利用大气压等离子体表面处理技术来提升PP/SIR复合绝缘材料的界面绝缘性能和耐水性

《Applied Surface Science》：Atmospheric pressure plasma surface treatment to enhance interfacial insulation and water resistance of PP/SIR composite insulation

针对聚丙烯/硅橡胶复合绝缘层间界面击穿电压提升与阻湿性能协同优化难题，采用大气压等离子体处理技术，通过Ar等离子体刻蚀和Ar/HMDSO等离子体涂层分别调控界面表面形貌与化学成分，前者使击穿电压提升97.3%但易受潮侵入，后者同步实现137.3%的击穿电压增幅和优异阻湿性。实验表明双面协同处理可优化界面综合性能。

　　近年来，随着高压系统和大规模分布式储能技术的不断发展，提升电气绝缘设备的性能成为确保电力系统安全可靠运行的关键课题。在众多绝缘材料中，分层复合绝缘结构，如聚丙烯/硅橡胶（PP/SIR）复合材料，因其优异的电气绝缘性能和机械强度，被广泛应用于同轴电缆等设备中，以应对复杂的工作环境。PP作为主要绝缘层，承担着电隔离的任务，而SIR则作为外层护套，具有良好的抗自然侵蚀能力。尽管在制造过程中会对PP和SIR材料施加适当的压力，使其紧密结合，但其界面仍面临诸如空气间隙放电、电荷积累以及水分渗透等挑战。这些因素可能导致绝缘性能下降，甚至引发界面击穿，从而影响设备的长期稳定性。

因此，如何通过有效的手段增强PP/SIR复合材料的界面绝缘性能和抗水能力，成为当前研究的重点。界面性能不仅取决于材料的物理结构，还与其化学组成密切相关。表面处理技术，如物理打磨、离子注入和绝缘油涂覆，已被广泛用于改善复合材料的绝缘性能，这些方法主要通过调整表面粗糙度和消除空气间隙来实现。例如，通过绝缘油填充来抑制PP/SIR界面的放电现象，或通过表面打磨来提升PE/SIR界面的击穿电压。然而，这些方法通常仅针对单个材料表面进行处理，无法全面调控界面处的物理和化学特性。此外，一些处理方式如绝缘油填充，在极端低温环境下可能因油料固化而失效，限制了其在复杂环境下的应用。

鉴于此，近年来，研究者开始关注化学处理技术，特别是等离子体表面处理。等离子体具有高反应活性、温和的处理条件以及干燥的处理方式，因此在调控材料表面的物理和化学特性方面展现出独特的优势。已有研究表明，通过等离子体处理可以显著改善材料的表面性能。例如，Cui等人在等离子体中加入八甲基环四硅氧烷（octamethylcyclotetrasiloxane）前驱体，成功在环氧树脂表面沉积了含硅薄膜，从而获得了粗糙的微观结构和超疏水表面。Huang等人利用基于紫外线的等离子体处理聚丙烯（PP）材料，发现等离子体在材料表面引入了C─OH和C─O─C基团，从而提升了PP的击穿电压。Zhu等人则开发了一种Ar/H?O/烷氧基硅烷等离子体处理方法，用于修复裂纹的硅橡胶表面，结果显示该等离子体处理过程显著增强了硅橡胶的机械和绝缘性能。此外，等离子体处理还被证明可以增强天然纤维与基体之间的界面结合，从而提高复合材料的整体性能。

尽管等离子体处理在提升PP和SIR单侧表面性能方面表现出色，但在涉及两个材料界面相互作用的优化方面，研究仍显不足。当前的等离子体表面处理技术大多聚焦于单一材料的表面改性，而缺乏对复合材料界面特性的系统研究。为此，本研究提出了一种基于可控等离子体处理的新型界面增强方法，旨在同时优化PP和SIR的表面形貌与化学组成，从而提升PP/SIR复合材料的界面绝缘性能和抗水能力。通过设计不同的等离子体反应条件，本研究分别采用了Ar等离子体刻蚀和Ar/HMDSO等离子体沉积两种方式，对PP和SIR的表面进行了协同处理。这一方法不仅能够改善单个材料的表面特性，还能够在界面处形成更优的结合状态，从而提升整体复合材料的绝缘性能。

