Change search
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link
Formation and the structure of freeze-dried MgO nanoparticle foams and their electrical behaviour in polyethylene
KTH, School of Chemical Science and Engineering (CHE), Fibre and Polymer Technology.ORCID iD: 0000-0003-4774-4341
KTH, School of Chemical Science and Engineering (CHE), Fibre and Polymer Technology.
KTH, School of Chemical Science and Engineering (CHE), Fibre and Polymer Technology.
KTH, School of Chemical Science and Engineering (CHE), Fibre and Polymer Technology.ORCID iD: 0000-0001-5867-0531
Show others and affiliations
2015 (English)In: Journal of Materials Chemistry A, ISSN 2050-7488, Vol. 3, no 14, 7523-7534 p.Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

Electrically insulating low-density polyethylene (LDPE) nanocomposites based on dispersed MgO nanoparticle foams are reported. The foams were obtained via freeze-drying aqueous suspensions of precipitated ca. 40 nm wide and 10 nm thick Mg(OH)(2) nanoparticles and dewatering (calcining) at 400 degrees C, resulting in a 25 times more voluminous powder compared to conventionally dried nanoparticles. This powder handling prior to extrusion melt-processing greatly facilitated the nanocomposite preparation since no particle grinding was necessary. Large quantities of particles were prepared (>5 g), and the nanoparticle foams showed improved dispersion in the LDPE matrix with 70% smaller aggregate sizes compared to the conventionally dried and ground nanopowders. The nature of the nanoparticle foams was evaluated in terms of their dispersion on Si-wafers using ultrasonication as a dispersing aid, which showed to be detrimental for the nanoparticle separation into solitary particles and induced severe aggregation of the calcined nanoparticles. The grind-free MgO nanoparticles/LDPE-composite was evaluated by electrical measurement. The prepared composite showed an initial ca. 1.5 orders of magnitude lower charging current at 10(2) s, and a 4.2 times lower charging current after 16 hours compared to unfilled LDPE. The results open a way for improved insulation to be implemented in the future high-voltage cable system and present a new promising nanoparticle powder handling technique that can be used on a large scale.

Place, publisher, year, edition, pages
2015. Vol. 3, no 14, 7523-7534 p.
National Category
Chemical Engineering Physical Sciences
URN: urn:nbn:se:kth:diva-165239DOI: 10.1039/c4ta06362gISI: 000351845400042ScopusID: 2-s2.0-84925651646OAI: diva2:809718

QC 20150505

Available from: 2015-05-05 Created: 2015-04-24 Last updated: 2016-10-06Bibliographically approved
In thesis
1. Polyethylene/metal oxide nanocomposites for electrical insulation in future HVDC-cables: probing properties from nano to macro
Open this publication in new window or tab >>Polyethylene/metal oxide nanocomposites for electrical insulation in future HVDC-cables: probing properties from nano to macro
2016 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Nanocomposites of polyethylene and metal oxide nanoparticles have shown to be a feasible approachto the next generation of insulation in high voltage direct current cables. In order to reach an operationvoltage of 1 MV new insulation materials with reduced conductivity and increased breakdown strengthas compared to modern low-density polyethylene (LDPE) is needed.In this work polyethylene MgO nanocomposites for electrical insulation has been produced andcharacterized both from an electrical and material perspective. The MgO nanoparticles weresynthesized into polycrystalline nanoparticles with a large specific surface area (167 m2 g–1). Meltprocessing by extrusion resulted in evenly dispersed MgO nanoparticles in LDPE for the silane surfacemodified MgO as compared to the unmodified MgO. All systems showed a reduction in conductivityby up to two orders of magnitude at low loading levels (1–3 wt.%), but where the surface modifiedsystems were able to retain reduced conductivity even at loading levels of 9 wt.%. A maximuminteraction radius to influence the conductivity of the MgO nanoparticles was theoretically determinedto ca. 800 nm. The interaction radius was in turn experimentally observed around Al2O3 nanoparticlesembedded in LDPE using Intermodulation electrostatic force microscopy. By applying a voltage on theAFM-tip charge injection and extraction around the Al2O3 nanoparticles was observed, visualizing theexistence of additional localized energy states on, and around, the nanoparticles. Ptychography wasused to reveal nanometre features in 3D of electrical trees formed under DC-conditions. Thevisualization showed that the electrical tree grows by pre-step voids in front of the propagatingchannels, facilitating further growth, much in analogy to mechanical crack propagation (Griffithconcept). An electromechanical effect was attributed as possible mechanism for the formation of the voids.

