Change search
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link
Interactions between a phenolic antioxidant, moisture, peroxide and crosslinking by-products with metal oxide nanoparticles in branched polyethylene
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
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.
Show others and affiliations
2016 (English)In: Polymer degradation and stability, ISSN 0141-3910, E-ISSN 1873-2321, Vol. 125, 21-32 p.Article in journal (Refereed) PublishedText
Abstract [en]

Polyethylene composites based on metal oxide nanoparticles are emerging materials for use in the insulation of extruded HVDC cables. The short-term electrical performance of these materials is adequate, but their stability for extended service needs to be assessed. This study is focussed on the capacity of the nanoparticles to adsorb polar species (water, dicumyl peroxide and byproducts from peroxide-vulcanisation, acetophenone and cumyl alcohol) that have an impact on the electrical conductivity of nanocomposites, the oxidative stability by adsorption of phenolic antioxidants on the nanoparticles and the potential transfer of catalytic impurities from the nanoparticles to the polymer. The adsorption of water, dicumyl peroxide, acetophenone, cumyl alcohol and Irganox 1076 (phenolic antioxidant) on pristine and coated (hydrophobic silanes and poly(lauryl methacrylate)) Al2O3, MgO and ZnO particles ranging from 25 nm to 2 gm was assessed. Composites based on low-density polyethylene and the particles mentioned (<= 12 wt.%) were prepared, the degree of adsorption of Irganox 1076 onto the particles was assessed by OIT measurements, and the release of volatile species at elevated temperature was assessed by TG. The concentration of moisture adsorbed on the particles at 25 degrees C increased linearly with both increasing hydroxyl group concentration on the particle surfaces and increasing relative humidity. Dicumyl peroxide showed no adsorption on any of the nanoparticles. Acetophenone and cumyl alcohol showed a linear increase in adsorption with increasing concentration of hydroxyl groups, but the quantities were much smaller than those of water. Irganox 1076 adsorbed only onto the uncoated nanoparticles. Uncoated ZnO nanoparticles that contained ionic species promoted radical formation and a lowering of the OIT. This study showed that carefully coated pure metal oxide nano particles are not likely to adsorb phenolic antioxidants or dicumyl peroxide, but that they have the capacity to adsorb moisture and polar byproducts from peroxide vulcanisation, and that they will not introduce destabilizing ionic species into the polymer matrix. Low contents of dry, equiaxed ZnO and MgO particles strongly retarded the release of volatile species at temperatures above 300 degrees C.

Place, publisher, year, edition, pages
Elsevier, 2016. Vol. 125, 21-32 p.
Keyword [en]
Polyethylene, Metal oxide nanoparticles, Water, Acetophenone, Cumyl alcohol, Phenolic antioxidant, Adsorption
National Category
Polymer Technologies
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-184031DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2015.12.014ISI: 000370894900003ScopusID: 2-s2.0-84954186925OAI: oai:DiVA.org:kth-184031DiVA: diva2:914454
Note

QC 20160324

Available from: 2016-03-24 Created: 2016-03-22 Last updated: 2016-09-15Bibliographically approved
In thesis
1. The synthesis, surface modification and use of metal-oxide nanoparticles in polyethylene for ultra-low transmission-loss HVDC cable insulation materials
Open this publication in new window or tab >>The synthesis, surface modification and use of metal-oxide nanoparticles in polyethylene for ultra-low transmission-loss HVDC cable insulation materials
2016 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Polyethylene composites which contain low concentrations of metal-oxide nanoparticles e.g. ZnO and MgO are emerging materials for the use in insulations of extruded high-voltage direct-current (HVDC) cables. The challenge in the development of the composites with ultra-low electrical conductivity is to synthesize uniform and high-purity metal-oxide nanoparticles, which are functionalized with hydrophobic groups in order to make them compatible with polyethylene. The thesis reports different approaches to prepare this new generation of insulation materials.

