Afin de satisfaire la demande croissante en électricité et en efficacité de transmission, les tensions et les puissances d’opération ont connu une augmentation soutenue depuis les dernières années. Par conséquent, cette tendance a entraîné une augmentation des contraintes électro-thermiques supportées par l’isolation polymérique des câbles de puissance. Le polyéthylène (PE), un matériau isolant électriquement, est amplement utilisé dans les cables souterrains. Il est connu que cet isolant est susceptible à la dégradation électrique et possède une conductivité thermique assez faible. Conséquemment, il y a une forte place pour amélioration de ses propriétés diélectriques et thermiques.
Depuis quelques dizaines d’années, une attention considérable a été portée à une nouvelle classe de matériaux diélectriques — les nanodiélectriques, i.e., des diélectriques faits de composites polymériques contenant des additifs de dimensions nanométriques. Ces nanocomposites sont fréquemment décrits comme ayant des propriétés diélectriques supérieures si on les compare aux polymères de bases ou aux microcomposites. Ainsi, ces nanocomposites ont un grand potentiel d’applications dans les câbles de puissance. Néanmoins, de telles améliorations ne peuvent être atteintes que lorsque l’additif nanométrique est bien dispersé dans la matrice avec une distribution homogène. Cependant, face à une autoagglomération forte et à une incompatibilité fréquente des nano-additifs avec la matrice, la dispersion des nano-additifs est souvent compromise avec des agrégats de tailles micrométriques. De plus, les nano-additifs hydrophiles attirent les molécules d’eau à l’interface particule-matrice, détériorant le rôle de l’interface et entraînant une dégradation des propriétés du matériau. Afin de faciliter une dispersion homogène de charges à l’échelle nanométrique et de prévenir l'absorption d'eau, les nano-additifs inorganiques sont communément traités en surface par des dispersants et des agents de couplage. Cependant, ces traitements amènent du travail additionnel dans le processus de fabrication. De plus, peu d’informations ne sont disponibles sur les effets long-termes des contraintes électrothermiques sur ces modificateurs de surfaces. Aussi, une élimination complète des groups hydrophiles peut ne pas être simple, de même que la prévention complète de l'agrégation de la charge et de l'absorption d'eau.
Dans ce contexte, l’objectif de cette recherche doctorale est de développer des nanodiélectriques à base de polyéthylène avec des propriétés diélectriques et thermiques améliorées, pour l’isolation électrique des câbles de puissance.
Afin d’éviter les problèmes de modifications de surface mentionnés ci-haut, les polyhedral oligomeric silsesquioxanes (POSS), lesquels sont des molécules nanométriques entourées des fonctionnalités, ont été utilisés. La sélection du type de POSS, le contenu en poids et la méthode de fabrication jouent tous un rôle important dans l’émergence de la performance améliorée des composites PE/POSS. Dans ce projet, trois types de POSS avec différents substituants alkyle ont été étudiés — 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 été étudiés; trois méthodes de fabrication ont été développées—broyage mécanique (BM), dissolution chimique par xylène (XSB) et extrusion (E). Les échantillons composites obtenus ont été caractérisées pour leurs proprieties diélectriques et thermiques. Des caractérisations supplémentaires telles que la microscopie électronique à balayage (MEB) et la calorimétrie différentielle à balayage (DSC) ont également été effectuées afin d'obtenir des informations pour des explications possibles de la performance de ces matériaux.
Globalement, les résultats expérimentaux indiquent qu’aucune méthode de fabrication n’est efficace pour fabriquer des nanodiélectriques de PE/solide-POSS. Relativement aux proprieties thermiques, l’addition de POSS a pu entraîner une augmentation de la conductivité thermique jusqu’à 8%. De plus, il a été observé que l’ajout de POSS ne modifie pas la stabilité thermique du PE dans une atmosphère d'azote et ne cause que peu de changements dans le comportement de fusion du PE, le comportement de cristallisation du PE et le degré de cristallinité du PE. En ce qui concerne les propriétés diélectriques, tous les composites PE/POSS ont des resistances à l’érosion face aux décharges partielles qui sont bonifiées, s’améliorant de 6% à 61%. Cette amélioration renforce l’isolation envers des dommages cumulatifs provoqués par la dégradation électrique dans les conditions de service. De plus, la présence du POSS n’affecte que peu les réponses diélectriques à la température ambiante : les constantes diélectriques et les pertes diélectriques pour les composites sont, respectivement, 2.25–2.35 et généralement 10-5–10-4, soit des valeurs semblables aux valeurs associées au PE. Conséquemment, ces valeurs sont encourageantes pour une application dans les câbles, qui nécessitent de faibles pertes et de faibles constantes diélectriques. À des températures élevées, l’influence des POSS sur les réponses diélectriques du PE demeurent faible, excepté pour quelques augmentations des pertes dans PE/IO1 (E) et PE/OM5 (E) à des fréquences plus basses que 10 Hz, et pour des transports de charges (la diffusion et la conduction) renforcées dans PE/IO5 (E). À l’inverse des performances d’amélioration relative à la résistance à l’érosion, l’utilisation des POSS n’améliore presque pas la tension de claquage à court terme du PE; au mieux, les tensions de claquage des composites PE/POSS demeurent semblables à celles du PE.
