Evaluation of interfaces of filled polymeric insulating materials with the Dielectric Spectroscopy
Final Report Abstract
Bei gefüllten polymeren Isolierstoffen kann sich zwischen den Füllstoffpartikeln und dem umgebenden Polymer ein räumlich mehr oder weniger ausgedehntes Wechselwirkungsgebiet ausbilden, das als Interphase bezeichnet wird und andere Eigenschaften haben kann, als das unbeeinflusste Polymer. Insbesondere bei nanoskalig gefüllten Polymeren kann die Interphase einen erheblichen Volumenanteil umfassen und die makroskopischen Eigenschaften solcher Nanokomposite wesentlich beeinflussen. Am Beispiel von Isolierstoffen auf Basis von Silikonelastomeren und Epoxidharzformstoffen, gefüllt mit Füllstoffen unterschiedlicher Art, Partikelgröße (mikro, nano, mikro+nano), Oberflächenbeschaffenheit und Füllgrad, wurde versucht, die Isolierstoffe in Bezug auf ihre dielektrischen Eigenschaften zu charakterisieren und daraus neue Erkenntnisse bezüglich der räumlichen Ausdehnung und der Beschaffenheit der Interphase abzuleiten. Mit Hilfe der dielektrischen Spektroskopie über einen breiten Frequenz- und Temperaturbereich war es möglich, speziell für Nanokomposite nicht nur die Ausdehnung solcher Interphasen, sondern erstmals auch deren dielektrische Eigenschaften in Form der frequenz- und temperaturabhängigen komplexen Permittivität zu bestimmen. Die so bestimmte Interphase ist in einem abgrenzbaren Volumenanteil durch eine gegenüber dem unbeeinflussten Polymer veränderte Struktur gekennzeichnet, die sich bei Nanokompositen auf Basis von Silikonelastomer in einer eingeschränkten Beweglichkeit von Molekülketten bzw. bei Nanokompositen auf Basis von Epoxidharzformstoff in einer zusätzlichen, der Interphase zuordenbaren, Polarisation äußert. Mit Hilfe dreidimensionaler Transmissionselektronenmikroskopie (3D-TEM) konnte aus dem Interphasenvolumenanteil die Interphasendicke unter Berücksichtigung der realen Partikelverteilung im Bereich von bis zu einigen 10 nm bestimmt werden. In denselben Werkstoffen wurden mittels rasterkraftmikroskopischer (EFM-)Aufnahmen ebenfalls Interphasen identifiziert, die auf Grund des angewendeten Messprinzips durch elektrische Ladungen oder durch eine veränderte Permittivität verursacht werden können. Ihre Dicke liegt in einem ähnlichen Bereich wie die dielektrisch bestimmte Interphasendicke, ist aber insbesondere für Nanokomposite auf Basis von Silikonelastomer größer als diese. Die Ergebnisse zeigen, dass Interphasen durch mehrere unterschiedliche Eigenschaften charakterisiert werden können, die unterschiedlich weit ausgedehnte Bereiche umfassen können. Mindestens ein Teil der Interphase besteht aus einem Bereich mit veränderten morphologischen Eigenschaften, ein weiterer Bereich besteht aus elektrischen Ladungen und/oder einer veränderten Permittivität. Die verschiedenen Bereiche können als verschiedene Schichten im Sinne des bisher rein hypothetischen Multi-Core Model von T. Tanaka interpretiert werden. Die untersuchten Isolierstoffe wurden auch hinsichtlich ihrer Beständigkeit gegenüber Beanspruchungen, wie sie für Hochspannungsisolierungen unter Freiluftbedingungen typisch sind, geprüft. Dabei zeigte sich, dass Nanokomposite, für die mittels der dielektrischen Spektroskopie eine Interphase mit einer eingeschränkten Polymerkettenbeweglichkeit nachgewiesen wurde, eine signifikant erhöhte Beständigkeit im Vergleich zum ungefüllten Polymer aufweisen. Somit besteht Grund zur Annahme, dass die Ausdehnung und die Eigenschaften der Interphase ursächlich für die veränderten makroskopischen Eigenschaften von Nanokompositen sind, während die Eigenschaften von Mikrokompositen im Wesentlichen durch die Volumeneigenschaften der Füllstoffe bestimmt sind.
Publications
- Electric properties and dielectric spectra of epoxybased nanocomposites. In IEEE Int’l Conference on High Voltage Engineering (ICHVE), Athens, 2018, paper O-IS7-6
Stuefer, M.; Kindersberger, J.
(See online at https://doi.org/10.1109/ICHVE.2018.8642067) - Influence of moisture and filler surface properties on the dielectric spectrum of epoxy-based nanocomposites. In 2018 IEEE International Conference on Dielectrics, Budapest, 2018, paper No 161
Stuefer, M.; Kindersberger, J.
(See online at https://doi.org/10.1109/ICD.2018.8514616) - Quantification of the three-dimensional nanoparticle distribution in polymer nanocomposites. In IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2019, Vol. 26, S. 601–609
Rempe, A.; Stuefer, M.; Kindersberger, J.; Wagenbauer, K.; Ketterer, P.; Dietz, H.
(See online at https://doi.org/10.1109/TDEI.2018.007740) - Charakterisierung innerer Grenzflächen gefüllter polymerer Isolierwerkstoffe mit Hilfe der dielektrischen Spektroskopie. Dissertation, Technische Universität München (TUM), 2020, Dr. Hut Verlag, München
Stuefer, M.