Different reaction parameters/conditions – zinc salt precursor, precursor concentrations and reaction temperature – were varied in order to tailor the size and morphology of the ZnO nanoparticles. It was shown that different particle sizes and particle morphologies could be obtained by using different zinc salt precursors (acetate, nitrate, chloride or sulphate). It was shown that 60 °C was a suitable reaction temperature in order to yield particles with different morphologies ranging from nano-prisms to flower-shaped superstructures. For removal of reaction residuals from the particles surfaces, a novel cleaning method based on ultrasonication was developed, which was more efficient than traditional water-replacement cleaning. After cleaning, the presence of one atomic layer of zinc-hydroxy-salt complex (ZHS) on the nanoparticle surfaces was suggested by thermogravimetry and infrared spectroscopy. A method involving three steps – silane coating, heat treatment and silica layer etching – was used to remove the last trace of the ZHS species from the nanoparticle surface while preserving its clean and active hydroxylated surface. The surface chemistry of these nanoparticles was further tailored from hydroxyl groups to hydrophobic alkyl groups with different lengths by reactions involving methyltrimethoxysilane (C1), octyltriethoxysilane (C8) and octadecyltrimethoxysilane (C18).

MgO nanoparticles were prepared by aqueous precipitation of Mg(OH)2 followed by a partial transformation to MgO nanoparticles via heat treatment at 400 °C. The surface regions of the MgO nanoparticles convert into a hydroxide phase in humid media. A novel method to obtain large surface area MgO nanoparticles with a remarkable inertness to humidity was also presented. The method involved three steps:  (a) thermal decomposition of Mg(OH)2 at 400 °C; (b) silicone oxide coating of the nanoparticles to prevent inter-particle sintering and (c) a high temperature heat treatment at 1000 °C. These MgO nanoparticles showed essentially no sign of formed hydroxide phase even after extended exposure to humid air.

The functionalized metal-oxide nanoparticles showed only a minor adsorption of phenolic antioxidant, which is important in order to obtain nanocomposites with an adequate long-term stability. Tensile testing and scanning electron microscopy revealed that the surface-modified metal-oxide nanoparticles showed improved dispersion and interfacial adhesion in the polyethylene matrix with reference to that of unmodified metal-oxide nanoparticles. The highly “efficient” interfacial surface area induced by these modified nanoparticles created the traps for charge carriers at the polymer/particle interface thus reducing the DC conductivity by more than 1 order of magnitude than that of the pristine polyethylene.

Abstract [sv]

Polyetenkompositer med mycket låga halter av ZnO och MgO metalloxid nanopartiklar är en växande kategori material för användning som isolering av extruderade kablar avsedda för likriktad högspänning. En utmaning i utvecklingen av dessa material kan relateras till den praktiska kompositframställningen, vilken innefattar framställning av högrena metalloxid nanopartiklar som ytmodifieras med hydrofoba molekylstrukturer för att möjliggöra blandning med den hydrofoba polyetenplasten. Denna avhandling behandlar olika metoder för att framställa denna generation av isoleringsmaterial.

