在絕緣紙中摻雜納米粒子，可通過其對載流子的限制來提高絕緣紙的絕緣特性。然而，納米粒子的高比表面積和表面活性易形成“團聚”，導緻納米粒子聚集處易産生局部放電和擊穿。為了有效抑制納米粒子團聚、進一步提高絕緣紙的絕緣特性，大連理工大學電氣工程學院的姜楠、李志陽、彭邦發、李傑、吳彥，在2023年第24期《電工技術學報》上撰文，利用媒體阻擋放電（DBD）等離子體對納米SiO2粒子進行羟基化改性，增加納米粒子表面羟基數，并通過氫鍵與矽烷偶聯劑分子發生偶聯作用進而橋接在絕緣紙基體上，改善了納米粒子和絕緣紙的相容性，進而改善其團聚，并采用原位聚合法制備了摻雜納米SiO2粒子的纖維素絕緣紙。
研究背景
高壓輸電系統正向着大容量、高電壓的方向發展，對變壓器的絕緣性能也提出了更高要求。變壓器的内部絕緣由絕緣油和纖維素絕緣紙構成，其中絕緣紙由于易發生熱老化及電老化，且較難以更換，成為了絕緣系統中的薄弱環節。提升絕緣紙的性能成為了輸電系統持續安全運作的關鍵。
目前，提高絕緣紙介電性能的主要方法是向絕緣紙中添加無機納米粒子，而納米粒子在聚合物基體中易發生團聚造成局部擊穿。為此，本團隊提出利用大氣壓媒體阻擋放電（DBD）等離子體對納米SiO2粒子進行羟基化改性，以提高其與矽烷偶聯劑的結合率，解決納米粒子的團聚問題，應用于絕緣紙耐壓性能的提升。
研究内容
本文建立了大氣壓下高頻交流電源驅動的雙媒體阻擋放電反應器，納米SiO2粒子等離子體羟基化改性處理後，再采用矽烷偶聯劑KH550修飾，實驗裝置如圖1所示。在此基礎上，利用FTIR、XPS、SEM等手段對等離子體改性前後納米SiO2粒子進行表征和分析。
圖1 實驗裝置圖
利用掃描電子顯微鏡（SEM）分别對摻雜了等離子體改性前後SiO2粒子的絕緣紙表面微觀形貌進行表征。發現在濕潤空氣環境中改性的納米SiO2粒子粒徑尺寸最小、分散度最好（圖2）。
圖2 納米SiO2粒子在絕緣紙表面的SEM圖
利用傅立葉紅外光譜（FT-IR）、X射線光電子能譜（XPS）、比表面及孔隙度分析儀（BET）結合滴定法分析了改性前後納米SiO2粒子表面化學成分及羟基數目的變化，發現在相對濕度為75%空氣條件下，經等離子體改性後納米SiO2粒子表面接枝了大量羟基基團，可供偶聯劑結合的活性位點增多，強化了偶聯劑的作用效應，納米SiO2粒子在絕緣紙表面的分散性得到顯著改善（圖3、圖4）。
圖3（a）未改性（b）濕潤空氣中等離子體改性納米SiO2的XPS表征
圖4（a）改性前後納米SiO2傅裡葉紅外光譜（b）等離子體處理時間對SiO2表面羟基數的影響
探究了羟基化納米SiO2摻雜量對絕緣紙絕緣性能和機械性能的影響規律。結果表明，絕緣紙的擊穿場強、體積電阻率和局部放電起始電壓随納米SiO2粒子摻雜量增加呈先升高後降低的趨勢，在SiO2粒子品質分數為3%時達到最大值，與未摻雜納米SiO2粒子時相比分别提高了52.3%、106.2%和24.1%。
這是由于等離子體羟基化改性後的納米SiO2在絕緣紙表面的分散更為均勻，絕緣紙中的帶電粒子優先撞擊納米SiO2，使其自身能量減弱，進而限制帶電粒子的遷移，提升了絕緣紙的絕緣性能。
然而，納米SiO2摻雜量過高時，SiO2粒子間由于較高的表面活性易發生團聚形成導電通路；且納米SiO2粒子團聚導緻絕緣紙界面陷阱變淺，帶電粒子更易在絕緣紙表面脫陷入陷，納米SiO2粒子對帶電粒子的限制作用減弱，進而引起絕緣性能下降。
絕緣紙的拉伸強度也随納米SiO2粒子含量增加呈先升高後降低的趨勢。納米SiO2的品質分數為3%時，絕緣紙的拉伸強度達到了最大值（2.34 kN/m），相較于未摻雜和摻雜了未改性納米SiO2的絕緣紙分别提升了103.5%和35.4%。當納米SiO2的摻雜量增加，納米SiO2與絕緣紙之間氫鍵數目增加，納米SiO2對絕緣紙形變的限制作用增強，絕緣紙的機械性能得到改善。
然而，當納米SiO2摻雜量過高時，納米SiO2粒子間易團聚，一方面引起絕緣紙受力不均，另一方面導緻納米SiO2與絕緣紙的界面區域産生大量缺陷，進而降低了絕緣紙的機械強度。
圖5 不同改性氣氛下納米SiO2的摻雜量對絕緣紙電氣性能和機械性能的影響
結論
本文建立了大氣壓雙媒體阻擋放電反應器，表征分析了等離子體改性前後SiO2納米粒子表面官能團、元素組分占比、分散性等特性。結果表明，納米SiO2的品質分數為3%，空氣相對濕度為75%時，先使用等離子體後使用矽烷偶聯劑處理納米SiO2，較未摻雜納米SiO2情況下擊穿場強和體積電阻率分别提高了52.3%和106.2%。
本工作成果發表在2023年第24期《電工技術學報》，論文标題為“等離子體羟基化改性納米SiO2粒子對絕緣紙絕緣特性的影響”。本課題得到國家自然科學基金資助項目的支援。