Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm lên tính chất điện môi của vật liệu composite dùng trong máy biến áp điện lực

Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án Vật liệu composite là loại vật liệu mới ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành khoa học kỹ thuật và công nghiệp tiên tiến

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả trong luận án này là độc lập và lần đầu tiên được công bố ở Việt Nam

Hà Nội, ngày 14 tháng 04 năm 2011

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Hữu Kiên

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành bản luận án này nghiên cứu sinh vô cùng biết ơn sự hướng dẫn, chỉ đạo và tận tình giúp đỡ của PGS.TS Trần Văn Tớp, PGS.TS Nguyễn Đình Thắng bộ môn Hệ thống điện - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Nghiên cứu sinh xin bày tỏ sự biết ơn của mình tới TS Phạm Hồng Thịnh, KS Đinh Quốc Trí bộ môn Hệ thống điện - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; PGS Bùi Chương và các chuyên viên – Trung tâm nghiên cứu vật liệu Polyme - Trường Đại học Bách khoa

Hà Nội; TS Nguyễn Đức Hoàng, Ths Vũ Thanh Hải - phòng Nghiên cứu Kỹ thuật điện cao áp và vật liệu cách điện - Viện Năng lượng, đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện để thực hiện bản luận án này

Nghiên cứu sinh rất mong nhận được sự bổ sung, góp ý hoàn thiện nội dung

từ các thầy cô giáo, các chuyên gia, bạn bè đồng nghiệp nhằm nâng cao tính khả dụng của luận án này

MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA Error! Bookmark not defined

LỜI CAM ĐOAN 2

LỜI CẢM ƠN 3

MỤC LỤC 4

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 8

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 9

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 10

MỞ ĐẦU 12

1 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án 12

1.1 Mục đích nghiên cứu 14

1.2 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu 14

2 Lý do chọn đề tài 15

2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước .15

2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 16

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 18

3.1 Ý nghĩa khoa học 18

3.2 Ý nghĩa thực tiễn 19

4 Mục tiêu của luận án 19

5 Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án 19

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ VLC VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VLC NỀN NHỰA EPOXY DÙNG TRONG CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN CAO ÁP 21

1.1 Các tính chất điện môi của vật liệu cách điện 21

1.1.1 Điện dẫn (conduction) 21

1.1.2 Phân cực điện môi (Polarisation) 23

1.1.3 Tổn hao điện môi (Dielectric Loss) 24

1.1.4 Hiện tượng đánh thủng (Breakdown) 24

1.2 Cấu tạo và và phân loại điện môi hữu cơ 25

1.3 Nhựa cách điện 27

1.4 Sơn và các hợp chất cách điện 28

1.5 Vật liệu xơ 30

1.6 Điện môi vô cơ 33

1.7 Cấu tạo và tính chất của vật liệu composite 34

1.7.1 Cấu tạo và tính chất lý hoá của nhựa epoxy 37

1.7.1.1 Các tính chất lý học 37

1.7.1.2 Cấu tạo hoá học của nhựa epoxy 39

1.7.1.3 Cơ chế hình thành đóng rắn của nhựa epoxy 40

1.7.2 Cấu tạo và tính chất lý hóa của sợi thủy tinh – khả năng liên kết giữa sợi thủy tinh và nhựa epoxy .42

1.7.2.1 Chất tăng cường (sợi thuỷ tinh) 42

1.7.2.2 Trạng thái ứng suất trên bề mặt tiếp xúc sợi/nhựa 49

1.7.2.3 Ứng suất trên bề mặt tiếp xúc sợi/nhựa 51

1.7.2.4 Khả năng phủ màng của nhựa epoxy 52

1.7.2.5 Ảnh hưởng của môi trường làm việc đến VLC nền epoxy/cốt sợi thuỷ tinh 53

1.8 VLC nền nhựa epoxy cốt sợi thuỷ tinh sử dụng làm cách điện trong MBA .55

1.9 Các phương pháp kỹ thuật cơ bản chế tạo VLC 57

1.10 Kết luận chương 1 58

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH KHUYẾCH TÁN CỦA NƯỚC VÀO VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN COMPOSITE 60

2.1 Đặt vấn đề 60

2.2 Cơ chế của quá trình khuyếch tán nước vào trong vật liệu composite .62

2.3 Mô hình toán học của quá trình khuyếch tán nước 63

2.4 Phương pháp thí nghiệm lão hóa tăng tốc (Accelerated Experiment Method) 68

2.5 Phương pháp ngâm tẩm trong nước 69

2.6 Phương pháp thí nghiệm .70

2.7 Các phương pháp chẩn đoán khi không mang điện ”off-line” 72

2.7.1 Chẩn đoán bằng các tham số không điện từ 72

2.7.2 Chẩn đoán dựa trên quá trình vận hành 72

2.7.3 Đo điện áp hồi phục (return voltage) 73

2.7.4 Đo điện trở cách điện 73

2.7.5 Đo chỉ số phân cực 73

2.7.6 Đo tổn hao điện môi tanδ 73

2.7.7 Đo phóng điện cục bộ (Partial Discharge) 75

2.8 Chẩn đoán khi đang hoạt động “on-line” 75

2.8.1 Đo phóng điện cục bộ (PD) “on-line” 76

2.8.2 Thí nghiệm phát hiện sự cố bằng siêu âm và âm thanh 76

2.8.3 Đo và phân tích nhiệt độ của cách điện bằng hồng ngoại 76

2.9 Phương pháp đo dòng phân cực và khử phân cực 77

2.9.1 Sự phân cực trong điện môi rắn 77

2.9.1.1 Phân cực dưới tác dụng của điện trường tĩnh 77

2.9.1.2 Các dạng phân cực 77

2.9.1.3 Sự phân cực lưỡng cực theo thời gian 79

2.9.2 Sự dẫn điện trong điện môi rắn 81

2.9.3 Quá trình khử phân cực trong điện môi 83

2.10 Phương pháp đo phổ điện môi 85

2.11 Kết luận chương 2 86

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH 88

3.1 Đặt vấn đề 88

3.2 Sơ đồ thí nghiệm 89

3.2.1 Sơ đồ đo dòng phân cực và khử phân cực .89

3.2.2 Sơ đồ đo phổ điện môi 90

3.3.3 Sơ đồ đo điện trở suất 91

3.3 Thiết bị thí nghiệm và đo lường 92

3.4 Kết quả thực nghiệm và phân tích 93

3.4.1 Quá trình chọn và gia công các mẫu thử 93

3.4.2 Tác động của nhiệt độ 95

3.4.3 Tác động của độ dày 102

3.5 Nhận xét 104

3.6 Kết quả đo đạc thực nghiệm 105

3.6.1 Đo điện trở suất 105

3.6.2 Đo đặc tính điện môi 106

3.6.2.1 Góc tổn hao điện môi (tanδ) 107

3.6.2.2 Hằng số điện môi tương đối ε’ và hệ số tổn hao điện môi ε’’ 111

3.6.3 Tác động của độ dày 123

3.6.4 Tác động của nhiệt độ 130

3.6.4.1 Kết quả thực nghiệm và phân tích 130

3.6.4.2 Nhận xét 138

3.7 Kết luận chương 3 138

CHƯƠNG 4 : KẾT LUẬN 140

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 142

TÀI LIỆU THAM KHẢO: 144

PHỤ LỤC 1: ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 151

PHỤ LỤC 2: CÁC BIÊN BẢN THÍ NGHIỆM PHỤC VỤ LUẬN ÁN 153

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

VLC : vật liệu cách điện composite

MBA : máy biến áp điện lực

GIS : Gas Insulated Substation - trạm biến áp cách điện khí

PD : Partial Discharge – Phóng điện cục bộ

FRA : Frequence Response Analysis - Phân tích đáp ứng tần số

PDC : Polarisation and Depolarisation Current - đo dòng phân cực và khử phân cực

MP : mô hình Maggana – Pissis

LFD : Low Frequency Dispersion - phân tán ở tần số thấp

A/D : Analog Digital - chuyển đổi tương tự/số

DP : Degree Polymer - độ polymer hóa

ISO (International Organnization for Standardization): Tổ chức Quốc tế về Tiêu chuẩn hóa

ASTM: American Society for Testing and Materials-Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Hoa Kỳ

IEC (International Electrotechnical Commission): Uỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc tế TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Thành phần hoá học của một vài loại sợi thuỷ tinh

Bảng 1.2: Đặc tính của các loại nhựa tổng hợp điển hình

Bảng 1.3: Tính chất của một số loại sơn cách điện

Bảng 1.4: Các đặc tính cơ của một số loại xơ hữu cơ

Bảng 1.5: Đặc tính kỹ thuật cơ tính và tỷ trọng của sợi thủy tinh loại E

Bảng 3.1: Hàm lượng nước ngấm vào mẫu thử tương ứng với thời gian ngâm tại 3 mức

Bảng 3.8: Giá trị đo hằng số điện môi tương đối ε’ và hệ số tổn hao điện môi ε’’ của vật

liệu với hàm lượng nước (m=0,08; 0,12; 0,15%)

Bảng 3.9: Giá trị đo hằng số điện môi tương đối ε’ và hệ số tổn hao điện môi ε’’ của vật

liệu với hàm lượng nước (cho tới khi bão hoà)

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1: Vùng tiếp giáp giữa các thành phần của VLC nhìn dưới kính hiển vi lực nguyên tử

(kích thước 10µm và 50µm)