Vid syntesen av de rena nanopartiklarna krävdes optimering av ett antal olika reaktionsparametrar för att uppnå tillfredställande slutresultat i form av partikelstorlekar och partikelmorfologier. Dessa inkluderade val av zinksalt, zinksaltkoncentration vid utfällning, samt reaktionstemperatur vid framställningen. Experimenten avslöjade att olika partikelstorlekar och partikelmorfologier kunde framställas som endast korrelerat mot källan av zinkjonerna, och berodde av vilka motjoner som zinkatomerna haft i zinksaltet (acetat, nitrat, klorid eller sulfat). Optimering av reaktionstemperaturen visade att ca 60 °C utgjorde en lämplig start för utvärdering av synteserna, som resulterade i olika partikelmorfologier i form av pyramidformade nanopartiklar till blomformationer. Utöver de specifika reaktionsparametrarna utvecklades även en ny ultrasonikeringsmetod för att rena ytorna hos partiklarna från motjoner relaterade till de valda specifika salterna. Metodiken som visade sig avsevärt mer effektiv än sedvanlig rening att utfällda nanopartiklar via repetitivt vattenutbyte, och skapade förutsättningar etablering av kolloidal stabilitet och fragmentering av aggregat i vattensuspensionerna. Efter ultrasonikeringsreningen beräknades de kvarvarande zinkhydroxidsalterna (ZHS) utgöra endast ett atomlager ZHS utifrån termogravimetriska data kompletterade med infraröd spektroskopi. En metod att eliminera de kvarvarande ZHS-komplexen från ytan av partiklarna tillämpades/utvecklades, inkluderade ytbeläggning av partiklarna med silan, följt av värmebehandling samt etsning av den resulterande kiseloxidytan, för att uppnå en ren hydroxylyta på partiklarna. Ytkemin hos dessa partiklar modifierades från att bestå av hydroxylgrupper till att utgöras av hydrofoba alkylgrupper med olika längder relaterade metyltrimetoxysilan (C1), oktyltrietoxysilan (C8), eller oktadekyltrimetoxysilan (C18).

Även MgO nanopartiklar framställdes via vattenutfällning av Mg(OH)2 partiklar, vilka omvandlades till MgO nanopartiklar via en lågtemperatur värmebehandling vid 400°C. Ytan av dessa partiklar omvandlades dock till hydroxid i fuktig miljö. En ny metod att bibehålla den stora ytarean av MgO nanopartiklarna med anmärkningsvärd motståndskraft mot att omvandlas till hydroxid utvecklades således. Metoden består av (a) en låg temperatur omvandling av Mg(OH)2, (b) en kiseloxidytbehandling av nanopartiklarna för att undvika partikelsintring vid högre temperaturer och (c) en hög temperaturbehandling vid 1000 °C. De framställda partiklarna uppvisade ingen anmärkningsvärd känslighet mot luftfuktighet och bibehöll MgO sammansättningen efter exponering mot fukt.

De modifierade metalloxid nanopartiklarna visade mycket liten adsorption av fenoliska antioxidanter, vilket medförde en långtidsstabilitet hos polyeten nanokompositerna. De ytmodifierade metalloxidpartiklarna visade även förbättrade möjligheter för dispergering och yt-kompatibilitet med/i polyetenmatrisen i jämförelse med omodifierade metalloxidpartiklar, utifrån mätningar baserade på dragprovning och svepelektronmikroskopi. Slutligen, de utvecklade ytorna på de modifierade nanopartiklarna skapade ett polymer/nanopartikel gränssnitt som kunder fungera som laddningsansamlingsområden i nanokompositerna, vilket resulterade i en storleksordning minskad ledningsförmåga hos kompositerna jämfört med den rena polyetenen.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2016. 57 p.
Series
TRITA-CHE-Report, ISSN 1654-1081 ; 2016:30
Keyword
polyethylene, metal-oxide nanoparticles, heat treatment, surface coating, humidity resistance, interfacial adhesion, nanocomposite, HVDC insulation, polyeten, metalloxid nanopartiklar, värmebehandling, ytmodifiering av partiklarna, fukt inverkan, gränsskiktsvidhäftning, nanokomposit, HVDC isolering
National Category
Polymer Technologies
Research subject
Fibre and Polymer Science
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-190808 (URN)978-91-7729-059-9 (ISBN)
External cooperation:
Public defence
2016-09-23, Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Swedish Foundation for Strategic Research , EM11-0022
Note

QC 20160829

Available from: 2016-08-29 Created: 2016-08-16 Last updated: 2016-08-29Bibliographically approved
2. Polyethylene – metal oxide particle nanocomposites for future HVDC cable insulation: From interface tailoring to designed performance
Open this publication in new window or tab >>Polyethylene – metal oxide particle nanocomposites for future HVDC cable insulation: From interface tailoring to designed performance
2016 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Low-density polyethylene (LDPE) nanocomposites containing metal oxide nanoparticles are considered as promising candidates for insulating materials in future high-voltage direct-current (HVDC) cables. The significant improvement in dielectric properties compared with unfilled polymer is attributed to the large and active interface between the nanoparticles and the polymer. The nanoparticles may also initiate cavitation under stress and potential accelerated aging risks due to the adsorption and inactivation of the protecting antioxidants. This study is focused on the possibilities of achieving well-balanced performances of the polyethylene nanocomposites for HVDC insulation via tailoring the particle interface in the nanocomposites.

