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. / <p>QC 20160829</p>

Since its first introduction in 1998, extruded direct current (DC) cable technology has been growing rapidly leading to many cable system installations with operation voltages up to 320 kV. Cable manufacturers invest heavily on technology development in this field and today extruded DC cable systems for operation voltages as high as 525 kV are commercially available. The electrical field distribution in electrical insulation under DC voltage is mainly determined by the conduction physics, therefore a good understanding of the DC conduction is necessary. In case of Cross-linked Polyethylene (XLPE) insulation, the presence of the peroxide decomposition products (PDP) is believed to influence its electrical properties. The PDP are volatile and therefore they may diffuse out of the samples during sample preparation and testing. Besides, the morphology of the XLPE is known to evolve over time even at moderate temperatures. Since the material may change during preparation, storage and even measurement, the procedure during all stages of the study should be chosen carefully. In this work, the physics of the dielectric response and conduction in XLPE is briefly discussed. The existing measurement techniques relevant to characterization of DC conduction in XLPE insulation materials are reviewed. The procedure for high field DC conductivity measurement is evaluated and recommendations for obtaining reproducible results are listed. Two types of samples are studied, i.e. thick press molded samples and thick plaque samples obtained from the insulation of in-factory extruded cables. For press molded samples, the influence of the press film used during press molding and the effect of heat-treatment on the electrical properties of XLPE and LDPE are studied. High field DC conductivity of XLPE plaque samples is measured with a dynamic electrode temperature to simulate the standard thermal cycles. Investigations show that using PET film during press molding leads to higher apparent DC conductivity and dielectric losses when compared to using aluminum foil. The influence of heat-treatment is different depending on the press film. High field DC conductivity measurements and chemical composition measurement of samples obtained from the cable insulation are in good agreement with the results obtained from the full scale measurements. Finally a non-monotonic dependence of apparent DC conductivity to temperature of some samples pressed with PET film is discovered which to the author’s best of knowledge has not been previously reported in the literature. / Sedan det första införandet i 1998 har extruderad likspänning (DC) kabeltekniken vuxit snabbt och har lett till många existerande kabelsysteminstallationer med driftspänningar upp till 320 kV. Kabeltillverkare investerar kraftigt i teknikutveckling inom detta område och idag finns extruderade DC kabelsystemen tillgängliga för driftspänningar så höga som 525 kV. Elektrisk fältfördelning i isolationsmaterial under hög DC spänning, beror framförallt på materialets elektriska ledningsfysik, därför är en bra förståelse av DC ledningsförmåga nödvändig. Isolationsmaterial av tvärbunden polyeten (PEX) innehåller tvärbindningsrestgaser som tros påverka materialets elektriska egenskaper. Restgaserna är flyktiga och kan diffundera bort från proven under preparering och mätning, även under måttliga temperaturer. PEX materialets morfologi ändras även med tiden. Med tanke på att materialet kan ändras under provpreparering, lagring och även vid mätning, så måste samtliga steg ovan väljas mycket försiktigt. I detta arbete diskuteras grundläggande fysik för dielektrisk polarisering och ledningsförmåga i PEX-isolation tillsammans med granskning av existerande mätteknik relevant för karakterisering av ledningsförmåga i PEX. Procedurer för mätning av DC ledningsförmåga under höga elektriska fält är undersökta och rekommendationer för reproducerbar mätningar är framtagna. Två typer av prover är studerade, tjocka pressade plattor och tjocka plattor som ursvarvats från kommersiell tillverkade högspänningskablar. För pressade plattor, studerades effekten utav press-filmens påverkan på de elektriska egenskaperna hos PEX och LDPE. Påverkan av värmebehandling på DC ledningsförmåga av PEX plattor studerades också. Slutligen studerades DC ledningsförmåga av PEX och LDPE plattor under höga DC fält och med dynamisk temperatur på elektroderna med syftet att efterlikna standardvärmecyklingar. Undersökningarna visade att användningen av PET filmer under pressning av plattor ledde till högre DC ledningsförmåga och högre dielektriska förluster i proven i jämförelse med användning av aluminiumfolie. Påverkan utav värmebehandling är olika beroende på typ av film som används pressningen. Det finns en stark korrelation mellan resultaten från DC konduktivitet och kemisk komposition mätningar från plattor skaffat från kabelisolation och resultaten från fullskaliga kabelmätningar. Slutligen, upptäcktes ett icke monotont beroende av DC konduktivitet hos PEX och LDPE plattor på temperatur som tidigare inte rapporterats i litteraturen. / <p>QC 20160125</p>