Parmi les trois méthodes employées, le broyage mécanique a été plus efficace pour disperser 5 wt% OibPOSS, la dissolution chimique et l’extrusion ont été plus efficaces pour disperser 1 wt% OibPOSS, et l'extrusion a été plus efficace pour disperser IoPOSS. Il a été observé que les méthodes de fabrication ont peu d’effet sur la conductivité thermique et les réponses diélectriques, excepté lorsque les distributions résultantes sont particulières, comme dans les cas PE/IoPOSS : il semblerait que de l’alignement possible dans le cas PE/IO1 (XSB) et la quasi-connexion possible dans le cas PE/IO5 (E) pourrait expliquer l’augmentation de la conductivité thermique pour PE/IO1 (XSB) et l’intensification du transport de charges pour PE/IO5 (E). Cependant, il a été trouvé que la méthode de fabrication avait un effet sur la résistance à l’érosion : les échantillons obtenus via la route chimique ont généralement montré des performances supérieures à celles montrées par les échantillons fabriqués par extrusion. Une explication pour ce résultat pourrait être que la précipitation et l’évaporation du xylène, pourrait amener le POSS en surface, formant ainsi une couche plus résistance envers les décharges. La fabrication a affecté la tension de claquage via la dispersion des additifs. De bonnes dispersions de charge avec des tailles de POSS relativement faibles ont donné lieu à les tensions de claquage pratiquement maintenues, comme dans les cas suivants : tous les composites de 1 wt% POSS, tous les composites de 5 wt%-IoPOSS, et le composite de 5 wt%-OibPOSS obtenu par broyage mécanique. D’autre part, quand les dispersions de charges sont compromises avec des tailles de POSS relativement grandes, alors la tension de claquage mesurée est réduite, comme observé pour les composites de 5 wt%-solide-POSS produit par extrusion et dissolution chimique.
Parmi tous les composites étudiés, PE/OIB1 (E) semble démontrer les meilleures performances pour des applications relatives aux câbles de puissance. Cette considération serait possible grâce au 23% d’amélioration face à l’érosion, basse constante diélectrique et faibles pertes aux fréquences industrielles (50–60 Hz) à la température ambiante et à températures élevées, le maintien de la tension de claquage et une augmentation de la conductivité thermique par 6%. PE/IO5 (E) avait des bonnes performances à la température ambiante mais ses réponses diélectriques à température plus élevée étaient moins intéressantes. PE/IO5 (XSB) avait des bonnes performances diélectriques, spécialement sa résistance à l’érosion augmentée par 61%. Néanmoins, comparé au cas PE/OIB1 (E), la conductivité thermique était réduite alors que cinq fois plus d’additif était utilisé et que la fabrication par dissolution était plus exigeante que l’extrusion. Le PE/OIB1 (BM) et PE/OIB5 (BM) présentaient des perméabilités diélectriques faibles et des tensions de claquage bien maintenues. Cependant, plus de caractérisation serait nécessaire afin d’évaluer leur potentiel pour une application pour les câbles. Les deux cas PE/OM1 (XSB) and PE/IO1 (XSB) ont montré une augmentation de 40% en regard de leur résistance à l’érosion. Cependant, PE/OM1 (XSB) exhibe une diminution de la conductivité thermique et de la tension de claquage. Aussi, PE/IO1 (XSB) montre un facteur de forme diminué et ainsi une plus grande distribution statistique de la tenue au claquage. PE/OIB1 (XSB) montre une augmentation de sa conductivité thermique par 8%. Néanmoins, son facteur de forme est assez bas et sa résistance à l’érosion a été trouvé exceptionnellement plus petite comparée à d'autres 1 wt% composites préparés par la même méthode. Comme pour le cas PE/OM5 (XSB), PE/OIB5 (XSB), PE/OM5 (E) and PE/OIB5 (E), leurs tenues de claquage sont largement réduites.
| Date | 11 mai 2017 |
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| langue originale | Anglais américain |
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| Établissement diplômant | - École de technologie supérieure
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| Superviseur | Éric David (Directeur(-trice)) & Nicole R. Demarquette (Codirecteur(-trice)) |
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