دمایC ^◦۱۴۰-۱۳۰ خشک و سپس با مواد روغنی، رزین یا موم اشباع کرده و سرانجام با سرب روکش می‌نمودند. در سال ۱۸۸۷ شبکه‌های با ولتاژ بالا­تر جای خود را باز کردند به طوری که در سال ۱۸۹۸، نخستین کابل ۱۰ کیلوولت سه رشته‌ای، برای یک شبکه برق متناوب سه فاز ساخته شد.

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

همراه با روند تکمیلی ساخت کابل که پیوسته ادامه داشت، در سال ۱۹۳۵، یک کارشناس سوئیسی به نام بورل^[۲] با قرار دادن دو الکترود در داخل روغن و با گذاشتن لایه‌های مختلفی از کاغذهای عایق در میان دو الکترود ولتاژ شکست این مواد را اندازه‌گیری کرد و نشان داد که با بهبود شرایط ساخت، کیفیت عایق‌های کاغذی بالا می‌رود و می‌توان آن‌ها را در ولتاژهای بالاتر استفاده کرد. با این پیشرفت ساخت کابل‌های با ولتاژ بالاتر روزبه‌روز گسترش یافت و با بهره‌گیری از مواد دیگری مانند پلی وینیل کلراید^[۳]، پلی اتیلن و اتیلن پروپیلن رابر^[۴] دامنه فعالیت در صنعت کابل سازی گسترش یافت و سرمایه‌گذاری‌های کلانی را جذب کرد.

ویژگی‌های الکتریکی و خواص فیزیکی و شیمیایی مواد عایق

کاربرد عایق‌ها در ساخت مولد های برق، موتورها، ترانسفورماتورها، برق‌گیرها، خازن‌ها، کابل‌ها، کلیدهای فشارقوی و سایر تجهیزات فشارقوی بسیار گسترده است. با توجه به نوع کاربرد و شرایط محیطی که عایق در آن قرارمی گیرد، علاوه بر خاصیت الکتریکی، سایر خواص فیزیکی و شیمیایی آن نیز از اهمیت زیادی برخوردار است. ویژگی‌های یک عایق که باید در کاربرد­های مختلف مورد بررسی قرار گیرد عبارت است از:
رفتار مکانیکی
رفتار گرمایی
پارامترهای شیمیایی
خصوصیت‌های الکتریکی
عوامل اقتصادی

رفتار مکانیکی ماده عایق

استحکام ماده عایق، نیاز اصلی و اساسی است. به عنوان مثال، جنس صفحه آستر شیار ماشین‌های الکتریکی باید به اندازه کافی سفت باشد تا بتواند در مقابل صفحه داخلی شکاف منبسط‌شده، بدون شکستن تا بخورد و نیز باید لبه شکاف در مقابل ورقه ورقه شدن، ارتعاش، تأثیر شیمیایی روغن جلای به کار رفته و جذب رطوبت مقاومت کند. برآمدگی سیم‌پیچ باید در قبال فرسودگی، مقاومت زیاد و یا ضریب اصطکاک کمی داشته باشد.

رفتارهای گرمایی ماده­ عایق

در به‌کارگیری بسیاری از عایق‌ها به مواد ی نیاز است که در دماهای بالا منبسط نشوند. معمولاً ویژگی‌های فیزیکی مواد با افزایش دما تغییر می‌کند. نیروی کششی در عایق‌ها نباید به نقطه‌ای برسد که باعث تغییر شکل و فرسودگی بیش از اندازه آن­ها شود. همچنین دمای عملکرد یک ماده عایق از نوع ترمو­پلاستیک نباید به دمای ذوب آن برسد( حتی برای یک مدت زمان کوتاه). وقتی مواد عایق برای مدت طولانی در معرض حرارت قرارمی‌گیرند، ترکیب شیمیایی آن‌ها تغییر می‌کند و تخریب می‌شوند. بنابراین می‌توان گفت که مدت زمان عمل‌کرد عایق با دمای مطلق آن عایق نسبت عکس دارد.

رفتار شیمیایی

محیط بر روی رفتار شیمیایی عایق اثر­گذار است. معمولاً این محیط همان هوای حامل رطوبت است. اکسیژن موجود در هوا قادر است عایق را به گونه‌ای اکسید کند که به شکل زیان‌آوری ویژگی‌های فیزیکی آن از بین برود. همچنین می‌تواند باعث تخریب بعضی از عایق‌ها شود. به علاوه اثرات تخریبی روی سطح عایق باعث پایین آمدن مقاومت عایق می­ شود.

