایی، اسیدهای آلی یا معدنی ضعیف و محلول های شور مقاومت می‌کند [7,10,11]‌.

با توجه به معایب PE ؛ محدودیت حداکثر دمای عملیاتی (70 درجه سانتی گراد) و بدتر شدن آن به دلیل عدم وجود آنتی اکسیدان، نوع جدیدی از پلی اتیلن با اتصال عرضی پلی اتیلن به منظور بهبود پایداری حرارتی و پیری آن معرفی شد [12،13]. پلی اتیلن کراسلینک پذیر (XLPE) معمولاً یک PE اصلاح شده با زنجیره های پلیمری دائمی مرتبط با مواد شیمیایی است. اتصال عرضی از طریق واکنش شیمیایی زنجیره‌های پلیمری با مواد دارای گروه‌های چند منظوره انجام می‌شود که زنجیره‌های پلیمری را از طریق پیوندهای شیمیایی به یکدیگر می‌پیوندند و شبکه‌ای متراکم سه‌بعدی با خواص کاملاً متفاوت، مانند ساختار شیمیایی و عملکرد مکانیکی آنها (تنش محیطی، چقرمگی، مقاومت در برابر سایش و ترک)، و مقاومت شیمیایی تشکیل می‌دهند [14،15،16]. بسته به درجه اتصال عرضی، XLPE در چندین کاربرد، به عنوان مثال، عایق الکتریکی، لوله ها و بسته بندی استفاده شده است [12،13،17،18].

2. روشهای تجربی یا نظری

1.2. مواد

مواد مورد استفاده عبارتند از: LL0209 با MFI = 0.9 gr/10min و دانسیتهkg/m³ 0.920 ،

LL22B03 با MFI = 2.9 gr/10min و دانسیته 0.921 kg/m³،

LL22B02 با MFI = 2 gr/10min و دانسیته 0.921 kg/m³، HD

52518 با MFI = 18 gr/10min و دانسیته 0.952 kg/m³ ، HD

62N07 با MFI = 5 gr/10min و دانسیته 0.962 kg/m³ ، HD

EX3 با MFI = 0.45 gr/10min و دانسیته 0.945 kg/m³، LD

0190 با MFI = 1.9 gr/10min و دانسیته 0.921 kg/m³، PE

crosslinked with silane و PE crosslinked with peroxide

2.2. روش آماده سازی پلی اتیلن

نمونه‌ها به وسیله هات پرس در دمای 170 درجه سانتی گراد به مدت 20 دقیقه در ابعاد 20*20 سانتی متر به صورت شیت در آمدند. سپس برای بررسی ولتاژ شکست، مقاومت سطحی و مقاومت حجمی به ترتیب به ابعاد 10*10 و 5*5 سانتی متر بریده شدند. این تست ها در پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی تهران طبق استانداردهای D149 (ولتاژ شکست) و D257 (مقاومت سطحی و حجمی) اندازه گیری شدند.

3.2. روش آماده سازی پلی اتیلن کراسلینک شده

کراسلینک کردن با استفاده از دستگاه دو پیچ آزمایشگاهی واقع در شرکت آمیزه‌های پلیمری ابهر انجام شد. کراسلینک کردن به دو روش صورت گرفت: الف) پلی اتیلن کراسلینک شده با استفاده از سیلان ب) پلی اتیلن کراسلینک شده با استفاده از پراکساید.

4.2. روشهای شناسایی

برای بررسی مقاومت سطحی و حجمی انواع مختلف پلی اتیلن و پلی اتیلن‌های کراسلینک شده از دستگاه مقاومت سطح و حجم مدل Daventest و کمپانی سازنده Daven Port مطابق با استاندارد ASTM D257 در پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران انجام گرفت.

ولتاژ شکست(کمپانی سازنده CEAST) نیز مطابق با استاندارد ASTM D149 در پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران صورت گرفت.

