جدول ‏۳‑۱ مشخصات LDPE استفاده‌شده. ۴۵
جدول ‏۳‑۲ مشخصات پراکسیدهای استفاده‌شده. ۴۵
جدول ‏۳‑۳ مشخصات آنتی اکسیدانت استفاده‌شده. ۴۶
جدول ‏۳‑۴ درصد وزنی اجزای تشکیل دهنده ی نانو کامپوزیت‌ها. ۵۲
جدول ۳‑۵ نام‌گذاری نمونه‌ها…………………………………………………………………………………………………..۵۳
جدول ‏۴‑۱ نتایج آزمون تعیین درصد ژل برای نانو کامپوزیت‌ها و ماتریس پخت نشده. ۵۵
جدول ‏۴‑۲ نتایج آزمون تعیین درصد ژل برای نانو کامپوزیت‌ها‌ی پخت شده و تهیه شده به روش اول . ۵۵
جدول ‏۴‑۳ نتایج آزمون تعیین درصد ژل برای نانو کامپوزیت‌ها‌ی پخت شده و تهیه شده به روش دوم . ۵۶
۵۶
جدول ‏۴‑۵ درصد ژل نمونه‌ها‌ی تهیه شده به روش دوم پس از ۱۰، ۱۵ و ۲۰ دقیقه حرارت دهی. ۵۷
جدول ‏۴‑۶ دمای انتقال شیشه‌ای برای نانو کامپوزیت‌های تهیه شده به روش اول با آزمون DMTA 65
جدول ‏۴‑۷ دمای انتقال شیشه‌ای برای نانو کامپوزیت‌ها‌ی تهیه شده به روش دوم با آزمون DMTA 66
جدول ‏۴‑۸ نتایج آزمون DSC برای نانو کامپوزیت‌های تهیه شده به روش اول و ماتریس XLPE . 70
جدول ‏۴‑۹ نتایج آزمون DSC برای نانو کامپوزیت‌ها‌ی تهیه شده به روش دوم و ماتریس XLPE. 72
جدول ‏۴‑۱۰ نتایج آزمون TGAبرای نانو کامپوزیت‌های تهیه شده به روش اول و ماتریس XLPE.. 73
جدول ‏۴‑۱۱ نتایج آزمون TGAبرای نانو کامپوزیت‌های تهیه شده به روش دوم و ماتریس XLPE. 74
جدول ‏۴‑۱۲ نتایج آزمون کشش برای نانو کامپوزیت‌های تهیه شده به روش اول و ماتریس XLPE.. 75
جدول ‏۴‑۱۳ نتایج آزمون کشش برای نانو کامپوزیت‌های تهیه شده به روش دوم و ماتریس XLPE . 76
۷۷
جدول ‏۴‑۱۵ نتایج آزمون‌های الکتریکی برای نانو کامپوزیت‌های تهیه شده به روش دوم و ماتریLPE . 77
چکیده
پلی‌اتیلن اتصال‌عرضی شده به علت داشتن خواص الکتریکی مناسب و استحکام الکتریکی خوب یکی از موادی است که به طور گسترده در زمینه‌ی تولید عایق در کابل‌ها استفاده می‌شود.
امروزه یکی از روش­های بهینه­سازی خواص و تغییر رفتار پلیمر­ها استفاده از ذرات پرکننده با ابعاد نانومتری است. از زمانی که ذرات نانو به عنوان مواد پرکننده در کامپوزیت‌ها مطرح‌شده‌اند، بسیاری از محققان به بررسی تأثیر این ذرات بر خواص مواد مختلف پرداخته و نتایج قابل‌توجهی را به دست آورده‌اند. این امر به دلیل سطح بسیار زیاد این ذرات و برهمکنشی است که با فاز پیوسته در کامپوزیت برقرار می‌کنند.
هدف از انجام این پژوهش، بررسی اثر نانو خاک رس اصلاح‌شده با نام تجاری cloisite 30B بر فرایند پخت پلی‌اتیلن و همچنین تأثیر این نانو ذرات بر خواص فیزیکی، مکانیکی و الکتریکی کامپوزیت پلی‌اتیلن اتصال‌عرضی شده است. همچنین در این تحقیق سعی شده است تا با قرار دادن ذرات پر اکسید بین صفحات خاک رس ، علاوه بر پخش بهتر نانو ذرات، بازده ایجاد اتصالات‌عرضی نیز افزایش‌یافته و منجر به دستیابی به خواص بالاتر شود. برای این منظور مقادیر مشخصی از نانو ذرات خاک رس به همراه پراکسید(DHBP ) و آنتی اکسیدانت (Irganox 1010 ) و مقدار کافی استون به وسیله‌ی همزن مغناطیسی و حمام اولتراسونیک مخلوط شده و پس از خشک شدن کامل مخلوط، از آن برای تهیه‌ی کامپوزیت‌های ۳، ۶ و ۹ درصد وزنی نانو خاک رس استفاده شد. پس از تهیه‌ی نمونه‌ها آزمون‌هایی مانند رئولوژی برای بررسی رفتار پخت؛ آزمونDSC جهت بررسی رفتار حرارتی نمونه­‌ها مانند دمای ذوب، دمای تبلور و تعیین درصد تبلور ، آزمون TGA جهت مطالعه‌ی رفتار گرمایی- تخریبی، آزمون XRD برای تعیین فاصله صفحات خاک رس، آزمون TEM برای بررسی چگونگی پخش صفحات خاک رس در ماتریس، آزمون کشش وDMTA برای بررسی خواص مکانیکی و دینامیکی و در نهایت آزمون‌های ثابت دی الکتریک، فاکتور اتلاف و استحکام شکست جهت بررسی خواص عایقی نمونه‌ها به کار گرفته شد. نتایج حاصل از آزمون رئولوژی نشان داد که قرار دادن مولکول‌های پراکسید بین صفحات خاک رس باعث بهبود روند پخت شده است. همچنین طبق بررسی‌های صورت گرفته، بیش‌ترین بهبود در خواص، در نمونه پر شده با ۳ درصد وزنی نانو ذره حاصل ‌شده و افزایش غلظت پرکننده نانو بیش از این مقدار موجب افت بسیاری از خواص ذکر شده گردیده است.

