Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
The impact of MgO nanoparticle interface in ultra-insulating polyethylene nanocomposites for high voltage DC cables
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.ORCID iD: 0000-0001-5867-0531
KTH, School of Chemical Science and Engineering (CHE), Fibre and Polymer Technology.
Show others and affiliations
2016 (English)In: Journal of Materials Chemistry A, ISSN 2050-7488, Vol. 4, no 22, 8590-8601 p.Article in journal (Refereed) Published
Resource type
Text
Abstract [en]

Low density polyethylene (LDPE) nanocomposites with a reduced conductivity of two orders of magnitude are reported as a novel insulation material for high voltage distribution of renewable energy. The key to the high insulation capacity was to provide 70 nm hexagonal MgO nanoparticles with relatively tong, preferably 18 units long, hydrocarbon functional silsesquioxane coatings. This rendered the surface of the particles completely hydrophobic and also served as a protective layer against adsorption of polar low molecular weight atmospheric substances (H2O and CO2). The elimination of trace amounts of water, in combination with the provided carbon functionality, dramatically improved the dispersion of MgO nanoparticles. The lowest volume conductivity was ca. 7 x 10(-16) s m(-1) for 3 wt% surface coated nanoparticles. Extensive electron microscopy characterization was further used to relate the measured volume conductivity, acquired under conditions that resemble 800 kV high voltage direct current (HVDC) cables, to the distribution of the nanoparticles in the polymer matrix. The results show that an appropriate surface-modification approach yielded uniformly dispersed MgO nanoparticles up to contents as high as 9 wt%, with maintained 10-100 times reduced volume conductivity. Simulations of the MgO nanoparticles distribution revealed that the required interaction radius of the MgO-phase was 775 nm, setting a lower limit of particle amount to effectively work as electrical insulation promoters. The reduced volume conductivity values and scalable processing chemistry reported allow for the production of the next generation insulation material for HVDC cables.

Place, publisher, year, edition, pages
Royal Society of Chemistry , 2016. Vol. 4, no 22, 8590-8601 p.
National Category
Chemical Sciences
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-189933DOI: 10.1039/c6ta02041kISI: 000378583200011Scopus ID: 2-s2.0-84963937777OAI: oai:DiVA.org:kth-189933DiVA: diva2:950221
Note

QC 20160728

Available from: 2016-07-28 Created: 2016-07-25 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
Series
TRITA-CHE-Report, ISSN 1654-1081 ; 2016:34
Keyword
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
Identifiers
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)
Opponent
Supervisors
Funder
Swedish Foundation for Strategic Research , EM11-0022
Note

QC 20161006

Available from: 2016-10-06 Created: 2016-10-05 Last updated: 2017-04-12Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

Other links

Publisher's full textScopus

Search in DiVA

By author/editor
Pallon, L. K. H.Pourrahimi, A. M.Hedenqvist, Mikael S.Nilsson, FritjofGedde, U. W.Olsson, Richard T.
By organisation
Fibre and Polymer Technology
In the same journal
Journal of Materials Chemistry A
Chemical Sciences

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

Altmetric score

Total: 230 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf