水热老化对氧化锌/聚氯乙烯纳米复合材料结构与性能的影响

《Scientific Reports》：Failure investigation and degradation study of long term hydrothermally stressed PVC reinforced with ZnO nanocomposites for cable insulation applications

　　

摘要

水和温度是关键的环境应力，显著影响绝缘系统的性能和寿命，特别是聚合物绝缘子。这些因素导致聚合物的物理和化学性能降解，最终导致失效。为了研究这一点，开发了基于氧化锌的聚氯乙烯纳米复合材料（PZ0、PZ2、PZ4 和 PZ6），其氧化锌浓度分别为 0、2、4 和 6 phr。这些纳米复合材料经历了 5000 小时的水热老化，分为五个周期，每个周期 1000 小时，以评估它们在长时间暴露于恶劣条件下的结构稳定性和性能。使用 X 射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外（FTIR）光谱和扫描电子显微镜（SEM）等技术对纳米复合材料进行了表征。分析显示，在结构完整性和抗老化方面，纳米复合材料通常优于纯聚氯乙烯。值得注意的是，老化后 PZ2 表现出最高的接触角 78°，表明其疏水性得到改善。此外，表面粗糙度测量显示，与其他复合材料相比，PZ2 的粗糙度显著较低，表明其对环境应力的耐用性和性能更好。FTIR 分析强调了聚合物结构的实质性降解，所有样品在 5000 小时老化后链断裂超过 80%。特别是，PZ4 在与 -CH2 伸缩和 C-C 弯曲相关的特定吸收带中表现出 56% 和 86% 的降解。使用差示扫描量热法（DSC）评估了热稳定性，结果表明水热老化影响了复合材料的熔点。尽管如此，氧化锌纳米填料在聚合物基体中的有效分散提供了增强的稳定性，减轻了一些老化的不利影响。失效分析显示，在第一个老化周期后，PZ0 经历了 77% 的降解，而 PZ4、PZ0 和 PZ6 分别表现出 55%、50% 和 66% 的降解，强调了纳米复合材料配方在提高环境应力下性能中的关键作用。