خصوصیات الکتریکی

از مهم‌ترین خصوصیت‌های هر عایق، مقاومت الکتریکی آن است. مقاومت الکتریکی عایق‌ها بر حسب حداکثر شدت میدان الکتریکی قابل تحمل توسط آن‌ها سنجیده می‌شود و معمولاً بر حسب KV/cm بیان می‌گردد. بنابراین ولتاژ شکست هر عایق به ضخامت آن بستگی دارد.

عوامل اقتصادی

یکی از عوامل مؤثر در طراحی عایق‌ها، طرح سیستمی است که بهترین عمل‌کرد را به ازای قیمت مناسب داشته باشد. البته این موضوع به معنای تلاش برای کم کردن قیمت‌ها در واحد وزن برای سیستم های عایق‌کاری و تجهیزات آن نیست. اگر با صرف هزینه بیشتری برای یک یا چند قطعه در سیستم بتوان ابعاد سیستم را کاهش داد، عاقلانه‌تر است که از عایق‌های گران‌تر استفاده شود.

کابل‌ بر پایه­ پلی‌اتیلن اتصال عرضی شده^[۵]

در سال ۱۹۵۳ برای نخستین بار کابل خشک با عایق پلی‌اتیلن اتصال عرضی شده در کارخانه « جنرال الکتریک » ساخته شد. پلی‌اتیلن پلیمری نیمه بلورین است که دارای ویژگی‌های الکتریکی خوب مانند ضریب دی الکتریک پایین، اتلاف دی الکتریکی پایین و استحکام عایق بالا به همراه خصوصیات دیگری چون انعطاف‌پذیری، مقاومت در برابر مواد شیمیایی، فرایند پذیری خوب و قیمت ارزان است. این خصوصیات آن را گزینه‌ی مناسبی برای عایق سازی کابل‌های قدرت می‌کند و این در حالی است که عیب عمده‌ی آن دمای ذوب پایین آن است. این عیب دمای عملیاتی را به^◦C 75 محدود می‌کند. برای بهبود این خصوصیت، پلی‌اتیلن اتصال ‌عرضی می‌شود. ایجاد اتصالات عرضی، دمای بیشینه عملیاتی را تا ^◦C 90 و دمای اضطراری را تا ^◦C 130 و بیشینه دمای اتصال کوتاه را تا ^◦C 250 بالا می‌برد. ایجاد اتصالات عرضی همچنین استحکام ضربه‌ای، پایداری ابعادی، استحکام کششی، خصوصیات حرارتی و مقاومت شیمیایی را بالا برده و خصوصیات الکتریکی، پیری و مقاومت در برابر حل شدن پلی‌اتیلن را بهتر می‌کند.
کابل‌هایXLPE با پیشینه‌ای نزدیک به چهل سال ساخت و کاربرد به استانداردهای بالایی دست‌یافته‌اند و با نام‌های بازرگانی گوناگونی در بسیاری از کارخانه‌های جهان ساخته می‌شوند. به طوری که امروزه کاربران مختلف، کابل‌های XLPE را تا ولتاژ حتی بیشتر از ۵۰۰ کیلوولت با اطمینان خاطر به کار می‌برند.
یکی از راه‌های تقویت خواص یک ماده‌ی پلیمری افزودن پرکننده‌های مختلف و رسیدن به خواص مطلوب است. این فناوری علاوه بر بهبود خواص مکانیکی، شیمیایی، فیزیکی و حرارتی، از نظر اقتصادی نیز مورد توجه است.