Hình 2: Ảnh hưởng của nước lên mặt tiếp giáp của vật liệu composite

Hình 1.1: Mô tả góc tổn hao điện môi

Hình 1.2: Lớp vật liệu composite

Hình 1.3 : Vật liệu composite lớp

Hình 1.4 : Mô hình của vật liệu composite lớp

Hình 1.5: Mô hình đóng rắn của nhựa epoxy

Hình 1.6: Sợi thuỷ tinh quan sát dưới kính hiển vi điện tử

Hình 1.7: Mặt cắt của một hệ thống cách điện trong MBA giữa cuộn dây cao áp và hạ áp Hình 2.1: Lượng nước hoà tan cực đại trong dầu theo nhiệt độ

Hình 2.2 : Mô tả lý thuyết về dung tích trống

Hình 2.3 : Mô tả lý thuyết về phân tử

Hình 2.4 : Cơ chế nhảy của phân tử nước trong ma trận của vật liệu

Hình 2.5: Mô tả sự thay đổi động học khuyếch tán của nước vào vật liệu

Hình 2.6: Đồ thị vectơ dòng và áp của điện môi

Hình 2.7: Các cơ chế phân cực và sự thay đổi của hằng số điện môi theo tần số p e : phân

cực điện tử, p a : nguyên tử, p o : phân cực lưỡng cực và p i : phân cực kết cấu

Hình 2.8: Phân cực theo thời gian dưới tác dụng của điện trường tĩnh

Hình 2.9: Biến thiên của dòng điện dưới tác dụng của điện trường

Hình 2.10: Hình dạng của dòng khử phân cực

Hình 2.10a: Hình dạng của dòng khử phân cực

Hình 2.11: Mô hình cơ bản của chất cách điện và biểu diễn vectơ

Hình 3.1: Nguyên lý cơ bản đo dòng phân cực và khử phân cực

Hình 3.1a: Nguyên lý làm việc của máy đo dòng phân cực và khử phân cực

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý đo phổ điện môi

Hình 3.3: Sơ đồ để xác định điện trở suất khối và điện trở suất mặt của vật liệu

Hình 3.4: Hợp bộ thiết bị thí nghiệm đo đặc tính điện môi của vật liệu

Hình 3.5: Các mẫu gia công để đo đạc cơ chế của việc khuyếch tán nước

Hình 3.6: Mô hình thí nghiệm để đo đạc cơ chế của việc khuyếch tán nước vào VLC Hình 3.7: Cơ chế quá trình khuyếch tán nước của 3 mẫu thử chiều dày 1mm tại nhiệt độ

550C, 850C, 980C và so sánh với định luật Fick

Hình 3.8: Cơ chế khuyếch tán nước của vật liệu với các thời điểm đầu lúc ngâm

Hình 3.9: Hệ số khuyếch tán D trong biểu đồ Arrhenius

Hình 3.10: Biến đổi của 2 phương thức và đóng góp của chúng vào tiến trình khuyếch tán

Hình 3.15: Điện trở suất đo ở thời gian 16 phút theo hàm lượng nước trong vật liệu

Hình 3.16 : Đặc tính của góc tổn hao điện môi tanδ của mẩu thử khô (m=0%)

Hình 3.16a: Tanδ theo tần số tại điện trường khác nhau (mẫu thử khô)

Hình 3.17: Tác động của hàm lượng nước tới 0,15% lên tanδ (m=0; 0,08; 0,12 và 0,15%) Hình 3.17a: tanδ theo tần số tại điện trường khác nhau (mẫu có hàm lượng nước 0,08%) Hình 3.18: Tác động của hàm lượng nước (cho tới khi bão hoà) đối với tanδ

Hình 3.19: Đặc tính của ε’ và ε’’ của vật liệu khô (m=0%)

Hình 3.20: Tác động của hàm lượng nước tới 0,15% lên ε’ và ε’’của vật liệu (m=0; 0,08;

Hình 3.25a: Tác động của độ dày lên hằng số điện môi ε’ của mẫu thử khô

Hình 3.25b: Tác động của độ dày lên hệ số tổn hao điện môi ε’’ của mẫu thử khô

Hình 3.26a: Tác động của độ dày lên hệ số tổn hao điện môi ε’ của mẫu thử 0,08% Hình 3.26b: Tác động của độ dày lên hệ số tổn hao điện môi ε’’ của mẫu thử 0,08% Hình 3.27a: Tác động của độ dày lên hằng số điện môi ε’ của mẫu thử 0,12%

Hình 3.27b: Tác động của độ dày lên hệ số tổn hao điện môi ε’’ của mẫu thử 0,12% Hình 3.28a: Tác động của độ dày lên hằng số điện môi ε’ của mẫu thử 0,15%

Hình 3.28b: Tác động của độ dày lên hệ số tổn hao điện môi ε’’ của mẫu thử 0,15% Hình 3.29a: Tác động của độ dày lên hằng số điện môi ε’ của mẫu thử 0,40%

Hình 3.29b: Tác động của độ dày lên hệ số tổn hao điện môi ε’’ của mẫu thử 0,40% Hình 3.30a: Tác động của độ dày lên hằng số điện môi ε’ của mẫu thử 0,96%

Hình 3.30b: Tác động của độ dày lên hệ số tổn hao điện môi ε’’ của mẫu thử 0,96% Hình 3.31: Tác động của độ dày lên hằng số điện môi ε’ ở tần số 50Hz

Hình 3.32: Tác động của độ dày lên hệ số tổn hao điện môi ε’’ ở tần số 50Hz

Hình 3.33: Tác động của nhiệt độ lên hằng số điện môi ε’, mẫu thử khô

Hình 3.34: Tác động của nhiệt độ lên hệ số tổn hao điện môi ε’’, mẫu thử khô

Hình 3.35: Biểu đồ Arrhenius về tần số xuất hiện giá trị đỉnh của ε’’ (mẫu thử khô) Hình 3.36: Ảnh hưởng nhiệt độ lên hằng số điện môi ε’với hàm lượng nước m=0,08% Hình 3.37: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên ε’’ với hàm lượng nước m=0,08%

Hình 3.38: Ảnh hưởng nhiệt độ lên hằng số điện môi ε’ với hàm lượng nước m=0,15% Hình 3.39: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên ε’’ với hàm lượng nước m=0,15%

Hình 3.40: Ảnh hưởng nhiệt độ lên hằng số điện môi ε’ với hàm lượng nước m=0,62% Hình 3.41: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên ε’’ với hàm lượng nước m=0,62%

Hình 3.42: Ảnh hưởng nhiệt độ lên hằng số điện môi ε’ với hàm lượng nước m=0,96% Hình 3.43: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên ε’’ với hàm lượng nước m=0,96%

Hình 3.44: Ảnh hưởng nhiệt độ lên hằng số điện môi ε’ khi mẫu thử bão hoà

Hình 3.45: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hệ số tổn hao điện môi ε’’ khi mẫu thử bão hoà Hình 3.46: Tác động của nhiệt độ lên hằng số điện môi ε’ ở 50Hz

Hình 3.47: Tác động của nhiệt độ lên hệ số tổn hao điện môi ε’’ ở 50Hz

MỞ ĐẦU

1 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

Vật liệu composite là loại vật liệu mới ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành khoa học kỹ thuật và công nghiệp tiên tiến trên thế giới: hàng không vũ trụ; đóng tàu; kỹ thuật điện; ô tô cơ khí; dầu khí; xây dựng dân dụng và trong đời sống… nhờ kết hợp được các đặc tính cơ học và vật lý học mà bình thường không thể có được với một vật liệu đơn

Vật liệu composite điển hình là một hệ gồm hai hoặc nhiều vật liệu khác nhau với các tính chất hỗ trợ cho nhau Việc sử dụng vật liệu composite trong máy biến áp ở các nước và Việt Nam là tương tự nhau Trong ngành kỹ thuật điện cao áp vật liệu cách điện composite được sử dụng rộng rãi là bakelit (giấy tẩm nhựa phenoformaldehyt) làm các ống cách điện trong máy biến áp, vách ngăn trong các buồng dập hồ quang… Ngày nay một loại cách điện composite khác với thành phần là nhựa epoxy cốt sợi thủy tinh được sử dụng khá thông dụng làm các vách ngăn trong máy biến áp, lõi của cách điện thanh của đường dây tải điện trên không,… Loại vật liệu sợi thủy tinh gia cường bằng nhựa epoxy tạo ra vật liệu composite có những tính chất cách điện rất tốt (góc tổn hao điện môi nhỏ, điện trở suất lớn), khả năng chịu phóng điện tốt và tăng cường tính chất cơ của vật liệu, khối lượng nhẹ, chịu mài mòn, giá thành hạ, dễ thiết kế chế tạo, kích thước và hình dáng

đa dạng Loại vật liệu composite này được sử dụng rộng rãi làm cách điện cao áp như: cách điện xuyên trong trạm biến áp và cách điện đường dây [3], [71], cách điện trong máy biến áp [4], [10], [58], vách ngăn trong các trạm phân phối kiểu GIS (Gas Insulated Substation) [52], cách điện stator của máy điện quay [34], [58],

[100]

Tuy nhiên, do đặc tính composite vùng tiếp giáp [14] giữa các thành phần luôn là vùng xung yếu do liên kết hoá học và kết cấu vật lý ở vùng này không ổn định bằng liên kết trong bản thân từng thành phần (hình 1) Vì vậy, trong quá trình vận hành, điều kiện làm việc các kết cấu thường xuyên chịu tác động khắc nghiệt của nhiều tác nhân như : điện, cơ học, hóa học, nhiệt độ, độ ẩm, thời tiết và môi

trường thay đổi làm cho các thành phần của vật liệu bị già hoá; đặc biệt là khi chịu tác dụng của môi trường như : nhiệt và nước làm cho liên kết giữa các thành phần tại lớp tiếp giáp bị suy yếu Khi hấp thụ một vài phần trăm khối lượng nước, các đặc tính điện môi bị suy giảm mạnh: điện trở suất giảm, hằng số điện môi và tổn hao tăng và có thể dẫn tới hiện tượng phóng điện chọc thủng (breakdown) [52]

Vì phân tử nước rất nhỏ, nó có thể dễ dàng xâm nhập vào trong vật liệu thông qua hiện tượng khuyếch tán, sẽ tác động mạnh lên phản ứng hoá học giữa nhựa epoxy và nước [43], [100] Ngoài ra, với vật liệu cách điện dùng làm tấm chắn

và thanh chèn trong máy biến áp, trong quá trình vận hành còn chịu tác động bởi điện trường xoay chiều tần số 50Hz và tổn hao lõi từ do dòng điện chạy trong dây quấn của máy biến áp, từ trường trong lõi thép sẽ sinh ra các tổn hao công suất và biến thành nhiệt làm nóng các chi tiết của máy biến áp

Hình 1: Vùng tiếp giáp giữa các thành phần của vật liệu composite nhìn dưới

kính hiển vi lực nguyên tử (kích thước 10µm và 50µm)

Trong quá trình vận hành, vật liệu nghiên cứu sẽ bị lão hóa và dẫn đến các đặc tính cách điện của điện môi bị suy giảm mạnh Các tấm chắn và thanh chèn này

bị ngấm ẩm với các hàm lượng nước khác nhau được đem ra để phân tích Nhiều vấn đề được đặt ra từ kết quả này: đâu là cơ chế động học của việc khuyếch tán nước vào trong vật liệu này, có tồn tại mối liên hệ giữa việc có nước và hiện tượng lão hóa (suy giảm) cách điện hay không?

1.1 Mục đích nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của luận án là nghiên cứu áp dụng một phương pháp thí nghiệm hiện đại: phương pháp phổ điện môi trên miền tần số (FSDM) để xác định các đặc tính điện môi của vật liệu cách điện như: hằng số điện môi tương đối (ε’), hệ số tổn hao điện môi (ε’’), góc tổn hao điện môi (tanδ), điện trở cách điện, điện trở suất khối, điện trở suất mặt trong điều kiện tại Việt Nam, xác định sự khuếch tán của nước trong VLC khi bị tác động bởi các yếu tố nhiệt độ - độ ẩm cao

và hậu quả của nó lên tính chất điện môi của vật liệu Những dữ liệu này rất quan

trọng vì nó không chỉ cung cấp các thông tin cơ bản về cơ chế gây lão hoá của vật liệu, ứng dụng để cải thiện nó trong quá trình sản xuất mà còn có những đóng góp thiết thực cho việc chẩn đoán sớm hiện tượng lão hoá hay xác định ngưỡng lão hoá (critical state) để có biện pháp xử lý hay thay thế vật liệu kịp thời

1.2 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu

a) Đối tượng nghiên cứu: là vật liệu cách điện thuộc họ composite epoxy,

được sử dụng làm cách điện trong chế tạo máy biến áp tại Công ty cổ phần chế tạo

thiết bị điện Đông Anh

b) Phương pháp nghiên cứu: là các phương pháp thí nghiệm chẩn đoán

cách điện nói chung (phương pháp thí nghiệm lão hóa tăng tốc-Accelerated Experiment Method-AEM; Phương pháp ngâm tẩm trong nước đã được xây dựng với các thông số phù hợp với điều kiện vận hành tại Việt Nam), phương pháp phổ điện môi nói riêng cùng với phương pháp phân tích dòng phân cực và khử phân cực được tích hợp trong thiết bị đo có tên (phân tích hàm lượng nước trong cách điện rắn - DIRANA) và áp dụng cho đối tượng cụ thể là cách điện rắn sử dụng trong máy biến áp điện lực (MBA) chế tạo tại Việt Nam

c) Phạm vi nghiên cứu: bao gồm phân tích, so sánh các phương pháp để lựa

chọn phương pháp phổ điện môi trong việc xác định các đặc tính điện môi của cách điện; Cơ chế cũng như mô hình toán học của quá trình khuyếch tán nước vào trong VLC nhằm xác định hàm lượng nước bão hòa, thời gian vật liệu bị bão hòa nước và

để xỏc định cỏc đặc tớnh điện mụi theo thời gian ngấm nước của cỏch điện trong điều kiện tại Việt Nam Luận ỏn cũng đó phõn tớch, đỏnh giỏ quỏ trỡnh suy giảm cỏch điện dưới tỏc động của nhiệt độ và độ ẩm cao

2 Lý do chọn đề tài

2.1 Tỡnh hỡnh nghiờn cứu ngoài nước

Nghiờn cứu vấn đề lóo hoỏ của vật liệu composite tiến tới giải thớch cơ chế dẫn đến phúng điện chọc thủng đó được tiến hành tại nhiều cơ sở nghiờn cứu và cỏc trường đại học trờn thế giới Đó cú rất nhiều cụng trỡnh nghiờn cứu về vật liệu cỏch điện composite đặc biệt là quỏ trỡnh lóo hoỏ và phỏ huỷ vật liệu (sự xõm nhập của điện tớch làm thay đổi phõn bố trường, sự hỡnh thành phúng điện cục bộ và hỡnh thành cõy điện - electrical treeing) [53], [70], [81], [83]

các liên kết bị đứt

hình thành vết phồng rộp giữa mặt tiếp giáp

mặt tiếp giáp bị ẩm

Chất

độn vô cơ

vật liệu composit

Hỡnh 2: Ảnh hưởng của nước lờn mặt tiếp giỏp của vật liệu composite

Nhiều nghiờn cứu về ảnh hưởng nước và nhiệt độ tới đặc tớnh điện mụi của vật liệu composite, trờn nhựa epoxy tinh khiết [59] và vật liệu composite nền nhựa epoxy cốt sợi thủy tinh và mica [14], [20], [46], [54], [60], [67], [100] Mặc dự vậy, bản chất của quỏ trỡnh lóo húa vẫn chưa được hiểu biết một cỏch cặn kẽ Do đú vẫn chưa tỡm ra được giải phỏp hữu hiệu để chống lại quỏ trỡnh lóo húa của VLC do tỏc động của nước Do điều kiện vận hành của cỏc thiết bị điện cao ỏp mà cỏc nghiờn

cứu này thường xét đến sự ảnh hưởng của điện trường và nhiệt độ lên cách điện [43] Các tác nhân lão hoá thường được mô phỏng để nghiên cứu là lão hoá bởi điện trường [82] bằng cách tác dụng lên vật liệu một số lần điện áp xung với giá trị cực đại khoảng vài chục kV/mm [76], và tác dụng nhiệt độ [100] …

Đối với ảnh hưởng của độ ẩm thì các nghiên cứu chưa được đề cập đến nhiều

do đặc thù khí hậu của các nước này là khô và độ ẩm thấp Nội dung chủ yếu của các nghiên cứu này là xét đến sự ảnh hưởng và tác động của nước lên mặt tiếp giáp (hình 2) [4], [33], [77] làm suy giảm đặc tính cơ học, lý học và hoá học của vật liệu composite trong điều kiện vận hành như : làm mát bằng nước [45], [58], [100], do nước mưa [43], [71]

Như vậy có thể nhận thấy rằng : hạn chế của các nghiên cứu trên đến nay là chỉ xét đến ảnh hưởng của điện trường và nhiệt độ hoặc sự xâm nhập của nước lên mặt tiếp giáp vật liệu trong điều kiện đơn giản mà không có sự kết hợp của các tác nhân như : nhiệt độ và độ ẩm cao Mọi giải thích cho cơ chế lão hoá đến nay vẫn chưa được sáng tỏ rõ ràng Đây là vấn đề khoa học mà đề tài của nghiên cứu sinh sẽ tiến hành nghiên cứu

2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, trong điều kiện hiện nay nhiều thiết bị điện cao áp (máy biến

áp, máy phát điện …) có cách điện bằng vật liệu composite : vách ngăn trong các thiết bị đóng cắt khí, cách điện của stator máy điện quay, đường dây truyền tải,…

đã bắt đầu được sử dụng rộng rãi Hầu hết các thiết bị này đến nay chủ yếu vẫn được nhập từ nước ngoài Tuy nhiên việc sử dụng vật liệu composite trong các thiết

bị với điều kiện của một nước nhiệt đới khí hậu nóng ẩm của Việt Nam thì chưa được quan tâm

Các cơ sở sản xuất chế tạo, trung tu, đại tu và thí nghiệm máy biến áp thường cũng chỉ tiến hành đo đạc và kiểm tra một số các thông số như:

- Đo điện trở cách điện của máy biến áp

- Đo đặc tính điện môi (góc tổn hao - tanδ) ở tần số 50Hz

- Đo điện dung C2/C50 của máy biến áp

- Thí nghiệm điện áp chịu đựng tăng cao tần số 50Hz theo thời gian.…

Ngoài các phép đo và kiểm tra trên, chúng ta chưa nhận thấy có nghiên cứu nào đề cập tới bản chất của việc khi các kết quả đo thay đổi theo thời gian vận hành hay chính là quá trình lão hoá của cách điện

