Hydrophobiewiederkehr in silikonbasierten Isolatormaterialien

Allgemeine Informationen

Projektnummer	61807401
Projekttitel laut Förderbescheid	Hydrophobiewiederkehr in silikonbasierten Isolatormaterialien
Akronym	Landesinnovationsstipendium (Florian Praße)
Projektlaufzeit	05.06.2018 - 30.11.2021
Forschungsschwerpunkt	Werkstoffe - Struktur - Oberflächen
Projektkategorie	Forschung
Zuordnung
Kompetenzfeld	Energie und Umwelt
Grundeinheit	Zittauer Institut für Verfahrensentwicklung, Kreislaufwirtschaft, Oberflächentechnik, Naturstofffors

Inhaltliche Projektbeschreibung

Motivation:

Silikone als polymeres Isoliermaterial haben in den letzten Jahren im Zuge der Energiewende an Bedeutung gewonnen. Verbundisolatoren mit silikonbasierten Schirmmaterialen lösen hierbei zunehmend konventionelle Isolatoren aus Glas- bzw. Porzellan ab, da sie eine Reihe von Vorteilen hervorbringen. Im Vergleich zu ihren konventionellen Gegenstücken ist ihre Anpassung an Anwendungsbereiche leichter, da mechanische und dielektrische Eigenschaften getrennt dimensioniert werden können. Aufgrund ihres bis zu über 90 % geringeren Gewichtes verfügen sie über ein ausgeprägtes Leichtbaupotential, sodass eine kompaktere Konstruktion von Freileitungsmasten ermöglich wird. Das Material ist beständiger gegenüber schockartigen Belastungen, infolgedessen Isolatoren dieser Art auch zunehmend Anwendung in Stromabnehmern von Zügen oder Straßenbahnen finden.

In der Anwendung benötigen Isolatoren zudem wasserabweisende (hydrophobe) Oberflächen, da ein Auftreten von elektrisch leitfähigen Elektrolytfilmen zu Übertragungsverlusten in der Hochspannungsübertagung, sowie zur Schädigung des Isolators führen kann. Grundsätzlich besitzen Silikone herausragende hydrophobe Eigenschaften, die auch auf Verschmutzungsschichten übertragen werden können. Es ist bekannt, dass durch äußere Einflüsse (bspw. UV-Strahlung, elektrische Entladungen) diese wasserabweisenden Eigenschaften verloren gehen können. In dem Projekt wird der Fokus auf den Verlust der Hydrophobie als Folge der kombinierten elektrisch-elektrolytischen Beanspruchung gelegt. Durch Tropfenteilentladungen, die bspw. nach Regen oder bei betauten Isolatoren im Betreib auftreten können.

Abbildung 1: Schematische Darstellung des Hydrophobieverlustes an einem Verbundisolator nach kombinierter elektrisch-elektrolytischer Belastung

Dem Hydrophobieverlust gegenüber steht die Hydrophobiewiederkehr, das heißt eine Regeneration des Schirmmaterials nach dessen Verlust der Hydrophobie.  Dieses Phänomen prädestiniert Silikone als Isoliermaterial, da dadurch die Lebensdauer von Isolatoren verlängert werden kann. Dennoch gilt diese Eigenschaft von Silikonelastomeren als noch nicht vollständig verstanden. Einen wesentlichen Einfluss auf die Wiederkehr der hydrophoben Eigenschaften werden niedermolekularen Bestandteilen (low molecular weight compound – LMWs) zugesprochen, die aus der Volumenphase an die Oberfläche nach dessen Schädigung migrieren können und so eine erneute hydrophobe Schicht ausbauen.

Ziel des Projektes ist der Erkenntnisgewinn zum Hydrophobieverlust und Hydrophobiewiederkehr von Silikonelastomeren nach elektrisch-elektrolytischer Beanspruchung. Im Gegensatz zu bisherigen Forschungsansätzen wird nicht auf kommerziell erhältliches Silikon zurückgegriffen, sondern eigenes Basismaterial hergestellt. Der Hintergrund ist das kommerziell erhältliche Silikone, neben dem polymeren Poly(dimethysiloxan) (PDMS)-basierten Netzwerk, auch eine Reihe von Füllstoffen zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit bzw. Flammbeständigkeit beinhalten. Dieser Ausgangspunkt erschwert die Ursachenfindung der beiden oben genannten Phänomene.

Im Rahmen des Vorhabens sollen zunächst ungefüllte Silikone mit einstellbaren Netzwerkeigenschaften (LMW-Anteil, Netzwerkdichte) hergestellt werden und im Anschluss die Untersuchung deren Hydrophobieeigenschaften nach elektrisch-elektrolytischer Beanspruchung erfolgen.

