Các kết quả điều tra tính chất chống tĩnh điện và điện của các lớp phủ các hạt nano đã được nghiên cứu. Hiệu suất chống tĩnh điện của vật liệu là điều cần thiết không chỉ cho vấn đề an toàn mà còn ngăn chặn sự thu hút bụi bẩn ảnh hưởng đến sự phân bố điện trường trong hệ thống cách điện điện áp cao.
Lớp phủ polyme được bổ sung các hạt nano bạc và silica đã được kiểm tra bằng các phép đo phân rã điện tích sau khi phóng điện hồ quang. Thời gian phân rã điện tích đã thay đổi đáng kể giữa các lớp phủ nano trong khi thể tích và điện trở suất bề mặt của tất cả các lớp phủ được thử nghiệm không cho thấy sự khác biệt có ý nghĩa. Lớp phủ polyester tản nhiệt tốt hơn polyesterimide vì cấu trúc của nó.
Người ta thấy rằng khả năng thoát điện tích của bề mặt tốt hơn đối với các lớp phủ có các hạt nano bạc trong khi các lớp phủ được biến tính bằng nanosilica cho thấy các đặc tính chống tĩnh điện kém; thời gian phân rã điện tích dài hơn bốn bậc so với thời gian của các lớp phủ không biến đổi. Tính chất rào cản của nanosilica có thể có hại cho sự phân rã điện tích.
Ứng dụng sợi vải sản xuất từ các hạt nano bạc
Nội dung bài viết
Giới thiệu
Vật liệu tổng hợp nano polyme, thu được bằng cách trộn các polyme và chất độn nano (tức là các hạt có ít nhất một kích thước nhỏ hơn 100 nanomet), mang lại cơ hội mới cho các vật liệu tổng hợp nano polyme trong kỹ thuật thể hiện các đặc tính điện, nhiệt, cơ học và rào cản có lợi [1–8 ]. Trong bài báo này, kết quả nghiên cứu về một số tính chất điện của lớp phủ polyester và poly esterimide pha tạp với các hạt nano số lượng thấp được trình bày.
Vấn đề là việc thêm các hạt nano kim loại và phi kim loại ảnh hưởng đến các đặc tính chống tĩnh điện của lớp phủ như thế nào. Kiểm tra tính năng chống tĩnh điện là không bắt buộc đối với các loại lớp phủ cách điện này nhưng nó có thể rất cần thiết không chỉ do tính an toàn và ngăn ngừa sự hút bụi bẩn mà còn có thể ảnh hưởng đến sự phân bố điện trường trong hệ thống cách điện điện áp cao.
Tính phù hợp của vật liệu để tránh các vấn đề do tĩnh điện thường được đánh giá bằng giá trị điện trở suất. Một số công trình đã chỉ ra rằng không có mối quan hệ giữa điện trở suất bề mặt và khả năng tiêu tán điện tích tĩnh [9]. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự phóng điện của hồ quang cho kết quả tương tự như một phép đo phân rã điện tích và sạc ba chiều sau khi sạc hồ quang có thể được sử dụng để đánh giá các đặc tính chống tĩnh điện.
Thực nghiệm
1. Mẫu
Các lớp phủ phủ nano được chuẩn bị trên cơ sở các loại polyme, polyester (PK) và polyesterimide tiêu chuẩn (T) và hai loại phụ gia nano, hạt nano bạc và silica. Các hạt nano có kích thước dưới 100 nm và nano silica khoảng 10 nm. Số lượng nano bạc và nano silica được đưa vào lớp phủ tương ứng là 1,3% và 1,5% trọng lượng. Phương pháp phân tán được phát triển đặc biệt đã được sử dụng để thu được nanocompozit. Các nhà nghiên cứu có dự định yêu cầu cấp bằng sáng chế cho phương pháp đó trong tương lai gần. Hai loại mẫu thử nghiệm được phủ nano đã được chuẩn bị: để kiểm tra độ bền ở dạng tấm thép có lớp phủ polyme và để thử tính chất chống tĩnh điện ở dạng miếng đúc.
2. Đo
Đặc tính chống tĩnh điện và điện trở suất của lớp phủ polyme được sửa đổi bằng phụ gia nano đã được nghiên cứu bằng các phép đo phân rã điện tích sau khi phóng điện hồ quang, sử dụng thiết bị JCI 155 do John Chubb Instrumentation sản xuất.
Ý tưởng chính của việc tự phóng xạ tĩnh điện trên vật liệu là tạo ra một mảng điện tích trên bề mặt và đo lường tốc độ phân hủy điện tích được tạo ra. Phương pháp đo chống tĩnh điện được sử dụng là duy nhất và cho phép đo khả năng tiêu tán điện tích tĩnh khỏi bề mặt. Hình vẽ sơ đồ của thiết bị đo được thể hiện trong Hình 1.
Hình 1. Hình vẽ sơ đồ của thiết bị đo lường.