Với mục đích kiểm tra dự phòng cách điện và dự báo tuổi thọ của máy biến

áp, giúp công tác bảo trì, bảo dưỡng các thiết bị cao áp, nâng cao, kéo dài tuổi thọ phương pháp phổ điện môi trên miền tần số (Frequence Spectroscopy Dielectric Method - FSDM) là một phương pháp hiện đại không phá huỷ cách điện có độ nhạy cao giúp chẩn đoán các tính chất cách điện của vật liệu khi lão hoá, có thể triển khai nhanh tại phòng thí nghiệm hay tại hiện trường [91], [100] và thậm chí có khả năng cung cấp thông tin trực tuyến (online) về tình trạng hiện thời của vật liệu

Về tình hình sử dụng VLC ở Việt Nam hiện nay, một số chủng loại VLC đã được sử dụng trong công nghiệp tuy số lượng chưa nhiều nhưng tốc độ ngày một tăng rất nhanh Nhiều cơ sở nghiên cứu trong nước đã tập trung đầu tư, nghiên cứu

và triển khai ứng dụng vật liệu mới phục vụ công nghiệp quốc phòng, công nghiệp dân sinh và đã đạt được một số thành tựu như: cách điện trong của máy biến áp (Công ty cổ phần chế tạo thiết bị điện Đông Anh), công sự và lô cốt ngầm, vòm chứa máy bay, bể chứa, ống dẫn nước thải bằng vật liệu composite nền nhựa (Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội); xuồng máy, dụng cụ gia đình (Viện Khoa Học Việt Nam); nhà lắp ghép, tàu xuồng (Viện nghiên cứu vật liệu mới – TP.HCM)

và một số sản phẩm khác của một số cơ sở nghiên cứu và sản xuất khác trong nước

Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về Điện cao áp (thuộc Viện Năng lượng – Bộ Công Thương), đang được tiến hành xây dựng và sẽ đưa vào hoạt động trong thời gian tới với các hệ thống thiết bị thử nghiệm hiện đại có cấp điện áp cao, công suất lớn, điều kiện môi trường như phòng tạo môi trường, sẽ là cơ sở nghiên cứu mạnh về vật liệu cách điện và thiết bị điện cao áp, nhiều nghiên cứu, nhiều thí nghiệm, đối tượng thử nghiệm sẽ lần đầu tiên được thực hiện ở Việt Nam

Vì vậy, hướng nghiên cứu của đề tài cũng tập trung vào vật liệu cách điện đã

và sẽ được sử dụng ở Việt Nam, trong đó có vật liệu cách điện composite nền nhựa epoxy cốt sợi thủy tinh Độ bền cách điện và tuổi thọ của các kết cấu composite phụ thuộc vào các vật liệu thành phần, phương pháp gia công, tải trọng tác dụng, môi trường làm việc Vì vậy, tuổi thọ và quá trình lão hoá của vật liệu cách điện composite cũng chưa được đề cập tới và nghiên cứu cụ thể

Số lượng các công trình nghiên cứu về lĩnh vực này chưa nhiều, đặc biệt là các nghiên cứu về ảnh hưởng của môi trường nhiệt độ và độ ẩm cao đến vật liệu cách điện composite còn rất ít Xuất phát từ những lí do trên, đề tài nghiên cứu của luận án được hình thành Tác giả hy vọng rằng kết quả của luận án sẽ có tác dụng và lợi ích ít nhiều phục vụ cho việc khai thác hiệu quả phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về Điện cao áp, phục vụ cho các nhà nghiên cứu cũng như các cơ sở sản xuất trong nước trong lĩnh vực cách điện composite và ứng dụng vật liệu mới đang trên đà phát triển nhanh như hiện nay ở Việt Nam

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

3.1 Ý nghĩa khoa học

a) Luận án đã nghiên cứu áp dụng phương pháp phổ điện môi trong miền tần số - một phương pháp hiện đại đã được sử dụng trên thế giới nhưng lần đầu tiên được áp dụng tại Việt Nam để đo đạc xác định các đặc tính điện môi của cách điện (góc tổn hao điện môi tanδ, hằng số điện môi tương đối ε’, hệ số tổn hao điện môi ε’’) trong các trường hợp đặc biệt: có xét đến ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm cao

b) Luận án đã xây dựng được mô hình thí nghiệm lão hóa tăng tốc với các thông số phù hợp với điều kiện vận hành tại Việt Nam Tại phòng thí nghiệm, các mẫu thử có cấu trúc khác nhau với những điều kiện lão hoá khác nhau sẽ được phân tích theo các khía cạnh tác động môi trường xung quanh như: nhiệt độ và độ ẩm cao

c) Luận án đã chỉ ra rằng, cơ chế phân cực ở lớp tiếp giáp không thể giải thích toàn vẹn được vấn đề, mà cơ chế phân cực điện cực mới là nguyên nhân chính gây nên

sự tăng cao của hằng số điện môi tương đối ε’ và chỉ số tổn hao điện môi ε’’ ở tần

số thấp Chỉ số ε’’ đặc biệt nhạy với hàm lượng nước trong vật liệu trên toàn miền tần số và là chỉ số tin cậy để đánh giá tình trạng cách điện

3.2 Ý nghĩa thực tiễn

a) Đề tài được đặt ra xuất phát từ nhu cầu thực tế trong công tác thiết kế, chế tạo các thiết bị điện cao áp nói chung và máy biến áp nói riêng tại Việt Nam

b) Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về Điện cao áp (thuộc Viện Năng lượng –

Bộ Công Thương), đã được xây dựng với các hệ thống thiết bị thử nghiệm có cấp điện áp, công suất, phòng tạo môi trường phục vụ nghiên cứu và các đối tượng thử nghiệm lần đầu tiên được trang bị ở nước ta Các thiết bị cũng như phòng tạo môi trường thử nghiệm phục vụ cho nghiên cứu về vật liệu cách điện đã được trang bị tương đối đầy đủ Vì vậy, hướng nghiên cứu cũng như tên đề tài sẽ nhằm vào vật liệu mới mà cụ thể là VLC nền nhựa epoxy cốt sợi thủy tinh

Do đó kết quả của luận án có ý nghĩa ứng dụng thiết thực trong công việc chế tạo cũng như vận hành bảo dưỡng MBA tại Việt Nam nói chung và tại Công ty

cổ phần chế tạo thiết bị điện Đông Anh nói riêng

4 Mục tiêu của luận án

Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm lên tính chất điện môi của vật liệu cách điện composite dùng trong máy biến áp điện lực

5 Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án

Trong chương đầu tiên, luận án sẽ giới thiệu tổng quan và tình hình nghiên cứu vật liệu composite nền nhựa epoxy cốt sợi thủy tinh dùng làm cách điện trong các thiết bị điện cao áp nói chung và trong máy biến áp nói riêng Các tính chất điện môi của vật liệu cách điện, cấu tạo và tính chất của vật liệu composite cũng được nghiên cứu và phân tích rất đầy đủ

Trong chương 2 luận án xây dựng mô hình thí nghiệm lão hóa tăng tốc (Accelerated Experiment Method) và các phương pháp thí nghiệm với các thông số phù hợp với điều kiện vận hành tại Việt Nam để kiểm soát và định lượng sự xuống cấp của vật liệu Nghiên cứu lý thuyết và các phương pháp thí nghiệm quá trình

khuyếch tán nước vào trong vật liệu Nhiều tham số ảnh hưởng đến sự khuếch tán của nước sẽ được xem xét như : nhiệt độ, độ ẩm cao và độ dày Các cơ chế khuếch tán của nước vào vật liệu composite cũng sẽ được phân tích cụ thể và chi tiết

Các phương pháp thí nghiệm chẩn đoán bắt buộc sẽ được thực hiện để đánh giá sự xuống cấp của vật liệu cách điện cũng được thực hiện trong chương này Mỗi loại phương pháp thí nghiệm chẩn đoán đều có các ưu và nhược điểm riêng Tuy nhiên việc kết hợp các thí nghiệm này sẽ cho chúng ta biết được khá rõ bức tranh về tình trạng nhiễm ẩm, nhiễm bẩn của cách điện rắn Trong số các phương pháp chẩn đoán, phương pháp phổ điện môi tần số thấp đã thu được thành công lớn trên thế giới trong những năm gần đây bởi vì phương pháp này đặc biệt hiệu quả với các vật liệu hỗn hợp bị lão hoá Luận án cũng sẽ cho thấy tính hiệu quả của phương pháp phổ điện môi trên miền tần số (Frequence Spectroscopy Dielectric Method-FSDM)

và phương pháp này lần đầu tiên được đưa vào áp dụng tại Việt Nam

Chương 3 sẽ khai thác các kết quả đạt được trong chương 2 Áp dụng phương pháp phổ điện môi trong miền tần số Lần đầu tiên tại Việt Nam đã đo đạc xác định được các đặc tính điện môi của cách điện như : hằng số điện môi tương đối ε’, hệ số tổn hao điện môi ε’’ và góc tổn hao điện môi tanδ trong dải tần số 10-3Hz đến 103Hz trong các trường hợp đặc biệt: có xét đến ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm cao

Cụ thể các nội dung nghiên cứu của luận án như sau:

5.1 Tổng quan và tình hình nghiên cứu vật liệu composite nền nhựa epoxy dùng làm cách điện trong các thiết bị điện cao áp

