بررسی خواص الکتریکی پلیمرها و پلاستیکها

چکیده:

رفتار عایقی و استحکام دی الکتریک فیلمهای پلیمر به فاکتورهای گوناگونی وابسته است .در این مقاله ، بررسی علمی روی رفتار عایقی فیلمهای پلیمر تحت ولتاژ فرکانس بالا و تاثیرات حرارتی گفته می شود. استحکام شکست جریان الکتریکی AC فیلمهای پلیمری نازک به عنوان یک تابع ضخامت نمونه  برای مجموعه ی الکترود  مسطح- کروی (sphere-plane) در دماهای مختلف بررسی شده است.استحکام الکتریکی فیلم پلیمر با افزایش ضخامت فیلم و دما کاهش می یابد.  ضریب دی الکتریک پلی استر تحت تاثیرات حرارتی با افزایش فرکانس مخصوصاً در فرکانسهای بالا و دماهای پایین کاهش می یابد. در فرکانسهای پایین، ضریب اتلاف پلی استر خیلی پایین است. در فرکانسهای بالا و دماهای بالا ضریب اتلاف به سرعت افزایش می یابد.

مقدمه:

بررسی رفتار عایقی و استحکام الکتریکی فیلمهای پلیمر تحت ولتاژهای فرکانس بالا و تاثیرات حرارتی، ارتباط بسیار نزدیکی با افزایش عامل فشار در وسایل قدرت الکتریکی از قبیل کابل ها و خازن ها دارد. عملاً می توان گفت که تاثیرات  ولتاژ  و حرارت با هم به کار برده می شود. از یک دیدگاه ، کاربرد  داده های  ناشی از یک سیگنال تنش ممکن است بی ارتباط یا شامل خطاهایی در ارتباط  با حالات(شرایط) اصلی باشد. زیرا  امروزه تحقیق روی خواص دی الکتریک بروی حالات گوناگون  تنش متمرکز شده است.(4-1)

در مطالعه مواد عایق، آگاهی از اجزاء مختلف  اغلب مجالی برای پیش بینی رفتار  عایق می دهد. شکست الکتریکی در پلیمرها ، که یک پدیده مشخص مهم است ، موضوعی است که تحقیقهای زیادی در طی سالهای متمادی روی آن انجام شده است. مکانیزم شکست الکتریکی در اجسام نیاز به مطالعه وبررسی وسیع دارد.(10-5)

هدف این  تحقیق مطالعه تاثیر دما و فرکانس روی خواص دی الکتریک فیلمهای پلیمر است. روند آزمایش و نتایج آزمایش به شرح زیر است.

آزمایش:

مواد استفاده شده برای این  تحقیق از فیلم های پلی استر می باشد. فیلم های استفاده شده به عنوان نمونه با ضخامت012/0 ، 023/0، 036/0 ،050/0 ، 100/0 و 200/0 میلی متر  هستند. ضخامت فیلمها بوسیله یک نمونه فیلم ضخیم با دقت 001/0 اندازه گیری شده است. قبل از اندازه گیری ، نمونه ها  در یک کوره با دمای   و رطوبت نسبی  به مدت 24 ساعت برای رطوبت گیری،  آزاد کردن تنش های مکانیکی داخلی و اصلاح قابلیت ساخت محصولات  قرار داده می شوند .

در تستهای شکست، از یک مجموعه الکترد ( sphere-plane)کروی- مسطح استفاده شده است. این مجموعه الکترود، کره ای با قطر 20 میلیمتر و الکترودهایی مسطح دارد. سطح الکترود یک دیسک با قطر   mm50  وارتفاع  mm15 با لبه گرد شده به شعاع mm3 می باشد. این الکترودها بصورت موازی(هم محور) چیده شده اند.در جریان آزمایش، نمونه ها بصورت فشرده شده بین الکترودها قرار می گیرد و تمام الکترودها برای نصب در یک ظرف(مجرا) آماده شده اند.

برای اندازه گیری استحکام شکست الکتریکی AC  فیلمها، یک ترانسفورماتور kv50 استفاده شده است. ولتاژ تست روی الکترود کره ای به کار می رود ، حال آنکه الکترودهای مسطح به زمین وصل می باشند .تمام اندازه گیری ها در هوای معتدل  تحت رطوبت و فشار محیط یعنی فشار Kpa100 و رطوبت50تا 60 درصد انجام می شود.  ولتاژ شکست با افزایش پیوسته ولتاژ با نرخ V/s500، از V0 تا هنگامی که شکست اتفاق بیفتد اندازه گیری می شود. تمام ولتاژها برحسب rms هستند. آزمایش برای هر ضخامت فیلم 10 بار تکرار می شود و متوسط 10 اندازه گیری  تعیین می شود. خطا در قرائت ها  درصد نسبت به مقدار متوسط  است و  قرائت ها در محدوده شان قابل تکرار  هستند. ولتاژ شکست با ضخامت فیلم بر حسب تعیین استحکام الکتریکی در شکست فیلم درجه بندی می شود.

