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  • Polyethylene/Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes Composites: Electrical Insulation for High-Voltage

    Power Cables

    by

    Meng GUO

    MANUSCRIPT-BASED THESIS PRESENTED TO COLE DE TECHNOLOGIE SUPRIEURE IN PARTIAL FULFILLMENT FOR THE

    DEGREE OF DOCTOR OF PHILOSOPHY Ph.D.

    MONTREAL, MAY 11, 2017

    COLE DE TECHNOLOGIE SUPRIEURE UNIVERSIT DU QUBEC

    Copyright 2006, (Meng GUO, 2017) All right reserved

  • Copyright reserved

    It is forbidden to reproduce, save or share the content of this document either in whole or in parts. The reader

    who wishes to print or save this document on any media must first get the permission of the author.

  • BOARD OF EXAMINERS

    THIS THESIS HAS BEEN EVALUATED

    BY THE FOLLOWING BOARD OF EXAMINERS Prof. Eric David, Thesis Supervisor Department of Mechanical Engineering, cole de Technologie Suprieure Prof. Nicole R. Demarquette, Thesis Co-supervisor Department of Mechanical Engineering, cole de Technologie Suprieure Prof. Sylvain G. Cloutier, President of the Board of Examiners Dean of Research, Department of Electrical Engineering, cole de Technologie Suprieure Prof. Anh-Dung NG, Member of the jury Department of Mechanical Engineering, cole de Technologie Suprieure Prof. Nicola Bowler, External Evaluator Department of Materials Science and Engineering, Department of Electrical and Computer Engineering, Center for Nondestructive Evaluation, Iowa State University of Science and Technology

    THIS THESIS WAS PRENSENTED AND DEFENDED

    IN THE PRESENCE OF A BOARD OF EXAMINERS AND PUBLIC

    ON APRIL 7, 2017

    AT COLE DE TECHNOLOGIE SUPRIEURE

  • To my grandparents,

    my parents,

    my family.

  • ACKNOWLEDGEMENTS

    Foremost, I would like to express my deep gratitude to my research director, Prof. ric David,

    research co-directors, Prof. Nicole R. Demarquette and Dr. Michel Frchette for taking me on

    this fantastic mission to explore the world of polyethylene and POSS. Thanks to their excellent

    guidance and strong supports, Ive not only improved professionally, but also grown to be a

    better person.

    I wish to extend my sincere appreciation to my dear colleagues, many of whom have given me

    the privilege of their friendships, for their continuous efforts in creating a pleasant working

    environment, for discussing and sharing good ideas with me, and for their helps and

    encouragements in times of difficulty. Their companies enriched my student life and made it a

    treasurable time.

    I am grateful to all who lent me a helping hand in my doctoral study. Without their timely,

    generous and invaluable assistances, this journey would not have been accomplished.

    Finally, I would like to thank those who can never be thanked enough, my family, for their

    endless concern, selfless love, and unwavered supports.

  • COMPOSITES BASE DE POLYTHYLNE AVEC ADDITIFS DE POLYHEDRAL OLIGOMERIC SILSESQUIOXANES : ISOLATION LECTRIQUE

    POUR DES CBLES DE PUISSANCE

    Meng GUO

    RSUM

    Afin de satisfaire la demande croissante en lectricit et en efficacit de transmission, les tensions et les puissances dopration ont connu une augmentation soutenue depuis les dernires annes. Par consquent, cette tendance a entran une augmentation des contraintes lectro-thermiques supportes par lisolation polymrique des cbles de puissance. Le polythylne (PE), un matriau isolant lectriquement, est amplement utilis dans les cbles souterrains. Il est connu que cet isolant est susceptible la dgradation lectrique et possde une conductivit thermique assez faible. Consquemment, il y a une forte place pour amlioration de ses proprits dilectriques et thermiques. Depuis quelques dizaines dannes, une attention considrable a t porte une nouvelle classe de matriaux dilectriques les nanodilectriques, i.e., des dilectriques faits de composites polymriques contenant des additifs de dimensions nanomtriques. Ces nanocomposites sont frquemment dcrits comme ayant des proprits dilectriques suprieures si on les compare aux polymres de bases ou aux microcomposites. Ainsi, ces nanocomposites ont un grand potentiel dapplications dans les cbles de puissance. Nanmoins, de telles amliorations ne peuvent tre atteintes que lorsque ladditif nanomtrique est bien dispers dans la matrice avec une distribution homogne. Cependant, face une auto-agglomration forte et une incompatibilit frquente des nano-additifs avec la matrice, la dispersion des nano-additifs est souvent compromise avec des agrgats de tailles micromtriques. De plus, les nano-additifs hydrophiles attirent les molcules deau linterface particule-matrice, dtriorant le rle de linterface et entranant une dgradation des proprits du matriau. Afin de faciliter une dispersion homogne de charges lchelle nanomtrique et de prvenir l'absorption d'eau, les nano-additifs inorganiques sont communment traits en surface par des dispersants et des agents de couplage. Cependant, ces traitements amnent du travail additionnel dans le processus de fabrication. De plus, peu dinformations ne sont disponibles sur les effets long-termes des contraintes lectro-thermiques sur ces modificateurs de surfaces. Aussi, une limination complte des groupes hydrophiles peut ne pas tre simple, de mme que la prvention complte de l'agrgation de la charge et de l'absorption d'eau. Dans ce contexte, lobjectif de cette recherche doctorale est de dvelopper des nanodilectriques base de polythylne avec des proprits dilectriques et thermiques amliores, pour lisolation lectrique des cbles de puissance.