5.2 Nghiên cứu lý thuyết và phương pháp thí nghiệm quá trình khuyếch tán nước vào vật liệu cách điện composite

5.3 Kết quả thực nghiệm đo đạc và phân tích

5.4 Kết luận

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ VLC VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VLC NỀN NHỰA EPOXY DÙNG TRONG CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN CAO ÁP 1.1 Các tính chất điện môi của vật liệu cách điện

Điện môi (dielectric) là tất cả các vật liệu có khả năng phân cực dưới tác dụng của điện trường bên ngoài, tồn tại ở ba trạng thái [10]: khí, lỏng, rắn Khi đặt vào trong điện trường, các hiện tượng vật lý cơ bản xảy ra trong điện môi là dẫn điện (đặc trưng bởi điện dẫn suất γ hoặc điện trở suất ρ); phân cực (đặc trưng bởi hằng số điện môi tương đối εr); tổn hao điện môi (đặc trưng bởi tang của góc tổn hao điện môi tanδ); hiện tượng đánh thủng điện (đặc trưng bởi độ bền cách điện hay cường

độ điện trường đánh thủng (Eđt) và thay đổi các đặc tính cơ – lý – hóa – điện dẫn đến lão hóa

Vật liệu cách điện là các điện môi có các tính chất cách điện tốt, đáp ứng yêu cầu dùng làm cách điện Các tính chất điện môi (tính chất cách điện) của vật liệu đều phụ thuộc vào điều kiện môi trường làm việc : nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, điện trường, tia sóng ngắn, tần số của điện trường, dao động cơ học…

1.1.1 Điện dẫn (conduction)

Vật liệu cách điện rắn có rất nhiều và đa dạng về thành phần hoá học cấu trúc, về độ sạch và tạp chất Trong vật liệu cách điện rắn các phần tử bị ràng buộc vào điểm nút, chúng chỉ có thể dao động quanh vị trí cân bằng này Quá trình chuyển dịch của các phần tử từ vị trí này đến vị trí khác rất khó khăn [10]

Khi đặt vật liệu cách điện trong điện trường, trong điện môi của vật liệu cách điện xuất hiện sự di chuyển các điện tích tự do tạo thành dòng điện có trị số nhỏ chạy từ bản cực này sang bản cực khác Hiện tượng này gọi là hiện tượng dẫn điện của điện môi

Điện dẫn suất của vật liệu cách điện rắn rất khác nhau, không những bởi loại vật liệu cách điện mà còn bởi thành phần tạp chất và điều kiện làm việc của chúng

Trong điện môi rắn tồn tại các điện tử tự do và các ion của bản thân điện môi hay của các tạp chất Do vậy điện dẫn của vật liệu cách điện rắn có thể là điện dẫn

điện tử, điện dẫn ion hay tổng hợp của hai loại điện dẫn này Các điện tích tự do còn tồn tại trên bề mặt điện môi nhất là khi bụi, ẩm bám trên bề mặt của vật liệu cách điện rắn

Đối với vật liệu cách điện rắn có hai khái niệm: điện trở suất khối ρv (điện dẫn suất khối γv) và điện trở suất mặt ρs (điện dẫn suất γs)

a Điện trở suất của vật liệu cách điện

+ Điện trở suất khối (ρv): là điện trở suất của một khối vật liệu có dạng hình lập phương có cạnh là 1cm khi dòng điện chạy qua hai mặt đối diện Đơn vị của ρv

là Ω.cm

).(

Rv : điện trở của khối điện môi đo được (Ω)

S : diện tích của bản mặt điện cực (cm2)

h : bề dày của khối điện môi (cm)

+ Điện trở suất mặt (ρs) là điện trở của một phần mặt vật liệu cách điện có dạng hình vuông khi dòng điện đi qua hai cạnh đối diện, đơn vị là Ω

)(

Rs :điện trở bề mặt hình vuông khối điện môi đo được (Ω)

L : bề rộng của khối điện môi (cm)

h : chiều rộng cạnh hình vuông (cm)

b Điện dẫn suất của vật liệu cách điện

+ Điện dẫn suất khối: là đại lượng nghịch đảo của điện trở suất khối

)

1(

1.1.2 Phân cực điện môi (Polarisation)

Trong tụ điện, môi trường giữa hai điện cực là điện môi Khi đặt lên tụ điện

một điện áp U thì trên bản cực sẽ có một điện tích q Giữa q và U ta có quan hệ sau :

q’ : thành phần điện tích tăng thêm trên bề mặt bản cực do quá trình phân cực

ở bên trong điện môi tạo ra

Từ đó người ta đưa ra tỷ số giữa q0 và q, tỷ số đó gọi là hằng số điện môi tương đối

1q

q1q

qqq

q

0

' 0

' 0 0

Từ (1.5) và (1.6) ta có :

0 r 0

r 0

0 r

C

CU

.C.U.Cq.qq

=ε

Hằng số điện môi của một chất điện môi nào đó được xác định bằng tỷ số giữa điện dung tụ điện có điện môi làm bằng chất đó và điện dung của tụ điện có cùng kích thước nhưng điện môi là chân không

1.1.3 Tổn hao điện môi (Dielectric Loss)

Khi đặt vật liệu cách điện trong điện trường, sẽ làm cho một phần năng lượng điện sẽ biến thành nhiệt năng, sau một thời gian làm điện môi đốt nóng lên Hiện tượng này gọi là hiện tượng tổn hao điện môi

Góc tổn hao điện môi là góc phụ của góc lệch pha giữa dòng điện chạy trong điện môi và điện áp tác dụng lên điện môi Ký hiệu là δ; với δ = 900 - ϕ (độ)

It Ic

I

δ ϕ

Hình 1.1: Mô tả góc tổn hao điện môi

1.1.4 Hiện tượng đánh thủng (Breakdown)

Ở điều kiện nhiệt độ (t0), áp suất (P), tần số (f) nhất định, điện môi của vật liệu cách điện có một điện áp giới hạn, nếu ta đặt vào vật liệu cách điện đó một điện

áp vượt quá mức chịu đựng thì sẽ xảy ra hiện tượng đánh thủng điện môi Khi đó vật liệu mất tính cách điện, trở thành dẫn điện bởi một hồ quang điện nối liền hai điện cực Vật liệu cách điện thể khí có khả năng phục hồi tính chất cách điện sau khi phóng điện, Nhưng đối với vật kiệu cách điện thê rắn, sau khi đã bị phóng điện, điện áp ngưỡng chịu đựng bị giảm hắn, nếu tiếp tục cung cấp điện áp thì vật liệu cách điện sẽ bị phong điện đánh thủng tại vị trí cũ với điện áp thấp hơn rất nhiều Tại vị trí phóng điện ta có thể quan sát thấy tia lửa điện hay hồ quang, có thể gây ra nóng chảy, làm rạn nứt vật liệu cách điện hay điện cực

Dựa vào điện áp đánh thủng (Uđt) ta xác định được độ bền điện của điện môi

Ebđ, Ebđ là khả năng chịu đựng của vật liệu cách điện khi điện áp đặt vào mà không

bị phá hủy, nó đặc trưng bằng cường độ điện trường tại điểm chọc thủng

h

U E

đt

Trong đó:

h : bề dày vật liệu cách điện tại điểm đánh thủng (mm),

Uct : điện áp đánh thủng phụ thuộc vào h (kV)

Eđt phụ thuộc vào các yếu tố:

- Phụ thuộc vào bản chất của vật liệu cách điện

- Nhiệt độ, độ ẩm, tần số và thời gian đặt điện áp

- Phụ thuộc theo bề dày vật liệu cách điện

1.2 Cấu tạo và và phân loại điện môi hữu cơ

Vật liệu hữu cơ gọi là các hợp chất của cacsbon (C) với các nguyên tố khác, Cácbon có khả năng tạo ra một số lớn các hợp chất hóa học với nhiều loại cấu trúc phân tử rất khác nhau Cụ thể là cácbon tham gia vào sự tạo thành các chất có

“khung” phân tử hình chuỗi – xích, hình nhánh hoặc mạch vòng, khung ấy hoặc chỉ gồm có các nguyên tử cácbon hoặc ngoài nguyên tử cácbon còn có các nguyên tố khác dính vào giữa các nguyên tử cácbon đó

Cấu trúc phân tử có ảnh hưởng chính đến những tính chất của các chất hữu

cơ Một số vật liệu cách điện hữu cơ thấp phân tử có số lượng nguyên tử tham gia

vào phân tử của chất này không nhiều, từ một vài nguyên tử đến hàng chục, đôi khi đến hàng trăm nguyên tử Trong các chất này có frêon hyđro cácbon của dầu mỏ và xôvôn

Số lượng lớn nhất các vật liệu cách điện hữu cơ thuộc về các hợp chất cao phân tử Đó là những chất có phân tử rất lớn, đôi khi trong một phân tử có hàng chục ngàn nguyên tử Khối lượng phân tử của các chất này có thể lên tới khoảng một triệu, còn các kích thước hình học của những phân tử lên đến mức chúng không hòa tan được hoặc nếu có hòa tan thì dung dịch cũng giống như hệ keo

