The synthesis, surface modification and use of metal-oxide nanoparticles in polyethylene for ultra-low transmission-loss HVDC cable insulation materials

Polyethylene composites which contain low concentrations of metal-oxide nanoparticles e.g. ZnO and MgO are emerging materials for the use in insulations of extruded high-voltage direct-current (HVDC) cables. The challenge in the development of the composites with ultra-low electrical conductivity is to synthesize uniform and high-purity metal-oxide nanoparticles, which are functionalized with hydrophobic groups in order to make them compatible with polyethylene. The thesis reports different approaches to prepare this new generation of insulation materials. Different reaction parameters/conditions – zinc salt precursor, precursor concentrations and reaction temperature – were varied in order to tailor the size and morphology of the ZnO nanoparticles. It was shown that different particle sizes and particle morphologies could be obtained by using different zinc salt precursors (acetate, nitrate, chloride or sulphate). It was shown that 60 °C was a suitable reaction temperature in order to yield particles with different morphologies ranging from nano-prisms to flower-shaped superstructures. For removal of reaction residuals from the particles surfaces, a novel cleaning method based on ultrasonication was developed, which was more efficient than traditional water-replacement cleaning. After cleaning, the presence of one atomic layer of zinc-hydroxy-salt complex (ZHS) on the nanoparticle surfaces was suggested by thermogravimetry and infrared spectroscopy. A method involving three steps – silane coating, heat treatment and silica layer etching – was used to remove the last trace of the ZHS species from the nanoparticle surface while preserving its clean and active hydroxylated surface. The surface chemistry of these nanoparticles was further tailored from hydroxyl groups to hydrophobic alkyl groups with different lengths by reactions involving methyltrimethoxysilane (C1), octyltriethoxysilane (C8) and octadecyltrimethoxysilane (C18). MgO nanoparticles were prepared by aqueous precipitation of Mg(OH)2 followed by a partial transformation to MgO nanoparticles via heat treatment at 400 °C. The surface regions of the MgO nanoparticles convert into a hydroxide phase in humid media. A novel method to obtain large surface area MgO nanoparticles with a remarkable inertness to humidity was also presented. The method involved three steps: (a) thermal decomposition of Mg(OH)2 at 400 °C; (b) silicone oxide coating of the nanoparticles to prevent inter-particle sintering and (c) a high temperature heat treatment at 1000 °C. These MgO nanoparticles showed essentially no sign of formed hydroxide phase even after extended exposure to humid air. The functionalized metal-oxide nanoparticles showed only a minor adsorption of phenolic antioxidant, which is important in order to obtain nanocomposites with an adequate long-term stability. Tensile testing and scanning electron microscopy revealed that the surface-modified metal-oxide nanoparticles showed improved dispersion and interfacial adhesion in the polyethylene matrix with reference to that of unmodified metal-oxide nanoparticles. The highly “efficient” interfacial surface area induced by these modified nanoparticles created the traps for charge carriers at the polymer/particle interface thus reducing the DC conductivity by more than 1 order of magnitude than that of the pristine polyethylene.Polyetenkompositer med mycket låga halter av ZnO och MgO metalloxid nanopartiklar är en växande kategori material för användning som isolering av extruderade kablar avsedda för likriktad högspänning. En utmaning i utvecklingen av dessa material kan relateras till den praktiska kompositframställningen, vilken innefattar framställning av högrena metalloxid nanopartiklar som ytmodifieras med hydrofoba molekylstrukturer för att möjliggöra blandning med den hydrofoba polyetenplasten. Denna avhandling behandlar olika metoder för att framställa denna generation av isoleringsmaterial. Vid syntesen av de rena nanopartiklarna krävdes optimering av ett antal olika reaktionsparametrar för att uppnå tillfredställande slutresultat i form av partikelstorlekar och partikelmorfologier. Dessa inkluderade val av zinksalt, zinksaltkoncentration vid utfällning, samt reaktionstemperatur vid framställningen. Experimenten avslöjade att olika partikelstorlekar och partikelmorfologier kunde framställas som endast korrelerat mot källan av zinkjonerna, och berodde av vilka motjoner som zinkatomerna haft i zinksaltet (acetat, nitrat, klorid eller sulfat). Optimering av reaktionstemperaturen visade att ca 60 °C utgjorde en lämplig start för utvärdering av synteserna, som resulterade i olika partikelmorfologier i form av pyramidformade nanopartiklar till blomformationer. Utöver de specifika reaktionsparametrarna utvecklades även en ny ultrasonikeringsmetod för att rena ytorna hos partiklarna från motjoner relaterade till de valda specifika salterna. Metodiken som visade sig avsevärt mer effektiv än sedvanlig rening att utfällda nanopartiklar via repetitivt vattenutbyte, och skapade förutsättningar etablering av kolloidal stabilitet och fragmentering av aggregat i vattensuspensionerna. Efter ultrasonikeringsreningen beräknades de kvarvarande zinkhydroxidsalterna (ZHS) utgöra endast ett atomlager ZHS utifrån termogravimetriska data kompletterade med infraröd spektroskopi. En metod att eliminera de kvarvarande ZHS-komplexen från ytan av partiklarna tillämpades/utvecklades, inkluderade ytbeläggning av partiklarna med silan, följt av värmebehandling samt etsning av den resulterande kiseloxidytan, för att uppnå en ren hydroxylyta på partiklarna. Ytkemin hos dessa partiklar modifierades från att bestå av hydroxylgrupper till att utgöras av hydrofoba alkylgrupper med olika längder relaterade metyltrimetoxysilan (C1), oktyltrietoxysilan (C8), eller oktadekyltrimetoxysilan (C18). Även MgO nanopartiklar framställdes via vattenutfällning av Mg(OH)2 partiklar, vilka omvandlades till MgO nanopartiklar via en lågtemperatur värmebehandling vid 400°C. Ytan av dessa partiklar omvandlades dock till hydroxid i fuktig miljö. En ny metod att bibehålla den stora ytarean av MgO nanopartiklarna med anmärkningsvärd motståndskraft mot att omvandlas till hydroxid utvecklades således. Metoden består av (a) en låg temperatur omvandling av Mg(OH)2, (b) en kiseloxidytbehandling av nanopartiklarna för att undvika partikelsintring vid högre temperaturer och (c) en hög temperaturbehandling vid 1000 °C. De framställda partiklarna uppvisade ingen anmärkningsvärd känslighet mot luftfuktighet och bibehöll MgO sammansättningen efter exponering mot fukt. De modifierade metalloxid nanopartiklarna visade mycket liten adsorption av fenoliska antioxidanter, vilket medförde en långtidsstabilitet hos polyeten nanokompositerna. De ytmodifierade metalloxidpartiklarna visade även förbättrade möjligheter för dispergering och yt-kompatibilitet med/i polyetenmatrisen i jämförelse med omodifierade metalloxidpartiklar, utifrån mätningar baserade på dragprovning och svepelektronmikroskopi. Slutligen, de utvecklade ytorna på de modifierade nanopartiklarna skapade ett polymer/nanopartikel gränssnitt som kunder fungera som laddningsansamlingsområden i nanokompositerna, vilket resulterade i en storleksordning minskad ledningsförmåga hos kompositerna jämfört med den rena polyetenen.QC 20160829