A facile and versatile surface coating method for metal oxide particles was developed based on silane chemistry. The developed method was successfully applied to 8.5 nm Fe3O4, 25 nm ZnO and 50 nm Al2O3 particles, with the aim to develop uniform coatings that universally could be applied on individual particles rather than aggregates of particles. The surface properties of the coatings were further tailored by applying silanes with terminal alkyl groups of different lengths, including methyl (C1-), octyl (C8-) and octadecyl (C18-) units. Transmission electron microscopy, infrared spectroscopy and thermal gravimetric analysis confirmed the presence of uniform coatings on the particle surface and importantly the coatings were found to be highly porous.

The capacity of metal oxide particles to adsorb relevant polar species (e.g. moisture, acetophenone, cumyl alcohol and phenolic antioxidant) was further assessed due to its potential impact on electrical conductivity and long-term stability of the nanocomposites. The oxidative stability of the nanocomposites was affected by the adsorption of phenolic antioxidants on particles and transfer of catalytic impurities (ionic species) from metal oxide particles to polymer matrix. It was found that carefully coated metal oxide particles had much less tendency to adsorb antioxidants. They could, however, adsorb moisture, acetophenone and cumyl alcohol. The coated particles did not emit any destabilizing ionic species into the polymer matrix. 

The inter-particle distance of the nanocomposites based on C8-coated nanoparticles showed only a small deviation from the ideal, theoretical value, indicating a good particle dispersion in the polymer. Scanning electron microscopy of strained nanocomposite samples suggested the cavitation mainly occurred at the polymer/nanoparticles interface. The microstructural changes at polymer/nanoparticle interface were studied by small-angle X-ray scattering coupled with tensile testing. The polymer/nanoparticle interface was fractal before deformation due to the existence of the bound polymers at the nanoparticle surface. Extensive de-bonding of particles and cavitation were observed when the nanocomposites were stretched beyond a critical strain. It was found that the composites based on carefully coated particles showed higher strain at cavitation than the composites based on uncoated particles. The composites based on C8-coated nanoparticles showed the largest decrease in electrical conductivity and the lowest temperature coefficient of the electrical conductivity among the composite samples studied.

Abstract [sv]

Nanokompositer av polyeten anses vara de mest lovande materialen för isolering av framtidens högspänningskablar (HVDC-kablar). De avsevärda förbättringarna i dielektriska egenskaper jämfört med ren polyeten kan härledas till den stora aktiv nanopartikelytan som existerar mellan partiklarna och polymermatrisen. Tillsatsen av nanopartiklar till polymeren kan dock även leda till ojämn spridning av partiklarna, där aggregat kan fungera som startpunkter för bildning av hålrum som skapas vid partikelytorna då materialen utsätts för mekaniska påfrestningar, samt accelererad åldringsbenägenhet på grund av potentiell lokal ansamling polyetens stabilisatorer vid partikelytorna. Detta arbete har fokuserats runt möjligheterna att skapa nanokompositer för HVDC-isolering med optimerad prestanda som relaterad till partikelytorna i nanokompositerna.