کامپوزیت‌های پلیمری

کامپوزیت‌ها از ترکیب و اختلاط فیزیکی دو یا چند ماده حاصل می‌شوند تا یک سیستم چند فازی را ایجاد نمایند که دارای خواص متفاوتی از مواد اولیه تشکیل دهنده باشد. از سال ۱۹۶۰ میلادی، کامپوزیت‌های پلیمری یکی از شاخه‌های تحقیقاتی در علم مواد به حساب آمده و پس از آن کامپوزیت‌های پلیمری متنوعی ساخته شد [۱].
در کامپوزیت‌ها عمدتاً سه فاز متمایز وجود دارد که این فازها تعیین‌کننده خواص کامپوزیت هستند. این سه فاز، ماتریس(فاز پیوسته)، تقویت‌کننده(فاز ناپیوسته) و لایه مرزی بین آن‌ها را شامل می­شوند. در کامپوزیت نقش فاز تقویت‌کننده، حمل تنش وارد شده به ماده است . فاز پیوسته عهده‌دار حفاظت از ماده تقویت‌کننده در برابر عوامل محیطی و انتقال بار به فاز تقویت‌کننده است. اما نقشی که لایه مرزی میان این دو فاز بر عهده دارد بسیار بااهمیت بوده و تأثیر زیادی بر خواص نهایی کامپوزیت دارد. در حقیقت انتقال تنش از ماتریس به ماده تقویت‌کننده از طریق این حد فاصل صورت می‌گیرد. بنابراین قوی یا ضعیف بودن این حد فاصل نه تنها بر خواص مکانیکی، بلکه بر خواص فیزیکی مانند دمای انتقال شیشه‌ای، پایداری حرارتی و حتی بر خواص الکتریکی تأثیرگذار خواهد بود.به طور کلی ماده تقویت‌کننده صرف‌نظر از نوع آن می‌تواند به سه شکل ذره‌ای، صفحه‌ای و یا لیفی وجود داشته باشد که هر کدام خصوصیت ویژه‌ای را به کامپوزیت می­بخشد [۱,۲].
عموماً خواص حاصل‌شده از کامپوزیت‌ها به مواردی بستگی دارد همچون:
خواص فازهای تشکیل‌دهنده
توزیع فازها
اثر متقابل فازها بر یکدیگر
ابعاد و شکل ماده تقویت‌کننده و همچنین توزیع این مواد در فاز پیوسته
در کامپوزیت‌های پرشده با مواد تقویت‌کننده‌ای که به شکل صفحه‌ای یا لیفی می‌باشند، جهت‌گیری ذرات به شدت بر خواص کامپوزیت به خصوص خواص مکانیکی تأثیر می‌گذارد درحالی‌که در کامپوزیت‌های تقویت‌شده با مواد پر کننده‌ای که به صورت ذرات کروی شکل می‌باشند، خواص به جهت قرارگیری ذرات بستگی ندارد. از دلایل عمده‌ برای استفاده از پرکننده‌های ذره‌ای، کاهش قیمت محصول و بهبود فراورش است [۳].
در سال‌های اخیر بررسی‌های مختلف نشان داده است که با وارد کردن مقدار کمی از پرکننده با ابعاد نانو متری (که عمدتاً معدنی می‌باشند) می‌توان به خواص بالاتری دست یافت.از آن‌جا که حضور نانو ذرات در ماتریس پلیمری موجب بهبود خواص الکتریکی نیز می‌شود، با بهره گرفتن از نانو کامپوزیت‌ها می‌توان عایق‌های الکتریکی مناسبی را تولید کرد.

نانو کامپوزیت‌های پلیمری

در اوایل ۱۹۸۰ دانشمندان دریافتند که تفاوت قابل توجهی میان خواص مواد معمولی و مواد جدیدی که دارای ابعاد نانومتری هستند وجود دارد. بنابراین پیش‌بینی شد که کامپوزیت‌های دارای نانو ذرات بسیار متفاوت از کامپوزیت‌های معمولی که دارای مواد پرکننده‌ای در ابعاد میکرو و یا بزرگ‌تر از آن هستند، عمل کنند. به همین دلیل درسی سال اخیر توجه شایانی به تهیه و بررسی خواص نانو کامپوزیت‌های پلیمری جلب شده است [۱].
اگرچه نانو ذرات قادر به ایجاد خواص فوق‌العاده و قابل‌توجهی در مقایسه با آنچه که از ذرات میکرو و یا درشت‌تر از آن حاصل می‌شود، هستند اما همواره با مشکلات توزیع و پایداری نیز مواجه می‌باشند که این امر به دلیل سطح بسیار زیاد و فعال این ذرات است که موجب تمایل شدید آن‌ها به تشکیل اجتماعات کوچک و کلوخه ای شدن می‌شود [۲]. از این رو یکی از چالش‌هایی که همواره در کامپوزیت‌ها مورد بررسی قرار می‌گیرد توزیع یکنواخت نانو ذرات در ماتریس است به طوری که مانع از اجتماع و کلوخه­ای شدن آن‌ها شود. بنابراین مرحله اضافه کردن ذرات نانو به ماتریس و مخلوط کردن مواد از اهمیت زیادی برخوردار است.

فصل دوم
مروری بر مطالعات انجام‌ شده

در این فصل پس از بیان شرح مختصری از تاریخچه تولید پلی‌اتیلن و فرایند ایجاد اتصالات عرضی در آن به تعریف نانو کامپوزیت­ها، روش­های ساخت و تحلیل آن­ها پرداخته می‌شود. در آخر هم مطالبی راجع به عایق­های الکتریکی پلیمری آورده شده است.

