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>

Für die Luftqualitätsbewertung in Städten sind Informationen zur raumzeitlichen Variabilität luftgetragener Feinstäube auf kleiner Skala von wichtiger Bedeutung. Standardisierte Messverfahren, zur Bestimmung von Partikelkonzentrationen, sind mit hohem Aufwand verbunden, weshalb dichte Messnetze fehlen. Partikelausbreitungsmodelle sind kompliziert in der Anwendung und/oder benötigen hohe Computerrechenleistung. Infolgedessen gibt es bezüglich örtlicher Partikelkonzentrationen große Informationslücken. Diese Arbeit untersucht die mikroskalige Variabilität von Aerosolen in Raum und Zeit mit unterschiedlichen Methoden. Es wurden Erhebungen mit mobilen Sensoren und eine Passantenbefragung durchgeführt. Weiterhin wurden in dieser Arbeit die physikalischen Partikeltransportmodelle ENVI-met und Austal2000 in ihrer Leistung bewertet und in angewandten Studien eingesetzt. Weiterhin wurde ein neuronales Netzwerk zur Vorhersage von Partikelkonzentrationen entwickelt. Die Untersuchungen erfolgten in den Städten Aachen und Münster. Es konnten unerwartete Verteilungsmuster hinsichtlich der Massekonzentration von Partikeln beobachtet werden. In einem innerstädtischen Park wurden diffuse Partikelquellen identifiziert, mit einem deutlichen Hinweis darauf, dass feuchtgelagerte Wegedecken einen maßgeblichen Anteil an lokalen Partikelimmissionen hatten. Weiterhin wurde Straßenverkehr als wichtiger Beitrag zum städtischen Aerosol identifiziert. Passanten, die verschiedenen Partikelkonzentrationen ausgesetzt waren, konnten diese perzeptiv nicht unterscheiden. Simulationsergebnisse von Austal2000 und ENVI-met wiesen Unterschätzungen im Vergleich zu Messwerten auf. Das entwickelte neuronale Netzwerk prognostizierte Partikelkonzentrationen teilweise mit hoher Genauigkeit. Das große Potenzial von neuronalen Netzen für die Vorhersage von Partikelkonzentrationen in räumlicher und zeitlicher Ausdehnung, auch für den Bereich der Luftqualitätsüberwachung, wurde aufgezeigt. / Knowledge about the micro-scale variability of airborne particles is a crucial criterion for air quality assessment within complex terrains such as urban areas. Due to the significant costs and time consumption related to the work required for standardized measurements of particle concentrations, dense monitoring networks are regularly missing. Models that simulate the transmission of particles are often difficult to use and/or computationally expensive. As a result, information regarding on-site particle concentrations at small scales is still limited. This thesis explores the micro-scale variability of aerosol concentrations in space and time using different methods. Experimental fieldwork, including measurements with mobile sensor equipment alongside a survey, and modeling approaches were conducted. Applied simulation studies, a performance assessment of two popular particle dispersion models, namely Austal2000 and ENVI-met, as well as the development of an ANN model are presented. The cities of Aachen and Münster were chosen as case studies for this research. Unexpected patterns of particle mass concentrations could be observed, including the identification of diffuse particle sources inside a park area with strong evidence that unpaved surfaces contributed to local aerosol concentration. In addition, vehicle traffic was proved to be a major contributor of particles, particularly close to traffic lanes. Results of the survey reveal that people were not able to distinguish between different aerosol concentration levels. Austal2000 and ENVI-met turned out to have room for improvement in terms of the reproduction of observed particle concentration levels, with both models having a tendency toward underestimation. The newly developed ANN model was confirmed to be a fairly accurate tool for predicting aerosol concentrations in both space and time, and demonstrates the principal ability of the approach also in the domain of air quality monitoring.