این تست در دماهای متفاوت انجام می شود، Heraeus Votsch VM 04/100  مورد استفاده در سیستم آزمایش محیط زیست می باشد. نمونه ها در سیستم قرار داده شده ودما بر حسب سطح خواسته شده تنظیم می شود. وقتی که دما به سطح مورد نظر رسید، ولتاژ افزایش می یابد تا شکست اتفاق بیفتد .تستها در رنج دمایی 40- تا C120 انجام می شود.

در اندازه گیری ضریب دی الکتریک و ضریب اتلاف در رنج Hz50  تا MHz 1 همانند تابع دمای فیلم،  یک امپدانس تحلیل کننده ی فرکانس در رنج Hz 5 تا MHz13 به عنوان منبع فرکانس متغییر استفاده می شود.

در این اندازه گیری یک رینگ(واشر) محافظ برای کم کردن تاثیرات ناشی از نشت میدان به کار برده می شود.قبل از هر مرحله اندازه گیری یک دور آماده سازی که شامل اتصال کوتاه  هر دو سطح نمونه و بالابردن دما تا سطح مطلوب(مورد نظر)است ، انجام می شود.

نتایج:

نتایج آزمایشی  به شرح زیر دسته بندی شده است.

ارتباط دما و ضخامت استحکام شکست

ما درباره ارتباط دما و ضخامت استحکام شکست فیلم پلیمر تحقیق می کنیم. شکل 1 تغییر استحکام فیلم پلی استر در9 دمای مختلف به عنوان مثال تابع ضخامت فیلم نشان می دهد.

در شکل 1، وقتی که سطوح دما 40-،20- ، 0 ، 20، 40 ، 60، 80، 100 و C120 است،ضخامت فیلم از 012/0 تاmm 200/0 تغییر می کند. این مثال نشان می دهد که با افزایش ضخامت، استحکام الکتریکی کاهش می یابد. در دماهای متفاوت مشخصه  ضخامت- استحکام از یک تغییر یکسان پیروی می کند. دیده می شود که ضخامت فیلم تاثیر قابل ملاحضه ای روی استحکام الکتریکی فیلمهای پلیمری نازک دارد .  درصد کاهش در استحکام الکتریکی تقریباً 52 درصد برای الکترودهای کروی-مسطح  تعیین شده است، در نتیجه ضخامت از mm012/0 تا mm200/0 افزایش می یابد .

استحکام الکتریکی با افزایش دما کاهش زیادی می یابد.  مکانیزم شکست دی الکتریک فیلمهای پلی استر به فرآیند شکست الکترونیکی پایین تر از دمای اتاق و شکست بالاتر از دمای اتاق گفته می شود. در دماهای پایین استحکام الکتریکی تغییرات کمی با دما دارد. برعکس، در دماهای بالا استحکام الکتریکی با افزایش دما بسرعت کاهش می یابد.

ارتباط دما و فرکانس با ثابت دی الکتریک و ضریب فاکتور

آزمون فرکانس به ضریب اتلاف و ثابت دی الکتریک فیلمهای پلیمری تحت تاثیر حرارت وابسته است و در محدوده دمایی از 20- تا C 80 اندازه گیری می شود. اندازه گیری در رنج فرکانسی Hz50 تا MHz 1 انجام می شود .در تستها، فیلمهای پلیمر با ضخامت mm036/0 استفاده می شود. نتایج آزمایشی در شکلهای 2 و 3 داده شده اند. ضریب دی الکتریک پلی استر با افزایش فرکانس کاهش می یابد.(شکل2) و با افزایش دما ،افزایش پیدا می کند.

 افزایش فرکانس با عث جابجایی(تغییر مکان) منحنی ثابت دی الکتریک و ضریب فاکتور می شود. در فرکانس های قدرت، ضریب فاکتور پلی استر خیلی پایین است و با افزایش دما افزایش می یابد. در دماهای بالا، مخصوصاً نزدیک نقطه ذوب ،  انتقال(هدایت، رسانایی) مولفه اتلاف بعلت حاملهای(موج) سیار مهم است و نشان دهنده وابستگی (ارتباط) پهنای فرکانس است.