پلی­اتیلن

معرفی پلی‌اتیلن

پلی‌اتیلن یکی از ساده‌ترین و ارزان‌ترین پلیمرهاست که از پلیمریزاسیون اتیلن به دست می‌آید.
مولکول اتیلن (C₂H₄) دارای یک باند دوگانه C=C است. در فرایند پلیمریزاسیون باند دوگانه هر یک از منومرها شکسته شده و به جای آن پیوند ساده‌ای بین اتم‌های کربن ایجاد می‌شود و محصول ایجادشده یک درشت ‌مولکول است.

تاریخچه تولید پلی‌اتیلن

پلی‌اتیلن اولین بار به طور اتفاقی توسط شیمیدان آلمانی ” هانس وان پچمانو^[۶]” سنتز شد. او در سال ۱۸۹۸ هنگام حرارت دادن دی آزومتان، ترکیب مومی شکل سفیدی را سنتز کرد که بعدها پلی‌اتیلن نام گرفت. اولین روش سنتز صنعتی پلی‌اتیلن به طور تصادفی توسط شیمیدان‌های ICI در ۱۹۳۳ کشف شد. این دانشمندان با حرارت دادن مخلوط اتیلن و بنزالدئید در فشار بالا ، ماده‌ای موم‌ مانند به دست آوردند.
علت این واکنش وجود ناخالصی‌های اکسیژن‌دار در دستگاه‌های مورد استفاده بود که به عنوان ماده آغازگر پلیمریزاسیون عمل کرده بود. در سال ۱۹۳۵ یکی دیگر از دانشمندان ICI این روش را توسعه داد و تحت فشار بالا پلی‌اتیلن را سنتز کرد که این روش اساسی برای تولید صنعتیLDPE در سال ۱۹۳۹ شد.
اتفاق مهم در سنتز پلی‌اتیلن، کشف چندین کاتالیزور جدید بود که پلیمریزاسیون اتیلن را در دما و فشار ملایم‌تری نسبت به روش‌های دیگر امکان‌پذیر می‌کرد. اولین کاتالیزور کشف شده در این زمینه تری اکسید کروم بود که در سال ۱۹۵۱ ،توسط شرکت فیلیپس پترولیوم کشف شد. در سال ۱۹۵۳، یک شیمیدان آلمانی سیستم‌های کاتالیزوری شامل هالیدهای تیتان و ترکیبات آلومینیوم‌دار را توسعه داد. این کاتالیزورها در شرایط ملایم‌تری نسبت به کاتالیزورهای فیلیپس قابل‌استفاده بودند و همچنین پلی‌اتیلن تک آرایش (با ساختار منظم) تولید می‌کردند. سومین نوع سیستم کاتالیزوری استفاده از ترکیبات متالوسن بود که در سال ۱۹۷۶ در آلمان تولید شد. کاتالیزورهای زیگلر و متالوسن از لحاظ کارکرد بسیار انعطاف‌پذیر هستند و در فرایند کوپلیمریزاسیون اتیلن با سایر اولفین‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. پس از آن کاتالیزوری از خانواده متالوسن‌ها با قابلیت استفاده بالا برای پلیمریزاسیون پلی‌اتیلن به نام زیرکونوسن دی کلرید ساخته شد که امکان تولید پلیمر با ساختار بلوری(تک آرایش) را می‌دهد. همچنین نوع دیگری از کاتالیزورها به نام کمپلکس ایمینو فتالات با فلزات گروه ششم نیز مورد توجه قرار گرفته اند که کارکرد بالاتری نسبت به متالوسن‌ها نشان می‌دهند [۴].

انواع پلی‌اتیلن

طبقه‌بندی پلی‌اتیلن‌ بر اساس دانسیته آن صورت می‌گیرد که در اندازه زنجیر پلیمری ، نوع و تعداد شاخه‌های موجود در زنجیر تفاوت ایجاد می‌کند.
پلی‌اتیلن با دانسیته بالا^[۷]
این پلی‌اتیلن دارای زنجیر پلیمری بدون شاخه است بنابراین نیروی بین مولکولی در زنجیرها بالا و استحکام کششی آن بیشتر از بقیه پلی‌اتیلن‌ها است. شرایط واکنش و نوع کاتالیزور مورد استفاده در تولید پلی‌اتیلن HDPE موثر است. برای تولید پلی‌اتیلن بدون شاخه معمولاً از روش پلیمریزاسیون با کاتالیزور زیگلر- ناتا استفاده می‌شود.