本研究构建了多种PP/SIR界面结构，包括单侧和双侧等离子体处理方式，并通过击穿电压和水分渗透实验对其性能进行了全面评估。实验结果表明，等离子体刻蚀能够显著提升PP/SIR界面的击穿电压，提高幅度高达97.3%。然而，刻蚀处理后的界面也更容易受到水分侵入的影响，这在长期运行中可能引发绝缘性能的进一步恶化。相比之下，等离子体沉积处理不仅能够有效阻止水分渗透，还能够同步提升界面击穿电压，提高幅度达到137.3%。这一结果表明，等离子体沉积处理在提升PP/SIR复合材料界面性能方面具有更大的潜力。

此外，本研究还探讨了等离子体处理对材料表面粗糙度、润湿性和电荷迁移的影响。通过分析等离子体处理前后材料表面的变化，研究揭示了等离子体处理如何通过引入极性氧基团和形成疏水性薄膜，来增强材料的绝缘性能和抗水能力。同时，等离子体处理还能通过调节表面能和化学组成，减少界面处的电荷积累，从而降低界面击穿的风险。这些发现不仅有助于理解等离子体处理在复合材料界面优化中的作用机制，也为未来开发更高效的界面增强技术提供了理论依据。

在实验设计方面，本研究采用了一种基于介质阻挡放电（DBD）的等离子体处理系统，其结构包括上、下两个圆形树脂屏障，间距为8毫米。铜电极直径为5厘米，用于产生等离子体。为了确保处理的均匀性和一致性，下层屏障在处理过程中以恒定速度旋转（20转/分钟）。该系统能够灵活调控等离子体的反应条件，从而实现对PP和SIR表面的精准处理。通过改变等离子体的气体成分和处理时间，研究者可以分别实现对PP和SIR的刻蚀或沉积处理，进一步优化其界面性能。

在表面润湿性方面，研究发现等离子体刻蚀处理能够显著降低PP和SIR的接触角，使其由原来的78.9°和92.2°分别降至35.3°和44.6°，表明材料表面经过等离子体处理后变得更加亲水。这有助于增强材料之间的结合力，但同时也可能增加水分渗透的风险。相比之下，等离子体沉积处理则能够显著提高PP和SIR的接触角，使其分别达到150.1°和151.9°，表明材料表面经过处理后变得更加疏水。这种疏水性有助于减少水分在界面处的渗透，从而提升复合材料的抗水能力。然而，沉积处理对击穿电压的提升效果优于刻蚀处理，说明该方法在增强绝缘性能方面更具优势。

在电荷迁移方面，等离子体处理能够通过引入极性基团和改变表面化学组成，有效减少界面处的电荷积累。这不仅有助于提高材料的绝缘性能，还能够降低界面击穿的可能性。此外，等离子体处理还能够通过形成表面陷阱，减少电荷在界面处的滞留时间，从而进一步提升材料的绝缘稳定性。这些机制表明，等离子体处理不仅能够改善材料的表面特性，还能够通过调控电荷行为，提升其在复杂环境下的绝缘性能。

本研究的成果表明，等离子体处理作为一种新型的表面改性技术，能够在不改变材料本体性能的前提下，显著提升PP/SIR复合材料的界面绝缘性能和抗水能力。这一方法不仅适用于PP和SIR的表面处理，还具有广泛的适用性，可推广至其他复合材料的界面优化。此外，等离子体处理的干燥特性使其在环保和安全方面也具有显著优势，为未来电力设备的绝缘材料开发提供了新的思路。

综上所述，本研究通过可控等离子体处理技术，成功实现了对PP/SIR复合材料界面性能的优化。这一方法不仅能够提升材料的击穿电压，还能有效抑制水分渗透，从而增强复合材料的长期稳定性。研究结果表明，等离子体处理在提升复合材料界面性能方面具有巨大的应用潜力，特别是在高压电力设备和分布式储能系统等新兴领域。未来，随着等离子体处理技术的进一步发展，其在复合材料界面优化中的应用将更加广泛和深入。