 

برای دانلود متن کامل پایان نامه به سایت fotka.ir مراجعه نمایید.

 

 

فصل اول
مقدمه

آدمی دیر زمانی است که در جستجوی کلید اصلی تمدن صنعتی یعنی انرژی و مهار آن بوده است. با اختراع ماشین بخار در سال ۱۷۸۶ که سرآغاز انقلاب صنعتی بود، نخستین گام جدی در راه بهره‌گیری از انرژی برداشته شد. به دنبال آن در قرن نوزدهم، عطش شدیدی برای پیدا و مهار کردن انواع انرژی‌ها، اروپا را فراگرفت. از آن پس تبدیل انواع انرژی‌ها به یکدیگر و به ویژه به انرژی الکتریکی که سودمندترین انرژی شناخته شده، پیوسته دنبال شده است.
نخستین کاربرد انرژی برق، تأمین روشنایی بود که در دهه­ ۱۸۵۰ عملی شد. به طوری که اماکن عمومی، ایستگاه‌های قطار و فانوس‌های دریایی نزدیک ساحل، از روشنایی الکتریکی برخوردار شدند. در این دوران ولتاژ الکتریکی پایین بود و الکتریسیته به وسیله‌ی سیم‌های معمولی منتقل می‌شد. با اختراع و تکمیل مولد برق و بهره‌گیری از انرژی آب و سوخت‌های فسیلی در ماشین‌های بخار، زمینه­ بهره‌گیری از انرژی الکتریکی افزایش یافت. هم‌زمان با پیشرفت‌هایی که در زمینه استفاده از برق متناوبa.c. و تبدیل ولتاژهای کم به ولتاژهای زیاد به دست آمد، برنامه انتقال الکتریسیته به نقاط دور‌تر در دستور کار قرار گرفت، شبکه‌های الکتریکی ایجاد شد و رو به گسترش گذاشت. در همین روند بود که استفاده از کابل نیز آغاز شد.

 