3. نتایج و بحث

نتایجی که از مقاومت سطحی برای گریدهای مختلف از پلی اتیلن به دست آمد، نشان داد که بالاترین مقاومت سطحی مربوط به LL22B03(Ω4.79*10¹⁵) و کمترین مقدار مربوط به HD EX3 (0.514 *10¹⁵ Ω) می‌باشد. نتایج مقاومت حجمی نشان داد که بالاترین مقدار مربوط به LD 0190 (10.3*10¹⁶ Ω.cm) و کمترین آن مربوط به HD EX3 (2.36 *10¹⁶ Ω.cm) می‌باشد. ولتاژ شکست به دست آمده هم برای بیشترین و کمترین گریدهای مختلف پلی

اتیلن به ترتیب مربوط به LD 0190(50KV) و HD 52518(45KV) می‌باشد.

با توجه به نتایج به دست آمده از مقاومت سطحی، حجمی و ولتاژ شکست گریدهای مختلف از پلی اتیلن، گریدی که نتایج بهتری را از نظر این خواص داشت به عنوان ماتریس پلیمر برای کراسلینک کردن به روش های سیلانی و پراکسایدی انتخاب شد. پس بدین ترتیب از پلی اتیلن LD 0190 به عنوان ماتریس انتخاب گردید.

نتایجی که از مقاومت سطحی و حجمی نمونه‌های کراسلینک شده پلی اتیلن با گرید LD 0190 به دست آمد، نشان داد که نمونه کراسلینک شده با پراکساید مقادیر بالاتری از پلی اتیلن کراسلینک شده با سیلان دارد(در جدول یک نتایج گزارش شده است). نمونه AP-08 مربوط به پلی اتیلن گرفت شده با سیلان هست و هیچ گونه پختی بر روی نمونه صورت نگرفته است. ولی نمونه AP-09 حاوی 5 درصد کاتالیست می باشد که در حمام آب به مدت 5 ساعت پخت شده است. ولتاژ شکست نمونه AP-10 بیشتر از AP-08 و AP-09 شد.

در این پژوهش همچنین تاثیر شاخص جریان مذاب از پلی اتیلن‌ها هم بر روی خواص الکتریکی مورد بررسی قرا گرفت. نتایج تست‌ها نشان داد که در پلی اتیلن خطی با دانسیته پایین، گرید LL22B03 نتایج خواص الکتریکی بالاتری به ترتیب نسبت به LL22B03 و LL0209 دارد. همچنین در پلی اتیلن با دانسیته بالا، گرید HD 525518 مقاومت سطحی و حجمی بالاتری به ترتیب نسبت به HD 62N07 و HD EX3 دارد ولی ولتاژ شکست پایین تری نسبت به این دو گرید را دارا است. پس با توجه به نتایج می توان گفت که هر چقدر شاخص جریان مذاب بالاتر می رود، خواص الکتریکی نیز بهبود پیدا میکند.

Sample	کد نمونه‌ها	مقاومت سطحی (10¹⁵) – Ω	مقاومت حجمی (10¹⁶) – Ω.cm	ولتاژ شکست- KV
LL0209	AP-01	1.87	4.28	47
LL22B02	AP-02	4.21	4.96	48
LL22B03	AP-03	4.79	5.23	47
HD EX3	AP-04	0.514	2.36	47
HD 62N07	AP-05	2.24	6.28	47
HD 52518	AP-06	3.2	6.87	45
LD 0190	AP-07	4.68	10.3	50
Grafted PE	AP-08	4.83	10.43	52
PE crosslinked with silane	AP-09	4.91	10.85	54
PE crosslinked with peroxide	AP-10	5.38	11.32	57