Bộ kiểm tra độ suy giảm điện tích JCI 155v5 đo điện áp bề mặt và nó được gắn trên Giá đỡ mẫu đo điện tích JCI 176 nơi mẫu được đặt trong quá trình đo. Các điều kiện khí quyển như nhiệt độ và độ ẩm có thể được kiểm soát bằng Phòng kiểm tra độ ẩm có kiểm soát JCI 191.
Các điểm phóng hồ quang được gắn trên tấm chuyển động, dưới máy đo trường phản ứng nhanh. Fieldmeter đo điện áp bề mặt khi tấm di chuyển ra xa sau khi phóng điện hồ quang. Máy đo trường tĩnh điện máy nghiền trường phản ứng nhanh độc quyền cho phép đo điện thế bề mặt nhanh, nhạy và ổn định.
Thời gian phản hồi dưới 10 ms và thời gian phân rã sạc có thể được đo từ dưới 50 ms đến nhiều ngày. Việc đo điện áp bề mặt nên bắt đầu càng sớm càng tốt, vì vậy tấm cần được di chuyển nhanh chóng ra khỏi đường sau khi tích tụ điện tích.
Thiết bị lắng đọng điện tích di chuyển hoàn toàn khỏi vùng quan sát của máy đo trường trong vòng chưa đầy 20 ms. Cụm điểm phóng điện corona cung cấp điện áp cho phóng điện hồ quang dải từ 2 kV đến 10 kV và thời gian hồ quang từ 10 ms đến 2 s.
Trong mẫu giấy này được sạc bằng cách sử dụng điện áp hồ quang âm và dương là 5 kV trong 20 ms. Phần mềm cung cấp cơ hội để đo điện áp ban đầu trung bình được phát triển bởi điện tích tích tụ và ghi lại các đường cong phân rã điện tích [10]. Sau khi hiệu chuẩn, sai số của các phép đo dưới 5%. Có hai tiêu chí để đánh giá khả năng của vật liệu tiêu tán điện tích tĩnh khỏi bề mặt của nó:
- Tiêu chí 1 / e – thời gian phân rã được đo đến 1 / e (khoảng 37%) của điện áp đỉnh ban đầu (Hình 2);
- Tiêu chí 10% – thời gian phân rã được đo đến 10% của điện áp đỉnh ban đầu (Hình 2).
Một tiêu chí kiểm tra chấp nhận đơn giản là sự phân rã thời gian nên là:
- Ít hơn nửa giây trong tiêu chí 1 / e (viết tắt điện áp đỉnh khoảng 37%);
- Ít hơn 2 giây trong tiêu chí 10% (điện áp đỉnh ban đầu đến 10%).
Hình 2. Ví dụ về kết quả thời gian phân rã điện tích cho cực dương với các tiêu chí được đánh dấu 1 / e và 10%.
Ngoài ra, đối với các lớp phủ tinh khiết và phủ nano, điện trở suất điện dưới điện áp thử nghiệm một chiều được xác định theo IEC 60093 ở nhiệt độ môi trường. Cuộc điều tra cũng được thực hiện ở nhiệt độ cao, gần với độ bền nhiệt dự kiến của các lớp phủ thử nghiệm (180 ◦C). Thể tích và điện trở suất bề mặt được đo sau 1 min sử dụng cách sắp xếp ba điện cực. Điện áp thử nghiệm áp dụng là 100 V và các phép đo được thực hiện sau một phút điện khí hóa.
Kết quả kiểm tra
1. Đặc tính chống tĩnh điện của nano bạc và nano silica
Hình 3 và 4 trình bày các đặc điểm của sự phân rã của điện áp bề mặt so với thời gian đối với tinh khiết và biến tính với lớp phủ nano bạc và nano silica PK sau khi phân cực âm và dương tương ứng. Thời gian phân rã điện tích đã thay đổi đáng kể giữa các lớp phủ được làm đầy nano.
Hình 3. Sự phân rã của điện áp bề mặt so với thời gian đối với lớp phủ PK: pur (đường cong ở giữa) và được sửa đổi với nanoilver (đường cong trên) và nano silica (đường cong dưới), điện áp hồ quang 5 kV, phân cực âm.
Hình 4. Sự phân rã của điện áp bề mặt so với thời gian đối với lớp phủ PK: nguyên chất (đường cong ở giữa) và được sửa đổi với nano silica (đường cong trên) và nano silica (đường cong dưới), điện áp hồ quang 5 kV, phân cực dương.
Khả năng thoát điện tích của bề mặt tốt hơn đối với các lớp phủ có các hạt nano bạc, trong khi các lớp phủ được biến tính bằng nanosilica cho thấy đặc tính chống tĩnh điện kém. Hai loại mẫu polyme, polyeste PK và polyesterimide T có và không có nano silica được so sánh trong Hình 5. Có thể lưu ý rằng polyeste phân tán khá tốt hơn polyesterimide, có lẽ vì độ cho phép điện danh nghĩa thấp hơn và cấu trúc hóa học (thơm không bão hòa polyester, không có liên kết imide). Các bẫy sâu trên bề mặt polyesterimide được cho là gây ra khó khăn trong việc di chuyển điện tích vào khối lượng lớn hoặc dọc theo bề mặt [11].