تاریخچه ساخت کابل در جهان

در سال ۱۸۷۶ اندیشه تولید کابل با روکش لاستیکی به مرحله اجرا درآمد. در این مرحله چند رشته سیم مسی را به هم تابانده و با نوعی کائوچوی طبیعی به نام گوتاپرشا[۱] روکش می‌کردند.
در سال‌های نخست دهه ۱۸۸۰ کابل‌هایی ساخته شد که با مواد نفوذناپذیر در برابر آب، عایق و روکش شدند. از آن پس استفاده از مواد دیگر متداول شد . بدین ترتیب می‌توان ادعا کرد که صنعت کابل سازی نزدیک به ۱۳۰ سال پیشینه دارد.
در آن زمان، فرایند ساخت کابل بدین شکل بود که ابتدا یک ماده عایق با خاستگاه گیاهی را به دور رسانا پیچیده آن را در دمایC ◦۱۴۰-۱۳۰ خشک و سپس با مواد روغنی، رزین یا موم اشباع کرده و سرانجام با سرب روکش می‌نمودند. در سال ۱۸۸۷ شبکه‌های با ولتاژ بالا­تر جای خود را باز کردند به طوری که در سال ۱۸۹۸، نخستین کابل ۱۰ کیلوولت سه رشته‌ای، برای یک شبکه برق متناوب سه فاز ساخته شد.
همراه با روند تکمیلی ساخت کابل که پیوسته ادامه داشت، در سال ۱۹۳۵، یک کارشناس سوئیسی به نام بورل[۲] با قرار دادن دو الکترود در داخل روغن و با گذاشتن لایه‌های مختلفی از کاغذهای عایق در میان دو الکترود ولتاژ شکست این مواد را اندازه‌گیری کرد و نشان داد که با بهبود شرایط ساخت، کیفیت عایق‌های کاغذی بالا می‌رود و می‌توان آن‌ ها را در ولتاژهای بالاتر استفاده کرد. با این پیشرفت ساخت کابل‌های با ولتاژ بالاتر روزبه‌روز گسترش یافت و با بهره‌گیری از مواد دیگری مانند پلی وینیل کلراید[۳]، پلی اتیلن و اتیلن پروپیلن رابر[۴] دامنه فعالیت در صنعت کابل سازی گسترش یافت و سرمایه‌گذاری‌های کلانی را جذب کرد.

 

ویژگی‌های الکتریکی و خواص فیزیکی و شیمیایی مواد عایق

کاربرد عایق‌ها در ساخت مولد های برق، موتورها، ترانسفورماتورها، برق‌گیرها، خازن‌ها، کابل‌ها، کلیدهای فشارقوی و سایر تجهیزات فشارقوی بسیار گسترده است. با توجه به نوع کاربرد و شرایط محیطی که عایق در آن قرارمی گیرد، علاوه بر خاصیت الکتریکی، سایر خواص فیزیکی و شیمیایی آن نیز از اهمیت زیادی برخوردار است. ویژگی‌های یک عایق که باید در کاربرد­های مختلف مورد بررسی قرار گیرد عبارت است از:

 

 

رفتار مکانیکی

رفتار گرمایی

پارامترهای شیمیایی

خصوصیت‌های الکتریکی

عوامل اقتصادی
عکس مرتبط با اقتصاد

 

رفتار مکانیکی ماده عایق

استحکام ماده عایق، نیاز اصلی و اساسی است. به عنوان مثال، جنس صفحه آستر شیار ماشین‌های الکتریکی باید به اندازه کافی سفت باشد تا بتواند در مقابل صفحه داخلی شکاف منبسط‌شده، بدون شکستن تا بخورد و نیز باید لبه شکاف در مقابل ورقه ورقه شدن، ارتعاش، تأثیر شیمیایی روغن جلای به کار رفته و جذب رطوبت مقاومت کند. برآمدگی سیم‌پیچ باید در قبال فرسودگی، مقاومت زیاد و یا ضریب اصطکاک کمی داشته باشد.

 

رفتارهای گرمایی ماده­ی عایق

در به‌کارگیری بسیاری از عایق‌ها به مواد ی نیاز است که در دماهای بالا منبسط نشوند. معمولاً ویژگی‌های فیزیکی مواد با افزایش دما تغییر می‌کند. نیروی کششی در عایق‌ها نباید به نقطه‌ای برسد که باعث تغییر شکل و فرسودگی بیش از اندازه آن­ها شود. همچنین دمای عملکرد یک ماده عایق از نوع ترمو­پلاستیک نباید به دمای ذوب آن برسد( حتی برای یک مدت زمان کوتاه). وقتی مواد عایق برای مدت طولانی در معرض حرارت قرارمی‌گیرند، ترکیب شیمیایی آن‌ ها تغییر می‌کند و تخریب می‌شوند. بنابراین می‌توان گفت که مدت زمان عمل‌کرد عایق با دمای مطلق آن عایق نسبت عکس دارد.

 

رفتار شیمیایی

محیط بر روی رفتار شیمیایی عایق اثر­گذار است. معمولاً این محیط همان هوای حامل رطوبت است. اکسیژن موجود در هوا قادر است عایق را به گونه‌ای اکسید کند که به شکل زیان‌آوری ویژگی‌های فیزیکی آن از بین برود. همچنین می‌تواند باعث تخریب بعضی از عایق‌ها شود. به علاوه اثرات تخریبی روی سطح عایق باعث پایین آمدن مقاومت عایق می­ شود.