Umsetzung:

Die Umsetzung des Projektes erfolgt im Rahmen eines Landesinnovationsstipendiums zur Förderung der Ausbildung des akademischen Nachwuchses. Neben den allgemeinen Zielen „Ausbau der Wissenschaft/Transfer in die sächsische Wirtschaft“, „Erhöhung des Bildungsniveaus“ und „Sicherung der Fachkräftebasis“ wird mit dem Promotionsvorhaben das Zukunftsfeld „Energie“ am Thema Werkstoffe für die Elektrotechnik bearbeitet. Das Thema besetzt die direkte Schnittstelle zwischen Chemie, Elektrotechnik und Werkstoffwissenschaft und stärkt somit auch die Verbindung der Forschungsschwerpunkte der HSZG „Energie und Umwelt“ sowie „Werkstoffe-Struktur-Oberflächen“.
 

Bisherige Ergebnisse:

(Stand 04/2020)

Bislang konnten additionsvernetzende PDMS-Netzwerke mit definierten Netzwerkeigenschaften hergestellt werden. Das Netzwerk basiert hierbei im Wesentlichen auf drei Komponenten: Einer endfunktionalisierten Polymerkette, einem Vernetzer und einem Platinkatalysator. Zusätzlich kann hochdisperse Kieselsäure als mechanisch verstärkender Füllstoff bereits in das Netzwerk eingearbeitet werden.

Abbildung 2: Herstellung additionsvernetzender Silikonnetzwerke

Über Extraktions- und Quellungsversuche der hergestellten Netzwerke ist es möglich Rückschlüsse auf Netzwerkdichten und dem Vorhandensein unvernetzter Bestandteile zu ziehen. Durch Variationen des Vernetzers, der Kettenlängen der Polymerketten und den stöchiometrischen Verhältnissen der eingesetzten Komponenten zueinander sind Netzwerkcharakteristiken so gezielt modulierbar.

Im zweiten Schritt werden die selbst synthetisierten Silikone dem Dynamischen Tropfentest unterzogen. Dieser Test bietet die Möglichkeit einer beschleunigten Alterung von Isolierstoffen unter elektrisch-elektrolytischer Belastung. In der Praxis gleiten bei diesem Test definierte Elektrolyttropfen zwischen zwei Elektroden an einer geneigten Isolierstoffoberfläche hinab. Die gleichzeitig angelegte Hochspannung bedingt das Einsetzen von partiellen elektrischen Entladungen von dem abgleitenden Tropfen auf die Isolierstoffoberfläche. Mit zunehmender Zeit wird durch diese Beanspruchung das Material hydrophiler. Der Test wird durch die Detektion eines Ableitstromes beendet, sobald sich eine durchgängige Elektrolytbahn zwischen den beiden Elektroden gebildet hat. Je länger ein Isolierstoff in diesem Test verbleibt, umso geeigneter gilt er als Isoliermaterial.

Die entsprechenden Tests zu ungefüllten Silikonnetzwerken sind derzeit noch in Bearbeitung. Erste Tests zeigten auf, dass die Hydrophobiebeständigkeit im DTT durch eine Vielzahl von Faktoren stark beeinflussbar ist (Oberflächenrauheit, Netzwerkdichte, LMW-Anteil, Füllstoffgehalt).

Abbildung 3: Entstehung einer elektrisch leitfähigen Elektrolytbahn im Dynamischen Tropfentest an ungefüllten Silikonelastomeren

Im Zuge dieses Projektes wird die Schädigung der Oberflächen über verschiedene Oberflächenanalyseverfahren begleitet. Bislang stellten sich statische und dynamische Kontaktwinkelmessungen als geeignet heraus, um Veränderungen an der Oberfläche nachzuvollziehen. Ergänzend zu Kontaktwinkelmessungen werden mikroskopische Verfahren (Rasterelektronenmikroskopie), sowie spektroskopische Verfahren (Energiedisperse Röntgenspektroskopie, Infrarotspektroskopie) herangezogen.

Das Vorhaben wird in enger Zusammenarbeit mit dem Fachgebiet Hochspannungstechnik / Werkstoffe der Elektrotechnik / Theoretische Elektrotechnik (Prof. Kornhuber) durchgeführt.

 

 

 

 

Projektverweise

Weitere Daten

• Ansprechpartner

  • Herr Prof. Jens Weber (Projektleitung)
  • Herr Dr. Florian Praße

• Fördermittelgeber

  • 100343060 - ESF/SAB Promotionsstipendien 2018 - 2021
  
  
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• Finanzierung

  • 131.213,20 €