Dựa theo nguồn gốc của các vật liệu cao phân tử người ta có thể phân chúng thành hai loại lớn : loại thứ nhất, đó là vật liệu nhân tạo được sản xuất ra bằng cách chế biến hóa học những chất cao phân tử có sẵn trong thiên nhiên (ví dụ: xenlulôza chế biến thành estexenlulôza); loại thứ 2 có tầm quan trọng lớn hơn đối với kỹ thuật cách điện và nhiều ngành kỹ thuật khác, đó là vật liệu cao phân tử tổng hợp được sản xuất ra bằng cách tổng hợp từ các chất thấp phân tử Đa số trong các vật liệu đó

có những tính chất kỹ thuật quý nhưng lại có thể được điều chế ra bằng nguyên liệu

rẻ tiền, dễ tìm kiếm, như khí thiên nhiên, dầu mỏ, than đá v.v… Vì vậy ngày nay người ta chú ý nhiều đến việc nghiên cứu, hoàn thiện và ứng dụng các vật liệu đó với nhiều mục đích khác nhau, trong đó có vật liệu cách điện và trong công nghiệp

đã xuất hiện các dây chuyền sản xuất tự động đem lại hiệu quả kinh tế cao

Về mặt hóa học thì đa số các liên kết cao phân tử là thuộc loại vật liệu trùng hợp, đó là những vật liệu mà phân tử của nó được tạo nên bởi sự tổng hợp một lượng rất lớn các nhóm nguyên tử có cấu trúc giống nhau và đơn giản được gọi là mônôme Phản ứng tạo thành polime từ mônôme được gọi là sự trùng hợp Trong quá trình trùng hợp, các tính chất của các chất đó biến đổi theo quy luật nhất định,

cụ thể là: khối lượng phân tử tăng lên, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi tăng, độ nhớt tăng; trong quá trình trùng hợp, chất có thể chuyển từ trạng thái khí hoặc lỏng sang trạng thái đặc của chất lỏng và sau đó cả trạng thái rắn, độ hòa tan giảm v.v…

Nhựa có tên gọi của một nhóm các vật liệu có nguồn gốc và bản chất rất khác nhau nhưng có một số đặc điểm giống nhau về bản chất hóa học cũng như có một số tính chất vật lý chung Ở nhiệt độ thấp đây là những chất vô định hình như dạng thủy tinh với độ giòn nhất định Khi ở nhiệt độ cao, nhựa mềm ra, trở thành dẻo và sau đó hóa lỏng, như vậy nhiệt độ nóng chảy của nhựa không thể hiện rõ rệt

Phần lớn các loại nhựa được sử dụng trong kỹ thuật cách điện không hòa tan trong nước và ít hút ẩm, nhưng chúng lại hòa tan trong các dung môi hữu cơ thích hợp Thông thường nhựa có tính kết dính và khi chuyển từ trạng thái lỏng sang rắn nhựa sẽ gắn chặt vào vật rắn tiếp xúc với nó Trong kỹ thuật cách điện chúng được dùng làm thành phần cấu tạo quan trọng nhất của nhiều loại sơn, các hỗn hợp, các chất dẻo, phim ảnh, các vật liệu xơ nhân tạo và xơ tổng hợp v.v…

Dựa theo nguồn gốc của các loại nhựa người ta chia ra thành các loại nhựa tự nhiên, nhựa nhân tạo và nhựa tổng hợp Bảng 1.2: Đặc tính của các loại nhựa tổng hợp điển hình [10]

1.4 Sơn và các hợp chất cách điện

Trong kỹ thuật cách điện, sơn và các hợp chất cách điện có tầm quan trọng rất lớn, chúng ở dạng lỏng trong quá trình chế tạo cách điện nhưng sau đó chúng đông rắn lại, khi dùng thì ở trạng thái rắn Vì vậy mà sơn và hợp chất cách điện được xếp vào loại vật liệu cách điện rắn

Sơn là những dung dịch keo của nhựa, của bitum, dầu khô và các chất tương

tự Các chất này được gọi là nền sơn và hòa tan trong dung môi dễ bay hơi Khi sơn được sấy khô dung môi bị bay hơi hết, còn nền sơn sẽ chuyển sang trạng thái rắn và tạo thành màng sơn

Hợp chất khác với sơn ở chỗ trong thành phần của nó không có dung môi Hợp chất cách điện gồm có các loại nhựa bitum, sáp, dầu v.v… khác nhau, nếu ban đầu ở trạng thái rắn thì trước khi dùng ta phải đun nóng đến nhiệt độ cần thiết để thu được chất có độ nhớt thấp thích hợp Theo cách sử dụng sơn cách điện có thể chia thành ba nhóm chính: sơn tẩm, sơn phủ và sơn dán Bảng 1.3: Tính chất của một số loại sơn cách điện [10]

1.5 Vật liệu xơ

Vật liệu xơ được cấu tạo bằng các phân tử nhỏ và dài gọi là xơ, nó được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện: gỗ, giấy, cactông, vải, sợi v.v… Vật liệu xơ có những ưu điểm sau đây: rẻ tiền, độ bền cơ và độ dẻo khá cao, sản xuất thuận tiện Song chúng cũng có nhược điểm là độ bền điện và độ dẫn nhiệt không cao, độ hút

ẩm lớn hơn so với các vật liệu đặc có cùng thành phần hóa học Những tính chất của vật liệu xơ có thể được cải thiện khi đã được tẩm, nên người ta dùng làm vật liệu cách điện

Các vật liệu xơ khác nhau có những đặc tính rất khác nhau tùy theo thành phần hóa học của chất tạo xơ Phần lớn các loại xơ được sản xuất trong thực tế là những vật liệu gốc hữu cơ, gồm các vật liệu gốc thực vật như: gỗ, bông, giấy v.v… các vật liệu gốc động vật như : tơ và len, xơ nhân tạo thu được bằng cách chế biến hóa học các nguyên liệu xơ thiên nhiên (xenlulô) và sau cùng là xơ tổng hợp được sản xuất ra từ các polime tổng hợp

Vật liệu xơ xenlulô có độ hút ẩm lớn, độ bền nhiệt không cao (cấp Y khi chưa được tẩm và cấp A sau khi tẩm) Trong trường hợp đòi hỏi chất cách điện làm việc ở nhiệt độ cao thì người ta dùng vật liệu xơ vô cơ trên cơ sở mica và sợi thủy tinh

1 Gỗ: gỗ có giá rẻ, dễ gia công nên nó là vât liệu cách điện đầu tiên được sử

dụng trong kỹ thuật điện Gỗ có đặc tính cơ tương đối tốt, độ bền kéo (dọc theo xơ) trong phạm vi 700-1300 KG/cm2 ; khối lượng biến động trong khoảng từ 0,5 đến 0,7-0,8 G/cm3 , rất ít khi đạt tới 1,0 G/cm3 Thường thì gỗ nặng có độ bền cao hơn

gỗ nhẹ

Gỗ không được dùng rộng rãi trong kỹ thuật điện vì có những nhược điểm sau:

- Tính chất hút ẩm cao làm cho tính chất cách điện của gỗ giảm đi nhiều khi bị hút

ẩm, mặt khác các chi tiết làm bằng gỗ ẩm khi đã khô lại dễ bị cong vênh và nứt

- Không xác định được tiêu chuẩn cho các tính chất của gỗ ngay cả với gỗ cùng loại, vì tính chất của gỗ lệ thuộc vào nơi trồng, tuổi và các yếu tố khác Tính chất của mẫu gỗ không thuần nhất do chiều xẻ gỗ, các mấu và các khuyết tật khác

- Độ bền điện kém và có thể cháy được

Trong kỹ thuật điện gỗ được dùng để chế tạo: tay cầm các bộ truyền động trong dao cách ly và máy cắt dầu, cán cầu dao điện, giá đỡ, các chi tiết chêm giữ chặt, chêm rãnh của máy điện, cột gỗ đường dây tải điện v.v…

2 Giấy và cáctông: Giấy và cáctông là những vật liệu hình tấm hoặc quấn lại

thành cuộn có cấu tạo bằng xơ ngắn, thành phần chủ yếu là xenlulô Người ta thường dùng gỗ xenlulô rẻ tiền để sản xuất giấy Trong khi sản xuất giấy cần tách các tạp chất ra khỏi gỗ, bằng cách nghiền vụn gỗ ngâm trong dung dịch hóa học, sau

đó rửa sạch xenlulô đã nấu để tách tạp chất ra và giữ lại xenlulô tinh khiết Bột xenlulô chứa trong nước sau khi được gia công cơ khí, được rót trải ra thành một lớp trên mặt lưới chuyển động liên tục trên máy làm giấy Nước thoát ra qua các mắt lưới, còn lớp bột giấy được ép chặt lại và sấy khô khi đi qua các trục cán, cuối cùng thu được giấy thành cuộn

Có rất nhiều loại giấy được sử dụng trong kỹ thuật điện như:

- Giấy cáp được dùng làm cách điện của cáp điện lực

- Giấy cáp điện thoại loại này được chế tạo với chiều dày 0,05mm và có các màu khác nhau, dùng để làm chất cách điện cáp điện thoại và chất đệm trong việc sản xuất mica

- Giấy tụ điện loại này đã được tẩm làm điện môi cho tụ điện giấy

- Giấy bằng mica loại giấy này được dùng làm nền trong sản xuất băng mica cách điện

- Cáctông cách điện có hai loại cáctông được sử dụng: loại để ngoài không khí cứng

và đàn hồi, dùng cho làm cách điện ở trong không khí (lót vào rãnh của máy điện, các lõi cuộn dây, các vòng đệm v.v…) và loại dùng trong dầu có cấu trúc xốp và mềm hơn, được dùng chủ yếu trong dầu máy biến áp Cáctông dùng trong dầu có tính tẩm dầu tốt và ở dạng được tẩm có độ bền điện cao