جدول 1- نتایج مقاومت سطحی، حجمی و ولتاژ شکست

4. نتیجه گیری

در این پژوهش از گریدهای مختلف پلی اتیلن برای بررسی مقاومت سطحی، حجمی و ولتاژ شکست استفاده شد. نتایج نشان داد که گرید LD 0190 نسبت به دیگر گریدهای پلی اتیلن نتایج بهتری را در این خصوص دارد. با شبکه ای کردن، زنجیرهای مولکولی به هم می پیوندند. در نتیجه مولکول‌ها نمی‌توانند به راحتی حرکت کرده و با تغییرات دمایی خواص پلیمر ثابت باقی می‌ماند. که این شبکه‌ای کردن از طریق اتصالات عرضی بین زنجیره‌های کربن ایجاد می‌شود. با توجه به نتایج نمونه‌های کراسلینک شده می‌توان گفت که اتصالات عرضی که بین زنجیره ها ایجاد شده است، باعث افزایش و بهبود خواص الکتریکی شده است. نمونه کراسلینک شده به صورت پراکسایدی خواص الکتریکی بهتری نسبت به سیلانی داده است. پایین شدن خواص الکتریکی کراسلینک کردن به روش سیلانی نسبت به پراکسایدی را می توان به این نسبت دارد که پایه مواد کاتالیستی مورد استفاده در سیلان فلزی می‌باشد و همین امر باعث کم شدن خواص الکتریکی آن نسبت به پراکسایدی شده است.

قدردانی

از شرکت آمیزه‌های پلیمری ابهر که انجام این کار پژوهشی را تسهیل کردند، کمال قدردانی و تشکر را داریم. 10¹⁵

مرجع ها

(1. King, A.;Wentworth, V.H. Raw Materials for Electric Cables; Ernest Benn Ltd. Press: London, UK, 1954.)

(2. Barber, K.; Alexander, G. Insulation of electrical cables over the past 50 years. IEEE Electr. Insul. Mag. 2013, 29, 27–32.)

(3. Wu, S.; Chen, Z.; Xu, X. Study on structure and properties of HDPE functionalized by ultraviolet irradiation in air and oxygen)

(4. López-González, M.; Flores, A.; Marra, F.; Ellis, G.; Gómez-Fatou, M.J.; Salavagione, H. Graphene and polyethylene: A strong)

(5. Ali, S.F.A.; Elsad, R.A.; Mansour, S.A. Enhancing the dielectric properties of compatibilized high-density polyethylene/calcium)

(6. Thongruang,W.; Spontak, R.J.; Balik, C.M. Correlated electrical conductivity and mechanical property analysis of high density)

(7. Zhang, H.; Guo, W.; Yu, Y.; Li, B.; Wu, C. Structure and properties of compatibilized recycled poly(ethylene terephthalate)/linear)

(8. Maniadi, A.; Vamvakaki, M.; Suchea, M.; Tudose, I.V.; Popescu, M.; Romanitan, C.; Pachiu, C.; Ionescu, O.N.; Viskadourakis, Z.;)

(9. Seguela, R.; Rietsch, F. Tensile drawing behavior of a linear low-density polyethylene: Changes in physical and mechanical)

(10. France, C.; Hendra, P.J.; Maddams, W.F.; Willis, H.A. A study of linear low density polyethylenes: Branch content, branch)

(11. Sen, M.; Basfar, A.A. The effect of UV light on the thermooxidative stability of linear low density polyethylene films crosslinked)

(12. Miltz, J.; Narkis, M. Characterization of unloaded crosslinked polyethylene. Polymer 1968, 9, 173–176.)

(13. Narkis, M.; Miltz, J. Brabender plasticorder studies of the process of crosslinking polyethylene. J. Appl. Polym. Sci. 1968, 12,)

(14. Sawatari, C.; Matsuo, M. Cross-linking effect of polyethylene-polypropylene blend films prepared by gelation/crystallization)

(15. Houde, C.; Schreiber, H.P.; Rudin, A. Crosslinking reactions in pigmented olefinic polymers. J. Appl. Polym. Sci. 1992, 46,)

(16. Tamboli, S.M.; Mhaske, S.T.; Kale, D.D. Crosslinked polyethylene. Indian J. Chem. Technol. 2004, 11, 853–864.)

(17. Hagiwara, M.; Sohara, M.; Araki, K.; Kagiya, T. Improvement of flame-retardant properties of insulated wires by radiation)

(18. Kumar, S.; Pandya, M.V. Thermally recoverable crosslinked polyethylene. J. Appl. Polym. Sci. 1997, 64, 823–829.)