Abstract [sv]

Nanokompositer av polyeten och metalloxidpartiklar anses vara möjliga material att använda i morgondagens isolationshölje till högspänningskablar för likström. För att nå en transmissionsspänning på 1 MV behövs isolationsmaterial som i jämförelse med dagens polyeten har lägre elektrisk ledningsförmåga, högre styrka mot elektriskt genomslag och som kan kontrollera ansamling av rymdladdningar. De senaste årens forskning har visat att kompositer av polyeten med nanopartiklar av metalloxider har potential att nå dessa egenskaper.

I det här arbetet har kompositer av polyeten och nanopartiklar av MgO för elektrisk isolation producerats och karaktäriserats. Nanopartiklar av MgO har framställts från en vattenbaserad utfällning med efterföljande calcinering, vilket resulterade i polykristallina partiklar med en mycket stor specifik ytarea (167m2 g-1). MgO-nanopartiklarna ytmodifierades i n-heptan genom att kovalent binda oktyl(trietoxi)silan och oktadekyl(trimetoxi)silan till partiklarna för att skapa en hydrofob och skyddande yta. Extrudering av de ytmodifierade MgO nanopartiklarna tillsammans med polyeten resulterade i en utmärkt dispergering med jämnt fördelad partiklar i hela kompositen, vilket ska jämföras med de omodifierade partiklarna som till stor utsträckning bildade agglomerat i polymeren. Alla kompositer med låg fyllnadsgrad (1–3 vikt% MgO) visade upp till 100 gånger lägre elektrisk konduktivitet jämfört med värdet för ofylld polyeten. Vid högre koncentrationer av omodifierade MgO förbättrades inte de isolerande egenskaperna på grund av för stor andel agglomerat, medan kompositerna med de ytmodifierade fyllmedlen som var väl dispergerade behöll en kraftig reducerad elektrisk konduktivitet upp till 9 vikt% fyllnadshalt. Den minsta interaktionsradien för MgO-nanopartiklarna för att minska den elektriska konduktiviten i kompositerna fastställdes med bildanalys och simuleringar till ca 800 nm. Den teoretiskt beräknade interaktionsradien kompletterades med observation av en experimentell interaktionsradie genom att mäta laddningsfördelningen över en Al2O3-nanopartikle i en polyetenfilm med intermodulation (frekvens-mixning) elektrostatisk kraftmikroskop (ImEFM), vilket är en ny AFM-metod för att mäta ytpotentialer. Genom att lägga på en spänning på AFM-kantilevern kunde det visualiseras hur laddningar, både injicerades och extraherades, från nanopartiklarna men inte från polyeten. Det tolkades som att extra energinivåer skapades på och runt nanopartiklarna som fungerar för att fånga in laddningar, ekvivalent med den gängse tolkningen att nanopartiklar introducera extra elektronfällor i den polymera matrisen i nanokompositer. Nanotomografi användes för att avbilda elektriska träd i tre dimensioner. Avbildningen av det elektriska trädet visade att tillväxten av trädet hade skett genom bildning av håligheter framför den framväxande trädstrukturen. Håligheterna leder till försvagning av materialet framför det propagerande trädet och förenklar på det sättet fortsatt tillväxt. Bildningen av håligheter framför trädstrukturen uppvisar en analogi till propagering av sprickor vid mekanisk belastning, i enlighet med Griffiths koncept. 

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2016
TRITA-CHE-Report, ISSN 1654-1081 ; 2016:34
Nanocomposites, polyethylene, particle dispersion, high voltage direct current cables, HVDC, HVDC insulation, MgO, intermodulation electrostatic force microscopy, ptychography, electrical tree, Nanokompositer, polyeten, HVDC, HVDC-kabel, HVDC-isolering, MgO, elektrisk isolation, partikeldispergering, elektriska träd
National Category
Polymer Technologies Nano Technology Textile, Rubber and Polymeric Materials Composite Science and Engineering
Research subject
Fibre and Polymer Science
urn:nbn:se:kth:diva-193591 (URN)978-91-7729-135-0 (ISBN)
Public defence
2016-10-28, F3, Lindstedtsvägen 26, Stockholm, 10:00 (English)
Swedish Foundation for Strategic Research , EM11-0022

QC 20161006

Available from: 2016-10-06 Created: 2016-10-05 Last updated: 2016-10-06Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

Other links

Publisher's full textScopus

Search in DiVA

By author/editor
Pallon, Love K. H.Olsson, Richard T.Pourrahimi, Amir MasoudHedenqvist, Mikael S.Gedde, Ulf W.
By organisation
Fibre and Polymer Technology
In the same journal
Journal of Materials Chemistry A
Chemical EngineeringPhysical Sciences

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

Altmetric score

Total: 56 hits
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link