- Phíp: Khi ta cho giấy mỏng đi qua dung dịch clorua kẽm (ZnCl2) nóng rồi đem quấn vào một tang quay bằng thép để có được chiều dày cần thiết; sau đó cắt lớp

giấy ra khỏi tang quay, đem rửa (để thải hết clorua kẽm) cẩn thận bằng nước và ép thu được sản phẩm gọi là phíp

- Giấy bằng xenlulô đã được axetyl hóa, tức là chuyển một phần thành phần axetyl xenlulô, có ε tgδ và độ háo nước nhỏ hơn và có tính chịu nhiệt cao Giấy làm bằng xenlulô đã được xianoctyl hóa có tính chịu nhiệt cao hơn Loại giấy này được dùng làm cách điện của cáp, máy biến áp và dùng để sản xuất hêtinắc v.v…

- Giấy “nomec” được sản xuất bằng xơ poliamit chịu nhiệt loại thơm, là một loại vật liệu có rất nhiều triển vọng dùng làm chất cách điện cho máy điện, cáp và dây dẫn điện hoặc làm điện môi của tụ điện Loại giấy này có chiều dày từ 0,05 đến 0,75

mm và có độ bền điện khoảng 35kV/mm, khi đốt nóng tới 2000C cũng biến đổi ít

3 Vật liệu dệt: Dùng phương pháp gia công: kéo sợi và dệt các nguyên vật

liệu có xơ dài để sản xuất ra vải dệt Vải khác giấy ở chỗ có kết cấu đã hoàn toàn được xác định do sự đan sợi, trong giấy thì các xơ được xếp lại với nhau một cách lộn xộn không theo quy luật Trong cùng các điều kiện như nhau thì vật liệu dệt có

độ bền cơ cao hơn giấy và giấy tẩm, nhất là khi bị uốn, bị mài mòn và khi bị ẩm, độ bền không bị giảm quá nhiều, nhưng vật liệu dệt chưa tẩm hay đã được tẩm lại đắt tiền hơn và độ bền điện nhỏ hơn

Trong kỹ thuật cách điện người ta dùng sợi tết để làm cách điện cho dây dẫn

và dây cáp mềm bằng phương pháp quấn và tết Vải và băng được dùng để bảo vệ phần cách điện chủ yếu của máy điện và thiết bị điện chống lại các tác dụng có từ phía ngoài vào Vải còn được dùng vào việc sản xuất vải sợi cách điện và chất dẻo nhiều lớp loại téctolít, ống lồng cách điện máy biến áp cao áp …

Bảng 1.4: Các đặc tính cơ của một số loại xơ hữu cơ Tên loại xơ Độ bền kéo đứt,

Nitron 45 25

Hiện nay, trong các loại xơ tổng hợp có sử dụng capron vào kỹ thuật cách

điện nhiều nhất Sử dụng capron thay cho lụa tự nhiên và sợi bông đem lại hiệu quả

kinh tế cao vì rẻ tiền và tính chất cách điện tốt Loại xơ nitron là polime của

acrinitryl có độ bền cơ, độ đàn hồi và độ chịu nhiệt cao (nhiệt độ hóa dẻo của nó

trên 2350C)

1.6 Điện môi vô cơ

Điện môi vô cơ là loại vật liệu quan trọng trong kỹ thuật điện và vô tuyến

điện Đa số các điện môi vô cơ có những tính chất tốt như: tính chịu nhiệt cao,

không hút ẩm, độ bền cơ cao và ổn định, chịu được tác dụng của bức xạ năng lượng

và là vật liệu rẻ tiền … Trừ một số chất còn hầu hết các vật liệu vô cơ có kết cấu ion

trong liên kết, có thể là đơn tinh thể hay đa tinh thể Đối với vật liệu vô cơ, có thể

tạo ra cho nó một số tính chất theo yêu cầu kỹ thuật bằng cách thay đổi thành phần

và quá trình công nghệ gia công Vật liệu vô cơ được chia thành các nhóm sau:

1 Thủy tinh:

a Thủy tinh tụ điện được sử dụng làm điện môi cho các tụ điện dùng trong

các bộ lọc cao áp, trong các máy phát xung, trong các mạch dao động của thiết bị

cao tần Đối với loại thủy tinh này thì ε càng cao và tgδ càng nhỏ thì càng tốt

b Thủy tinh định vị dùng để chế tạo ra các chi tiết định vị: thủy tinh cách

điện (điện thoại, ăng ten, đỡ, xuyên, chuỗi, …)

c Thủy tinh bóng đèn dùng làm bóng và chân đèn thắp sáng và làm nhiều

loại ống điện tử khác nhau Yêu cầu đối với loại này phải có tính liên kết chặt chẽ

tới mức tối đa với kim loại (vonfram, môlipđen v.v…) Tính chất này có liên quan

tới việc lựa chọn giá trị cần thiết của hệ số nhiệt nở dài

d Men thủy tinh là một loại thủy tinh đục và dễ nóng chảy, dùng để phủ lên

mặt ngoài của nhiều loại sản phẩm khác nhau

đ Thủy tinh có chất độn Đây là những chất dẻo được ép nóng bằng thủy

tinh và bột mica, gọi là thủy tinh mica

e Xơ thủy tinh là thủy tinh được kéo thành sợi nhỏ dài và mềm dùng để sản

xuất ra vật liệu dệt, làm nền cho vật liệu cách điện composite và dùng vào các mục đích khác nhau

2 Vật liệu cách điện bằng gốm, sứ

3 Mica và các vật liệu trên cơ sở của mica

4 Amian và vật liệu chưa amian

5 Vật liệu xét-nhét điện, áp điện và êlectret

6 Cách điện oxít và cách điện florua

Vì vật liệu nghiên cứu là vật liệu composite nền nhựa epoxy cốt sợi thủy tinh nên phần sau luận án sẽ đi sâu nghiên cứu về nhựa epoxy và sợi thủy tinh

1.7 Cấu tạo và tính chất của vật liệu composite

Composite là một loại vật liệu nhân tạo được hình thành và ứng dụng đã từ lâu nhưng trong những thập niên gần đây mới được phát triển mạnh Vật liệu composite so với các loại vật liệu truyền thống nó có nhiều ưu điểm nổi bật như phát huy được các ưu điểm của vật liệu gốc: tính chất điện môi tốt (góc tổn hao nhỏ, điện trở suất lớn), đặc biệt chúng có được các tính chất cơ học rất tốt [3], nhẹ, khả năng chịu nhiệt, chịu mài mòn, chịu hồ quang, chịu tác dụng của môi trường hóa chất tương đối tốt, có thể chế tạo với kích thước và hình dáng rất đa dạng như ống, tấm, thanh… [6], [8], [10], [40] Do đó vật liệu composite ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật và công nghiệp hiện đại như: hàng không

vũ trụ; đóng tàu; kỹ thuật điện; ô tô cơ khí; dầu khí; xây dựng dân dụng và trong đời sống v.v…

Dưới góc độ kỹ thuật, VLC là tổ hợp của 2 hoặc nhiều vật liệu thành phần có bản chất hoàn toàn khác nhau Một trong các vật liệu thành phần làm nhiệm vụ liên kết được gọi là chất liên kết hay nền (matrix) Còn vật liệu thành phần chính thứ hai

có chức năng chính là truyền tải và chịu tải (điện áp, nhiệt độ …) được gọi là cốt hay chất tăng cường Nhiệm vụ quan trọng của chất tăng cường là phát huy đặc tính

riêng của mình, đó là tính bền và tính cứng, khả năng chịu được điện áp cao, chịu nhiệt cao, chịu mài mòn.v.v… Các tính chất tổ hợp và trội của VLC hoàn toàn khác với các tính chất của vật liệu thành phần khi để riêng rẽ tuy rằng trong VLC các tính chất riêng của từng vật liệu thành phần không hoàn toàn bị thay đổi [10]

Ngày nay vật liệu cốt (chất tăng cường) thường là vật liệu sợi thủy tinh, kim loại, polymer và gốm sứ Đối với các chi tiết và kết cấu làm việc trong môi trường điện áp và nhiệt độ cao, việc chọn vật liệu cốt (chất tăng cường) là sợi thủy tinh, mica, polymer và gốm sứ Chất tăng cường có thể ở dạng hạt, dạng sợi, dạng dây mảnh hoặc được dệt ở dạng vải, chúng được sắp xếp và bố trí theo phương tác dụng của lực Thông thường vật liệu tăng cường là pha gián đoạn và nền là pha liên tục Dạng đơn giản nhất của VLC chỉ bao gồm từ hai vật liệu thành phần Tuy nhiên trong ứng dụng thực tế, khi cần thiết ta thường cho thêm chất phụ gia, ví dụ như chất tăng cường bám dính, chất độn, chất màu, chất đóng rắn, chất làm mềm v.v… Vật liệu cốt (chất tăng cường) có 3 nhiệm vụ sau [3], [74]:

+ Tạo ra hình dáng và giữ được hình dáng của chi tiết và kết cấu

+ Giữ cho sợi ổn định trong lòng VLC, bảo vệ sợi trước sự tác dụng bên ngoài của môi trường