Hình 5. Sự phân rã của điện áp bề mặt so với thời gian đối với lớp phủ PK và T: tinh khiết và được sửa đổi với nano bạc và nano silica, điện áp hồ quang 5 kV, phân cực dương.
Người ta nhận thấy rằng bề mặt có khả năng thoát điện tích tốt hơn đối với lớp phủ có 1,3% hạt nano bạc (đặc biệt đối với tiêu chí 10%) trong khi lớp phủ được biến tính bằng nano silica cho thấy tính chất chống tĩnh điện kém; thời gian phân rã điện tích lâu hơn khoảng bốn bậc so với thời gian của các lớp phủ không biến tính (Bảng I). Có lẽ có ảnh hưởng đáng kể của hiệu ứng rào cản trong giao diện hạt nano polyme. Mặc dù các đặc tính rào cản của nano silica có lợi cho ví dụ: giảm khả năng hấp thụ nước và tăng cường khả năng chống phóng điện cục bộ của lớp phủ nhưng cũng có thể có hại cho sự phân rã điện tích. Tổng lượng điện tích được chuyển sang mẫu bằng phóng điện hồ quang âm lớn hơn đáng kể so với điện tích dương và nó có thể là lý do mà các giá trị của thời gian phân rã dài hơn nhiều đối với hồ quang âm (Bảng I). Lý do của điều đó có thể là một thực tế là trong một hồ quang âm, tổng số electron có thể cao hơn nhiều mặc dù số lượng các electron năng lượng rất cao có thể thấp hơn khi so sánh với một hồ quang dương.
BẢNG I. Giá trị của hằng số thời gian phân rã được đo (thời gian từ điện áp đỉnh đến 1 / e và 10% của giá trị này) đối với lớp phủ polyester (PK) và polyesterimide (T) tinh khiết và được điều chỉnh bằng nano bạc và nano silica.
2. Điện trở suất lớp phủ nano bạc
Thể tích và điện trở suất bề mặt của lớp phủ polyeste PK có và không có lớp phủ nano được trình bày trong Bảng II. Ở nhiệt độ môi trường, cả thể tích và điện trở suất bề mặt đều tăng khoảng một bậc sau khi thêm một lượng nhỏ chất tạo màng nano và một số giảm ở 180 ◦C so với lớp phủ nguyên chất.
Bảng II. Thể tích và điện trở suất bề mặt của lớp phủ polyester PK có và không có bộ lọc nano ở 23 ◦C và 180 ◦C.
Hiện tại, cơ chế dẫn điện bị ảnh hưởng bởi các phụ gia nano vẫn còn khó giải thích. Đương nhiên, một lượng rất nhỏ của nano bạc (1,3% trọng lượng ở trọng lượng riêng cao của bạc) không cho phép đạt được ngưỡng thấm điện. Các nghiên cứu khác cũng chỉ ra sự phát triển của điện trở suất ở nhiệt độ môi trường sau khi thêm các hạt nano kim loại Họ đã phát hiện ra rằng mạng lưới tụ điện, được hình thành bởi các hạt nano trong polyme, có tác dụng phong tỏa Coulomb rõ ràng, và độ dẫn điện bị hạn chế rõ ràng trong hỗn hợp [12] .
Kết luận hiệu quả chống tĩnh điện của nano bạc và nano silica
Khảo sát các đặc tính chống tĩnh điện của các lớp phủ phủ nano cho thấy, việc kết hợp một lượng rất nhỏ các hạt nano bạc vào lớp phủ polyme có thể cải thiện khả năng thoát điện tích của bề mặt trong khi việc thêm nanosilica làm giảm đáng kể các đặc tính chống tĩnh điện của lớp phủ. Người ta cũng nhận thấy rằng ở nhiệt độ phòng, thể tích và điện trở suất bề mặt của polyme chứa 1,3% trọng lượng nano tăng lên so với polyme gọn gàng có lẽ do hiệu ứng phong tỏa Coulomb. Các cuộc điều tra của chúng tôi đã chỉ ra rằng không có mối quan hệ nào giữa điện trở suất bề mặt của các mẫu và khả năng tiêu tán điện tích tĩnh.
NANO NNA VIỆT NAM
Nguồn tham khảo: Antistatic Properties of Nanofilled Coatings
Gornickaa,∗ , M. Mazurb , K. Sieradzkab , E. Prociowb and M. Lapinskib aElectrotechnical Institute, Wrocław Division of Electrotechnology and Materials Science M. Sklodowskiej-Curie 55/61, 50-369 Wrocław, Poland bFaculty of Microsystems Electronics and Photonics, Wrocław University of Technology Janiszewskiego 11/17, 50-372 Wrocław, Poland