 

خصوصیات الکتریکی

از مهم‌ترین خصوصیت‌های هر عایق، مقاومت الکتریکی آن است. مقاومت الکتریکی عایق‌ها بر حسب حداکثر شدت میدان الکتریکی قابل تحمل توسط آن‌ ها سنجیده می‌شود و معمولاً بر حسب KV/cm بیان می‌گردد. بنابراین ولتاژ شکست هر عایق به ضخامت آن بستگی دارد.

 

عوامل اقتصادی

یکی از عوامل مؤثر در طراحی عایق‌ها، طرح سیستمی است که بهترین عمل‌کرد را به ازای قیمت مناسب داشته باشد. البته این موضوع به معنای تلاش برای کم کردن قیمت‌ها در واحد وزن برای سیستم های عایق‌کاری و تجهیزات آن نیست. اگر با صرف هزینه بیشتری برای یک یا چند قطعه در سیستم بتوان ابعاد سیستم را کاهش داد، عاقلانه‌تر است که از عایق‌های گران‌تر استفاده شود.

 

کابل‌ بر پایه­ پلی‌اتیلن اتصال عرضی شده[۵]

در سال ۱۹۵۳ برای نخستین بار کابل خشک با عایق پلی‌اتیلن اتصال عرضی شده در کارخانه « جنرال الکتریک » ساخته شد. پلی‌اتیلن پلیمری نیمه بلورین است که دارای ویژگی‌های الکتریکی خوب مانند ضریب دی الکتریک پایین، اتلاف دی الکتریکی پایین و استحکام عایق بالا به همراه خصوصیات دیگری چون انعطاف‌پذیری، مقاومت در برابر مواد شیمیایی، فرایند پذیری خوب و قیمت ارزان است. این خصوصیات آن را گزینه‌ی مناسبی برای عایق سازی کابل‌های قدرت می‌کند و این در حالی است که عیب عمده‌ی آن دمای ذوب پایین آن است. این عیب دمای عملیاتی را به◦C 75 محدود می‌کند. برای بهبود این خصوصیت، پلی‌اتیلن اتصال ‌عرضی می‌شود. ایجاد اتصالات عرضی، دمای بیشینه عملیاتی را تا ◦C 90 و دمای اضطراری را تا ◦C 130 و بیشینه دمای اتصال کوتاه را تا ◦C 250 بالا می‌برد. ایجاد اتصالات عرضی همچنین استحکام ضربه‌ای، پایداری ابعادی، استحکام کششی، خصوصیات حرارتی و مقاومت شیمیایی را بالا برده و خصوصیات الکتریکی، پیری و مقاومت در برابر حل شدن پلی‌اتیلن را بهتر می‌کند.
کابل‌هایXLPE با پیشینه‌ای نزدیک به چهل سال ساخت و کاربرد به استانداردهای بالایی دست‌یافته‌اند و با نام‌های بازرگانی گوناگونی در بسیاری از کارخانه‌های جهان ساخته می‌شوند. به طوری که امروزه کاربران مختلف، کابل‌های XLPE را تا ولتاژ حتی بیشتر از ۵۰۰ کیلوولت با اطمینان خاطر به کار می‌برند.
یکی از راه‌های تقویت خواص یک ماده‌ی پلیمری افزودن پرکننده‌های مختلف و رسیدن به خواص مطلوب است. این فناوری علاوه بر بهبود خواص مکانیکی، شیمیایی، فیزیکی و حرارتی، از نظر اقتصادی نیز مورد توجه است.

 

کامپوزیت‌های پلیمری

کامپوزیت‌ها از ترکیب و اختلاط فیزیکی دو یا چند ماده حاصل می‌شوند تا یک سیستم چند فازی را ایجاد نمایند که دارای خواص متفاوتی از مواد اولیه تشکیل دهنده باشد. از سال ۱۹۶۰ میلادی، کامپوزیت‌های پلیمری یکی از شاخه‌های تحقیقاتی در علم مواد به حساب آمده و پس از آن کامپوزیت‌های پلیمری متنوعی ساخته شد [۱].
در کامپوزیت‌ها عمدتاً سه فاز متمایز وجود دارد که این فازها تعیین‌کننده خواص کامپوزیت هستند. این سه فاز، ماتریس(فاز پیوسته)، تقویت‌کننده(فاز ناپیوسته) و لایه مرزی بین آن‌ ها را شامل می­شوند. در کامپوزیت نقش فاز تقویت‌کننده، حمل تنش وارد شده به ماده است . فاز پیوسته عهده‌دار حفاظت از ماده تقویت‌کننده در برابر عوامل محیطی و انتقال بار به فاز تقویت‌کننده است. اما نقشی که لایه مرزی میان این دو فاز بر عهده دارد بسیار بااهمیت بوده و تأثیر زیادی بر خواص نهایی کامپوزیت دارد. در حقیقت انتقال تنش از ماتریس به ماده تقویت‌کننده از طریق این حد فاصل صورت می‌گیرد. بنابراین قوی یا ضعیف بودن این حد فاصل نه تنها بر خواص مکانیکی، بلکه بر خواص فیزیکی مانند دمای انتقال شیشه‌ای، پایداری حرارتی و حتی بر خواص الکتریکی تأثیرگذار خواهد بود.به طور کلی ماده تقویت‌کننده صرف‌نظر از نوع آن می‌تواند به سه شکل ذره‌ای، صفحه‌ای و یا لیفی وجود داشته باشد که هر کدام خصوصیت ویژه‌ای را به کامپوزیت می­بخشد [۱,۲].
عموماً خواص حاصل‌شده از کامپوزیت‌ها به مواردی بستگی دارد همچون:

 

 

خواص فازهای تشکیل‌دهنده

توزیع فازها

اثر متقابل فازها بر یکدیگر

ابعاد و شکل ماده تقویت‌کننده و همچنین توزیع این مواد در فاز پیوسته

در کامپوزیت‌های پرشده با مواد تقویت‌کننده‌ای که به شکل صفحه‌ای یا لیفی می‌باشند، جهت‌گیری ذرات به شدت بر خواص کامپوزیت به خصوص خواص مکانیکی تأثیر می‌گذارد درحالی‌که در کامپوزیت‌های تقویت‌شده با مواد پر کننده‌ای که به صورت ذرات کروی شکل می‌باشند، خواص به جهت قرارگیری ذرات بستگی ندارد. از دلایل عمده‌ برای استفاده از پرکننده‌های ذره‌ای، کاهش قیمت محصول و بهبود فراورش است [۳].
در سال‌های اخیر بررسی‌های مختلف نشان داده است که با وارد کردن مقدار کمی از پرکننده با ابعاد نانو متری (که عمدتاً معدنی می‌باشند) می‌توان به خواص بالاتری دست یافت.از آن‌جا که حضور نانو ذرات در ماتریس پلیمری موجب بهبود خواص الکتریکی نیز می‌شود، با بهره گرفتن از نانو کامپوزیت‌ها می‌توان عایق‌های الکتریکی مناسبی را تولید کرد.

 

نانو کامپوزیت‌های پلیمری

در اوایل ۱۹۸۰ دانشمندان دریافتند که تفاوت قابل توجهی میان خواص مواد معمولی و مواد جدیدی که دارای ابعاد نانومتری هستند وجود دارد. بنابراین پیش‌بینی شد که کامپوزیت‌های دارای نانو ذرات بسیار متفاوت از کامپوزیت‌های معمولی که دارای مواد پرکننده‌ای در ابعاد میکرو و یا بزرگ‌تر از آن هستند، عمل کنند. به همین دلیل درسی سال اخیر توجه شایانی به تهیه و بررسی خواص نانو کامپوزیت‌های پلیمری جلب شده است [۱].
اگرچه نانو ذرات قادر به ایجاد خواص فوق‌العاده و قابل‌توجهی در مقایسه با آنچه که از ذرات میکرو و یا درشت‌تر از آن حاصل می‌شود، هستند اما همواره با مشکلات توزیع و پایداری نیز مواجه می‌باشند که این امر به دلیل سطح بسیار زیاد و فعال این ذرات است که موجب تمایل شدید آن‌ ها به تشکیل اجتماعات کوچک و کلوخه ای شدن می‌شود [۲]. از این رو یکی از چالش‌هایی که همواره در کامپوزیت‌ها مورد بررسی قرار می‌گیرد توزیع یکنواخت نانو ذرات در ماتریس است به طوری که مانع از اجتماع و کلوخه­ای شدن آن‌ ها شود. بنابراین مرحله اضافه کردن ذرات نانو به ماتریس و مخلوط کردن مواد از اهمیت زیادی برخوردار است.

 

فصل دوم
مروری بر مطالعات انجام‌ شده

در این فصل پس از بیان شرح مختصری از تاریخچه تولید پلی‌اتیلن و فرایند ایجاد اتصالات عرضی در آن به تعریف نانو کامپوزیت­ها، روش­های ساخت و تحلیل آن­ها پرداخته می‌شود. در آخر هم مطالبی راجع به عایق­های الکتریکی پلیمری آورده شده است.

 

پلی­اتیلن