大连理工大学姜楠 等：等离子体羟基化改性纳米SiO2粒子对绝缘纸绝缘特性的影响

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在绝缘纸中掺杂纳米粒子，可通过其对载流子的限制来提高绝缘纸的绝缘特性。然而，纳米粒子的高比表面积和表面活性易形成“团聚”，导致纳米粒子聚集处易产生局部放电和击穿。为了有效抑制纳米粒子团聚、进一步提高绝缘纸的绝缘特性，大连理工大学电气工程学院的姜楠、李志阳、彭邦发、李杰、吴彦，在2023年第24期《电工技术学报》上撰文，利用介质阻挡放电（DBD）等离子体对纳米SiO2粒子进行羟基化改性，增加纳米粒子表面羟基数，并通过氢键与硅烷偶联剂分子发生偶联作用从而桥接在绝缘纸基体上，改善了纳米粒子和绝缘纸的兼容性，从而改善其团聚，并采用原位聚合法制备了掺杂纳米SiO2粒子的纤维素绝缘纸。

研究背景

高压输电系统正向着大容量、高电压的方向发展，对变压器的绝缘性能也提出了更高要求。变压器的内部绝缘由绝缘油和纤维素绝缘纸构成，其中绝缘纸由于易发生热老化及电老化，且较难以更换，成为了绝缘系统中的薄弱环节。提升绝缘纸的性能成为了输电系统持续安全运行的关键。

目前，提高绝缘纸介电性能的主要方法是向绝缘纸中添加无机纳米粒子，而纳米粒子在聚合物基体中易发生团聚造成局部击穿。为此，本团队提出利用大气压介质阻挡放电（DBD）等离子体对纳米SiO 2粒子进行羟基化改性，以提高其与硅烷偶联剂的结合率，解决纳米粒子的团聚问题，应用于绝缘纸耐压性能的提升。

研究内容

本文建立了大气压下高频交流电源驱动的双介质阻挡放电反应器，纳米SiO 2粒子等离子体羟基化改性处理后，再采用硅烷偶联剂KH550修饰，实验装置如图1所示。在此基础上，利用FTIR、XPS、SEM等手段对等离子体改性前后纳米SiO 2粒子进行表征和分析。

图1 实验装置图

利用扫描电子显微镜（SEM）分别对掺杂了等离子体改性前后SiO 2粒子的绝缘纸表面微观形貌进行表征。发现在湿润空气环境中改性的纳米SiO 2粒子粒径尺寸最小、分散度最好（图2）。

图2 纳米SiO 2粒子在绝缘纸表面的SEM图

利用傅立叶红外光谱（FT-IR）、X射线光电子能谱（XPS）、比表面及孔隙度分析仪（BET）结合滴定法分析了改性前后纳米SiO2粒子表面化学成分及羟基数目的变化，发现在相对湿度为75%空气条件下，经等离子体改性后纳米SiO 2粒子表面接枝了大量羟基基团，可供偶联剂结合的活性位点增多，强化了偶联剂的作用效应，纳米SiO 2粒子在绝缘纸表面的分散性得到显著改善（图3、图4）。

图3（a）未改性（b）湿润空气中等离子体改性纳米SiO 2的XPS表征

图4（a）改性前后纳米SiO 2傅里叶红外光谱（b）等离子体处理时间对SiO 2表面羟基数的影响

探究了羟基化纳米SiO 2掺杂量对绝缘纸绝缘性能和机械性能的影响规律。结果表明，绝缘纸的击穿场强、体积电阻率和局部放电起始电压随纳米SiO 2粒子掺杂量增加呈先升高后降低的趋势，在SiO 2粒子质量分数为3%时达到最大值，与未掺杂纳米SiO 2粒子时相比分别提高了52.3%、106.2%和24.1%。

这是由于等离子体羟基化改性后的纳米SiO 2在绝缘纸表面的分散更为均匀，绝缘纸中的带电粒子优先撞击纳米SiO 2，使其自身能量减弱，从而限制带电粒子的迁移，提升了绝缘纸的绝缘性能。

然而，纳米SiO 2掺杂量过高时，SiO 2粒子间由于较高的表面活性易发生团聚形成导电通路；且纳米SiO 2粒子团聚导致绝缘纸界面陷阱变浅，带电粒子更易在绝缘纸表面脱陷入陷，纳米SiO 2粒子对带电粒子的限制作用减弱，从而引起绝缘性能下降。

绝缘纸的拉伸强度也随纳米SiO 2粒子含量增加呈先升高后降低的趋势。纳米SiO 2的质量分数为3%时，绝缘纸的拉伸强度达到了最大值（2.34 kN/m），相较于未掺杂和掺杂了未改性纳米SiO 2的绝缘纸分别提升了103.5%和35.4%。当纳米SiO 2的掺杂量增加，纳米SiO 2与绝缘纸之间氢键数目增加，纳米SiO 2对绝缘纸形变的约束作用增强，绝缘纸的机械性能得到改善。

然而，当纳米SiO 2掺杂量过高时，纳米SiO 2粒子间易团聚，一方面引起绝缘纸受力不均，另一方面导致纳米SiO 2与绝缘纸的界面区域产生大量缺陷，从而降低了绝缘纸的机械强度。

图5 不同改性气氛下纳米SiO 2的掺杂量对绝缘纸电气性能和机械性能的影响

结论

本文建立了大气压双介质阻挡放电反应器，表征分析了等离子体改性前后SiO2纳米粒子表面官能团、元素组分占比、分散性等特性。结果表明，纳米SiO2的质量分数为3%，空气相对湿度为75%时，先使用等离子体后使用硅烷偶联剂处理纳米SiO2，较未掺杂纳米SiO2情况下击穿场强和体积电阻率分别提高了52.3%和106.2%。

本工作成果发表在2023年第24期《电工技术学报》，论文标题为“等离子体羟基化改性纳米SiO2粒子对绝缘纸绝缘特性的影响”。本课题得到国家自然科学基金资助项目的支持。

引用本文

姜楠, 李志阳, 彭邦发, 李杰, 吴彦. 等离子体羟基化改性纳米SiO2粒子对绝缘纸绝缘特性的影响[J]. 电工技术学报, 2023, 38(24): 6817-6827. Jiang Nan, Li Zhiyang, Peng Bangfa, Li Jie, Wu Yan. Effect of Plasmas Hydroxylation Modified Nano-SiO2 Particles on Insulation Characteristics of Insulating Papers. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(24): 6817-6827.

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