  • X

    Afin dviter les problmes de modifications de surface mentionns ci-haut, les polyhedral oligomeric silsesquioxanes (POSS), lesquels sont des molcules nanomtriques entoures des fonctionnalits, ont t utiliss. La slection du type de POSS, le contenu en poids et la mthode de fabrication jouent tous un rle important dans lmergence de la performance amliore des composites PE/POSS. Dans ce projet, trois types de POSS avec diffrents substituants alkyle ont t tudis solide octamethyl-POSS (OmPOSS, OM), solide octaisobutyl-POSS (OibPOSS, OIB) et liquide-visqueux isooctyl-POSS (IoPOSS, IO); 1 wt% et 5 wt% de charges de POSS ont t tudis; trois mthodes de fabrication ont t dveloppesbroyage mcanique (BM), dissolution chimique par xylne (XSB) et extrusion (E). Les chantillons composites obtenus ont t caractrises pour leurs proprits dilectriques et thermiques. Des caractrisations supplmentaires telles que la microscopie lectronique balayage (MEB) et la calorimtrie diffrentielle balayage (DSC) ont galement t effectues afin d'obtenir des informations pour des explications possibles de la performance de ces matriaux. Globalement, les rsultats exprimentaux indiquent quaucune mthode de fabrication nest efficace pour fabriquer des nanodilectriques de PE/solide-POSS. Relativement aux proprits thermiques, laddition de POSS a pu entraner une augmentation de la conductivit thermique jusqu 8%. De plus, il a t observ que lajout de POSS ne modifie pas la stabilit thermique du PE dans une atmosphre d'azote et ne cause que peu de changements dans le comportement de fusion du PE, le comportement de cristallisation du PE et le degr de cristallinit du PE. En ce qui concerne les proprits dilectriques, tous les composites PE/POSS ont des rsistances lrosion face aux dcharges partielles qui sont bonifies, samliorant de 6% 61%. Cette amlioration renforce lisolation envers des dommages cumulatifs provoqus par la dgradation lectrique dans les conditions de service. De plus, la prsence du POSS naffecte que peu les rponses dilectriques la temprature ambiante : les constantes dilectriques et les pertes dilectriques pour les composites sont, respectivement, 2.252.35 et gnralement 10-510-4, soit des valeurs semblables aux valeurs associes au PE. Consquemment, ces valeurs sont encourageantes pour une application dans les cbles, qui ncessitent de faibles pertes et de faibles constantes dilectriques. des tempratures leves, linfluence des POSS sur les rponses dilectriques du PE demeurent faible, except pour quelques augmentations des pertes dans PE/IO1 (E) et PE/OM5 (E) des frquences plus basses que 10 Hz, et pour des transports de charges (la diffusion et la conduction) renforces dans PE/IO5 (E). linverse des performances damlioration relative la rsistance lrosion, lutilisation des POSS namliore presque pas la tension de claquage court terme du PE; au mieux, les tensions de claquage des composites PE/POSS demeurent semblables celles du PE. Parmi les trois mthodes employes, le broyage mcanique a t plus efficace pour disperser 5 wt% OibPOSS, la dissolution chimique et lextrusion ont t plus efficaces pour disperser 1 wt% OibPOSS, et l'extrusion a t plus efficace pour disperser IoPOSS. Il a t observ que les mthodes de fabrication ont peu deffet sur la conductivit thermique et les rponses dilectriques, except lorsque les distributions rsultantes sont particulires, comme dans les cas PE/IoPOSS : il semblerait que de lalignement possible dans le cas PE/IO1 (XSB) et la quasi-connexion possible dans le cas PE/IO5 (E) pourrait expliquer laugmentation de la conductivit thermique pour PE/IO1 (XSB) et lintensification du transport de charges pour

  • XI

    PE/IO5 (E). Cependant, il a t trouv que la mthode de fabrication avait un effet sur la rsistance lrosion : les chantillons obtenus via la route chimique ont gnralement montr des performances suprieures celles montres par les chantillons fabriqus par extrusion. Une explication pour ce rsultat pourrait tre que la prcipitation et lvaporation du xylne, pourrait amener le POSS en surface, formant ainsi une couche plus rsistance envers les dcharges. La fabrication a affect la tension de cla

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