En metod för ytbehandling av metalloxidpartiklarna har utvecklats utifrån silankemi med fokus på användarvänlighet. Metoden tillät framgångsrik kondensering av silaner på 8.5 nm Fe3O4, 25 nm ZnO and 50 nm Al2O3 partiklar, och resulterade ytmodifiering av individuella partiklar snarare än aggregat. Ytegenskaperna hos partiklarna kunde därefter skräddarsys till att innefatta olika funktionella alkylgrupper med varierande längder från metyl (C1-), octyl (C8-) till octadecyl (C18-) enheter. Mikroskopi, infraröd spektroskopi samt termogravimetrisk analys bekräftade ytmodifieringarna resulterade i jämntjocka ytbeläggningar av individuella partiklar, medan molekylsimuleringar och densitetsvärden avslöjade att ytbeläggningarna visade hög porositet.

Metallpartiklarnas förmåga att adsorbera polära molekylstrukturer (fukt (H2O), acetofenon, kumylalkohol och fenoliska antioxidanter) utvärderades på grund av dess möjliga inverkan på elektrisk ledningsförmåga och långtidsstabilitet hos nanokompositerna. Stabiliteten gentemot oxidations visade sig var påverkad av adsorptionen av antioxidanter på partikelytorna, samt migration av katalyserande orenheter från partiklar till polymermatris. De modifierade partiklar var dock mindre benägna att adsorbera antioxidanter, men visade fortfarande adsorption av fukt, acetofenon och kumylalkohol. De ytmodifierade partiklarna bedömdes därför mindre benägna att inverka negativt på stabiliteten hos polymermatrisen.

Partikelavstånden mellan partiklarna i kompositerna baserade på C8-funktionaliserade nanopartiklar visade sig endast avvika obetydligt från det beräknade teoretiska värdet, vilket indikerade närmast en ideal dispergeringen av partiklarna. Svepelektronmikroskopi (SEM) av kompositer som utsatts för töjning visade att hålrumsbildningen främst uppstod i gränsytan mellan polymer/nanopartiklar. Förändringar av mikrostrukturen hos kompositerna studerades även med långvinkelröntgen (SAXS - small-angle X-ray) i kombination med dragprovning. Gränskiktet mellan polymer och nanopartikel hade en fraktalstruktur före deformationen på grund av närvaron av bunden polymer på nanopartikelytan. Sprickbildningen och utvecklingen av hålrum runt partiklarna kunde mest tydligt observeras när kompositerna hade sträckts mer än till en viss kritisk töjningsgräns, vilket även bekräftade att hålrumsbildningen uppstod vid högre töjningsvärden då partiklarna var ytmodifierade, i jämförelse med omodifierade partiklar. Kompositerna som framställts med C8-funktionalisering av nanopartiklarna visade den största sänkningen av ledningsförmågan och den lägsta temperatur koefficienten i elektrisk ledningsförmåga bland samtliga kompositer som utvärderats.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2016. 48 p.
Series
TRITA-CHE-Report, ISSN 1654-1081 ; 2016:28
Keyword
HVDC, electrical insulation, core-shell nanoparticles, surface modification, silane chemistry, nanocomposites, polyethylene, adsorption, long-term stability, interface, particle dispersion, cavitation, conductivity, HVDC, elektrisk isolation, ytmodifiering, silankemi, nanokompositer, polyeten, adsorption, långtidsstabilitet, ytskikt, partikeldispergering, kavitation, ledningsförmåga
National Category
Textile, Rubber and Polymeric Materials
Research subject
Fibre and Polymer Science
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-192355 (URN)978-91-7729-054-4 (ISBN)
External cooperation:
Public defence
2016-09-30, F3, Lindstedtsvägen 26, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Swedish Foundation for Strategic Research , EM11-0022
Note

QC 20160915

Available from: 2016-09-15 Created: 2016-09-09 Last updated: 2016-09-15Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

Other links

Publisher's full textScopus

Search in DiVA

By author/editor
Liu, DongmingPourrahimi, Amir MasoudPallon, Love K. H.Sanchez, Carmen CoboOlsson, Richard T.Hedenqvist, Mikael S.Fogelström, LindaMalmström, EvaGedde, Ulf W.
By organisation
Fibre and Polymer Technology
In the same journal
Polymer degradation and stability
Polymer Technologies

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: 89 hits
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link