Nanocomposites of polyethylene and metal oxide nanoparticles have shown to be a feasible approachto the next generation of insulation in high voltage direct current cables. In order to reach an operationvoltage of 1 MV new insulation materials with reduced conductivity and increased breakdown strengthas compared to modern low-density polyethylene (LDPE) is needed.In this work polyethylene MgO nanocomposites for electrical insulation has been produced andcharacterized both from an electrical and material perspective. The MgO nanoparticles weresynthesized into polycrystalline nanoparticles with a large specific surface area (167 m2 g–1). Meltprocessing by extrusion resulted in evenly dispersed MgO nanoparticles in LDPE for the silane surfacemodified MgO as compared to the unmodified MgO. All systems showed a reduction in conductivityby up to two orders of magnitude at low loading levels (1–3 wt.%), but where the surface modifiedsystems were able to retain reduced conductivity even at loading levels of 9 wt.%. A maximuminteraction radius to influence the conductivity of the MgO nanoparticles was theoretically determinedto ca. 800 nm. The interaction radius was in turn experimentally observed around Al2O3 nanoparticlesembedded in LDPE using Intermodulation electrostatic force microscopy. By applying a voltage on theAFM-tip charge injection and extraction around the Al2O3 nanoparticles was observed, visualizing theexistence of additional localized energy states on, and around, the nanoparticles. Ptychography wasused to reveal nanometre features in 3D of electrical trees formed under DC-conditions. Thevisualization showed that the electrical tree grows by pre-step voids in front of the propagatingchannels, facilitating further growth, much in analogy to mechanical crack propagation (Griffithconcept). An electromechanical effect was attributed as possible mechanism for the formation of the voids. / Nanokompositer av polyeten och metalloxidpartiklar anses vara möjliga material att använda i morgondagens isolationshölje till högspänningskablar för likström. För att nå en transmissionsspänning på 1 MV behövs isolationsmaterial som i jämförelse med dagens polyeten har lägre elektrisk ledningsförmåga, högre styrka mot elektriskt genomslag och som kan kontrollera ansamling av rymdladdningar. De senaste årens forskning har visat att kompositer av polyeten med nanopartiklar av metalloxider har potential att nå dessa egenskaper. I det här arbetet har kompositer av polyeten och nanopartiklar av MgO för elektrisk isolation producerats och karaktäriserats. Nanopartiklar av MgO har framställts från en vattenbaserad utfällning med efterföljande calcinering, vilket resulterade i polykristallina partiklar med en mycket stor specifik ytarea (167m2 g-1). MgO-nanopartiklarna ytmodifierades i n-heptan genom att kovalent binda oktyl(trietoxi)silan och oktadekyl(trimetoxi)silan till partiklarna för att skapa en hydrofob och skyddande yta. Extrudering av de ytmodifierade MgO nanopartiklarna tillsammans med polyeten resulterade i en utmärkt dispergering med jämnt fördelad partiklar i hela kompositen, vilket ska jämföras med de omodifierade partiklarna som till stor utsträckning bildade agglomerat i polymeren. Alla kompositer med låg fyllnadsgrad (1–3 vikt% MgO) visade upp till 100 gånger lägre elektrisk konduktivitet jämfört med värdet för ofylld polyeten. Vid högre koncentrationer av omodifierade MgO förbättrades inte de isolerande egenskaperna på grund av för stor andel agglomerat, medan kompositerna med de ytmodifierade fyllmedlen som var väl dispergerade behöll en kraftig reducerad elektrisk konduktivitet upp till 9 vikt% fyllnadshalt. Den minsta interaktionsradien för MgO-nanopartiklarna för att minska den elektriska konduktiviten i kompositerna fastställdes med bildanalys och simuleringar till ca 800 nm. Den teoretiskt beräknade interaktionsradien kompletterades med observation av en experimentell interaktionsradie genom att mäta laddningsfördelningen över en Al2O3-nanopartikle i en polyetenfilm med intermodulation (frekvens-mixning) elektrostatisk kraftmikroskop (ImEFM), vilket är en ny AFM-metod för att mäta ytpotentialer. Genom att lägga på en spänning på AFM-kantilevern kunde det visualiseras hur laddningar, både injicerades och extraherades, från nanopartiklarna men inte från polyeten. Det tolkades som att extra energinivåer skapades på och runt nanopartiklarna som fungerar för att fånga in laddningar, ekvivalent med den gängse tolkningen att nanopartiklar introducera extra elektronfällor i den polymera matrisen i nanokompositer. Nanotomografi användes för att avbilda elektriska träd i tre dimensioner. Avbildningen av det elektriska trädet visade att tillväxten av trädet hade skett genom bildning av håligheter framför den framväxande trädstrukturen. Håligheterna leder till försvagning av materialet framför det propagerande trädet och förenklar på det sättet fortsatt tillväxt. Bildningen av håligheter framför trädstrukturen uppvisar en analogi till propagering av sprickor vid mekanisk belastning, i enlighet med Griffiths koncept. / <p>QC 20161006</p>