+ Phân bố đều ứng suất và truyền lực cho chất tăng cường

Mặc dù hầu như toàn bộ độ bền và độ cứng do chất tăng cường quyết định, nhưng vật liệu nền cũng có thể gây nên phá hủy VLC nếu ứng suất quá lớn xuất hiện ở các hướng không được tăng cường bằng vật liệu cốt Trong thiết kế các kết cấu và chi tiết nếu dùng VLC ta có một ưu điểm lớn là có thể tự do lựa chọn kết cấu của các lớp, qua đó ta có thể thực hiện được mức độ trực hướng và dị hướng của vật liệu composite theo ý muốn chủ quan, có nghĩa là ta có thể điều khiển theo ý muốn hướng của sợi theo hướng tác dụng của ngoại lực hay đường đi của lực trong kết cấu Qua đó ta có thể điều khiển được độ cứng và độ bền theo từng vị trí và từng vùng của chi tiết cũng như kết cấu Vì vậy, các kết cấu cũng như chi tiết có thể được

thiết kế có hình thù, kích thước, bề dày ở từng vùng, từng chỗ phù hợp với độ bền,

độ cứng, độ biến dạng phù hợp với yêu cầu kỹ thuật

Vật liệu composite cốt sợi/nhựa hữu cơ (sợi thường dùng là sợi thủy tinh, cacbon, kevlar ; nhựa thường dùng là nhựa epoxy, polyeste …) có rất nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp hiện đại và đời sống [4], [10] Tùy thuộc vào sự phân bố của sợi trong nhựa, người ta phân biệt vật liệu composite ra:

• Composite đồng phương (hình 1.2a),

• Composite “Mat” (hình 1.2b),

• Composite vải (hình 1.2c)

c) b)

a)

Hình 1.2: Lớp vật liệu composite

Dưới góc độ cơ học, vật liệu composite được xếp vào 3 nhóm chính:

• Composite đẳng hướng (hình 1.3a),

• Composite đẳng hướng ngang (hình 1.3b),

• Composite trực hướng (hình 1.3c)

Hình 1.3 : Vật liệu composite lớp

Trong thực tế, ta thường gặp VLC lớp dưới dạng tấm hoặc vỏ, chẳng hạn tấm

có thể gồm nhiều lớp đồng phương, nhiều lớp vải, nhiều lớp “Mat”, hoặc là tổ hợp của các lớp đồng phương, vải và “Mat” ; vật liệu trong mỗi lớp có thể khác nhau,

phương của cốt trong các lớp cũng khác nhau vv … Hình 1.4 giới thiệu mô hình của vật liệu composite lớp

Hình 1.4 : Mô hình của vật liệu composite lớp

Vật liệu composite nền nhựa cốt sợi còn có ưu điểm là khả năng dập tắt dao động của cấu trúc tốt hơn, tính dãn nở nhiệt thấp, tính dẫn nhiệt nhỏ, khả năng chống ăn mòn cao Một số vấn đề cần lưu ý trong kết cấu bằng VLC: tuy VLC nền nhựa có nhiều ưu điểm nhưng VLC nền nhựa có độ bền nhiệt tương đối thấp, rất nhạy cảm với ảnh hưởng của độ ẩm, của môi trường nước và chất lỏng cũng như ánh sáng

Do cấu trúc của VLC hoàn toàn khác so với cấu trúc của các loại vật liệu truyền thống cho nên ứng suất phá hủy của cấu trúc VLC cũng khác so với ứng suất phá hủy của các cấu trúc kim loại Ở kim loại, phá hủy thường được mở đầu bằng việc hình thành các vết nứt và sau đó là sự phát triển của các vết nứt, còn ở VLC có thể có rất nhiều cơ chế phá hủy Việc phân bố ngẫu nhiên các cơ chế phá hủy dẫn đến việc xác định các hằng số đặc trưng của VLC có các giá trị khá tản mạn [3], [74]

1.7.1 Cấu tạo và tính chất lý hoá của nhựa epoxy

1.7.1.1 Các tính chất lý học

Trong các chất dẻo, một số các loại nhựa sau đây thường được sử dụng làm vật liệu nền cho vật liệu composite:

- Nhựa Polyester không no

- Nhựa Epoxy (EP)

- Nhựa Phenol

- Nhựa Melamin

- Nhựa Silicone và một số loại nhựa khác

Trong các loại nhựa thường hay chọn làm vật liệu nền cho vật liệu composite, nhựa epoxy được dùng với phạm vi rộng nhất do có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại nền nhựa khác Khi cần sử dụng loại vật liệu composite nền nhựa

có các tính chất cách điện tốt [21], [70], tính cơ học cao ngay cả ở nhiệt độ trên

1000C, người ta chọn epoxy làm vật liệu nền

Các tính chất chính của nhựa epoxy là [100] :

- Hấp thụ và mất nước kém, đảm bảo ổn định kích thước tốt;

- Tính chất cơ khí đảm bảo tốt ở nhiệt độ lên tới 100°C;

- Tính chất điện môi tốt: góc tổn hao tanδ = 2,5.10-2; hằng số điện môi tương đối εr=4,2; điện trở suất ρ = 5.1015 Ω.cm ; độ bền điện Uc ≈18 ÷ 20kV/mm;

- Khả năng dính kết cao với nhiều loại vật liệu (nhóm hydroxila);

- Khả năng chịu nhiệt cao do có các nhân thơm;

- Chịu tốt với nhiều tác nhân hoá học tùy thuộc vào nhân tố đóng rắn mà epoxy chịu được nhiều tác nhận hóa học khi sử dụng

Đặc biệt epoxy có tính bám dính rất tốt đối với rất nhiều loại vật liệu So với các loại nhựa khác, epoxy có độ co ngót sau khi đóng rắn thấp, vì vậy VLC sau khi chế tạo xong có ưu điểm lớn là ứng suất dư nhỏ, kích thước sản phẩm ít bị thay đổi Thực tế cho thấy VLC nền nhựa epoxy sẽ đạt được độ bền cơ học rất tốt nếu chọn được loại nhựa epoxy có tính chất cơ học và có độ bám dính với bề mặt sơn thật tốt [74] Tuy nhiên, các tính chất cơ học của nhựa epoxy và độ bám dính với bề mặt sợi lại phụ thuộc vào công nghệ chế tạo VLC và một số chất khác như: chất tăng cường bám dính, chất làm mềm, chất đóng rắn.vv…So với nhựa polyester, epoxy có độ co

ngót nhỏ, độ bám dính tốt, khả năng phủ màng tốt cho nên trong lòng VLC ít hình thành các mao mạch và lỗ hổng dọc sợi, đây là những ưu điểm đối với vật liệu cách điện, chính vì vậy mà VLC được sử dụng rộng rãi trong ngành kỹ thuật điện [10], [73] Trước khi làm vật liệu nền cho VLC, nhựa epoxy ở một trong hai dạng sau:

- Dạng lỏng loãng với độ nhớt thấp hoặc lỏng đặc sệt với độ nhớt cao

- Dạng rắn như thuỷ tinh

Ở các loại epoxy bình thường, với nhiệt độ bình thường và tuỳ theo trạng thái lỏng loãng, lỏng đặc, đặc, đặc sệt và rắn mà màu của epoxy cũng thay đổi từ vàng nhạt, vàng, vàng đậm, nâu đến nâu đậm Tỷ trọng của các nhựa epoxy trong khoảng 1,14 – 1,2

1.7.1.2 Cấu tạo hoá học của nhựa epoxy

Trong cấu trúc nhựa epoxy bao giờ cũng có ít nhất từ 2 nhóm

epoxy

- CH - CH 2

O trở lên Đây là nhóm rất nhạy cảm với phản ứng và là phần hoạt động cơ bản của tất cả các loại nhựa epoxy Nhóm này tham gia chủ yếu vào cấu trúc của nhựa epoxy

Nhựa epoxy được sản xuất công nghiệp đầu tiên là nhựa polyglycidylether với cấu trúc hoá học sau:

• Nhóm thứ 2 được sản xuất qua việc epoxy hoá các hợp chất không no vì vậy

mà các nhóm epoxy của nó có thể đứng giữa Qua các vị trí khác nhau của các nhóm epoxy (trong công thức phân tử hoá học) mà cả 2 loại nhóm nhựa

epoxy cũng được phân biệt bởi liên kết trong quá trình đóng rắn

a Cấu tạo và sự hình thành của nhựa epoxy thuộc nhóm 1

Các loại nhựa epoxy được dùng phổ biến trên thị trường thế giới là các nhựa polyglycidylether Các loại nhựa này được sản xuất thông qua việc biến đổi các polyphenol và epichlorohydrin Trong môi trường giàu kim loại kiềm sau khi tách

HCl Chất polyphenol thường được dùng nhất là bisphenol A Chất bisphenol A có

thể điều chế được qua việc trùng ngưng từ aceton và phênol trong môi trường axit Chất bisphenol A còn được gọi là dian

(1.11) Các nhóm epoxy ở mỗi cực của chuỗi và các nhóm OH ở giữa phân tử tạo ra phản ứng mạnh của nhựa epoxy với các chất làm cứng dạng anđêhít

b Sự hình thành của nhựa epoxy thuộc nhóm 2

Phương pháp hình thành nhựa epoxy thuộc nhóm 2 là phương pháp epoxy hoá, bằng cách biến đổi các hợp chất không no cùng với các axit thông qua việc phân chia các liên kết đôi Tại vị trí liên kết đôi bị phá vỡ, các nhóm epoxy sẽ được hình thành Cụ thể qua việc epoxy hoá polybutadien, nhựa polyepoxy được hình thành

1.7.1.3 Cơ chế hình thành đóng rắn của nhựa epoxy

Khái niệm đóng rắn ở đây chính là sự tạo màng không gian 3 chiều (3D) của nhựa epoxy trong quá trình chế tạo vật liệu composite Các polyme được điều chế,