 نتیجه:

ما تاثیرات ضخامت ، دما ، ضخامت و فرکانس را روی رفتار دی الکتریک و استحکام الکتریکی فیلمهای پلیمر بررسی کردیم. نتایج آزمایش آشکارا  تاثیر ضخامت را روی مقدار ولتاژ شکست و استحکام الکتریکی نشان می دهد. معمولاً کاهش استحکام الکتریکی با افزایش ضخامت نمونه را باصطلاح حجم تاثیر می گویند. به عبارت دیگر ، استحکام الکتریکی نمونه با کاهش ضخامت  به سرعت افزایش می یابد.  ضریب دی الکتریک پلی استر تحت تاثیرات حرارتی با افزایش فرکانس مخصوصاً در فرکانس های بالا و دماهای پایین کاهش می یابد. در فرکانسهای پایین ، ضریب اتلاف پلی استر خیلی پایین است.در فرکانسهای بالا و در دماهای بالا  ضریب اتلاف به سرعت افزایش می یابد.[5]

برای رسانا کردن پلیمر ها سه روش وجود دارد:

1-    ایجاد پلیمری با زنجیر اصلی نیمه رسانا که دارای باند دوگانه یک درمیان باشد که با عملیاتی به نام دوپینگ رسانایی آن افزایش می یابد.

در این روش پلیمرها بدون اضافه کردن مواد هادی رسانای الکتریسته می شوند. وجه مشترک تمامی پلیمرهایی که با این روش، قابلیت هدایت الکتریکی پیدا می کنند، این است که پیوندهای ساده و دوگانه در ساختار مولکول آنها به صورت یک در میان قرار دارند. در حالت دوپینگ شده برخی از پیوندهای دوگانه آزاد می شوند و ابرهای الکترونی در طول زنجیر تحرک پیدا می کنند. در این حالت هدایت الکتریسته برای برخی از پلیمرها تا 400 هزار زیمنس بر سانتی متر هم می رسد.

عمده ترین مشکل در این نوع رسانا سازی پایداری کم حالت هدایت الکتریکی است. برای برخی پلیمرها پس از چند هفته، هدایت به میزان توانهایی از ده کاهش می یابد. مشکل دیگر این نوع هادی سازی این است که پلیمرهای دوپینگ شده، غیر قابل ذوب و نامحلول هستند و در نتیجه فرایند آنها در صنعت تقریباً غیر ممکن است.این روش مستلزم طراحی و ساخت راکتور و بدست آوردن دانش فنی تولید این مواد است که مانع استفاده گسترده از این روش شده است.

2-    قراردادن پوشش رسانای الکتریسته بر روی پلیمر

در این روش روکش کاری ضمینه پلیمری با فلزات، اکسیدهای فلزی یا نیمه هادی ها انجام می شود.مهمترین مشکل در این نوع رسانا سازی  این است که روکش ها اغلب با استفاده از فرآیند (نشت بخارات در خلاء) بر روی سطح پلیمر کشیده می شوند ، اغلب یا از نظر شیمیایی- در اثر اکسایش در هوا-  ویا از نظر مکانیکی- مقاومت سایشی و چسبندگی – ناپایدار هستند. همچنین گران بودن برخی فرایند های فیزیکی که برای این منظور استفاده می شود و عدم کارایی در برخی از کاربردها ازمشکلات استفاده از این روش است.

3-    افزودن ماده رسانای الکتریسته به آمیزه پلیمری

امروزه مواد افزودنی گوناگونی برای ایجاد هدایت الکتریکی پلیمرها در دسترس است از جمله می توان به: نیکل، نقره ، فولاد ضد زنگ و نیز کربن در شکل و اندازه های مختلف مانند پودر، پولک و الیاف کوتاه و بلند اشاره کرد. استفاده از فیبریل ها به تازگی در کاربردهای مختلف نظیر رنگ آمیزی الکتروستاتیک و تلف کننده های بار الکتریسته ساکن رواج یافته است. از فیبریلها بیشتر در قطعات پلاستیکی قالب گیری شده داخلی و خارجی خودروها استفاده می شود. از دیگر موارد کاربردی می توان به سپرهای حفاظتی در برابر امواج الکترومغناطیسی یا امواج رادیوی(EMI/RFI) ، تلف کنده ای بار الکتریسته ساکن(ESD) و پلیمرهای هادی حساس به دما یا فشار اشاره کرد.

در میان افزودنی ها مختلف برای ایجاد هدایت الکتریکی، دوده، به دلیل ارزان تر و سبک تر بودن در مقایسه با دیگر مواد، متداول ترین و موثر ترین ماده برای ایجاد هدایت الکتریکی تلقی می شود. با افزودن دوده به پلیمر ، میزان هدایت افزایش می یابد اما به موازات آن، فرایند اختلاط و تولید مشکل تر شده و خواص مکانیکی کاهش می یابد. همچنین به دلیل گران تر بودن دوده های هادی نسبت به پلیمرها ، استفاده مقدار زیاد آنها هزینه نهایی تولید را افزایش می دهد