Evaluation and improvement of long term performance of elastomers used for electric insulators
Evaluation et amélioration du comportement à long terme d'élastomères pour une application isolateur électrique
Résumé
This research deals with the study of long term behavior of elastomer housings used for the protection of the central epoxy and fiber glass composite rod of the electric insulators. Four types of industrial formulations having bases of polydimethylsiloxane (PDMS) or ethylene propylene diene (EPDM) are studied. The formulations were subjected to various types of ageings in order to simulate an exposure similar to natural degradation which the insulator experiences during its service life time. We have compared the evolution of properties of the different components of the formulations, to help us in identifying the influence of the polymer matrix and the different components on its aging. The Al(OH)3 filler was identified as the weakest component of the formulations in presence of nitric acid vapour. The formulations having a base of PDMS are not very sensitive to usual ageings (thermal and photochemical). No oxidation is detected after 10,000 hours of exposure. The formulation based on EPDM present at the same time a traditional oxidation of the dienic elastomer during photochemical and thermal ageings and the reactions of cross-linking. We have used the thermoporosimetry technique to calculate the pore size distribution of the polymer network giving us a new view about the cross-linking of the elastomers. Using this study we can rapidly characterize the period of induction before degradation and modification of the properties, an important post cross-linking is detected upon ageing for the EPDM and Siloxane formulations. We have carried out a fundamental study on uncross-linked polysiloxanes without fillers. It helps us to better understand the ageing behavior of silicones compared to the cross-linking and to study the structure property relationships. Polydimethylsiloxane do not oxidize but are degraded by cross-linking and chain scissions reactions upon thermal and photo-ageing. They are stable in presence of nitric acid vapours. However, polysiloxanes having a carbon chain in the backbone undergo oxidation, cross-linking and chain scission reactions upon thermal and photo-ageing. They are also degraded by nitric acid vapours. Lastly, we have tested new stabilized formulations in presence of nitric acid vapours and photochemical ageing.
Ce travail de thèse traite de l'étude du comportement à long terme de revêtements élastomères utilisés pour la protection de jonc central en époxy et fibres de verre pour l'isolateur électrique. Quatre formulations industrielles à base de polydimethylsiloxane (PDMS) ou d'Ethylène Propylène Diène Monomère (EPDM) sont étudiées. Nous comparons l'évolution des propriétés des différentes compositions afin de mettre en évidence l'influence des constituants et celle de la matrice polymère sur le vieillissement. La charge de trihydrate d'aluminium a été identifiée comme étant le point critique de la formulation en présence des vapeurs d'acide nitrique. Les formulations à base PDMS sont peu sensibles aux vieillissements usuels (thermique et photochimique). Aucune oxydation n'est détectée après 10 000 heures d'exposition. La formulation à base d'EPDM présente à la fois une oxydation classique d'élastomère diénique, et des réactions de réticulation au cours des vieillissements photochimique et thermique. La technique de DSC-thermoporosimétrie est largement utilisée pour mettre en évidence les réactions de réticulation. Elle permet de déterminer la taille et la distribution des mailles du réseau polymère. Elle constitue une nouvelle approche de la réticulation des élastomères. Suite à cette étude nous pourrons retenir le meilleur outil pour caractériser rapidement la période d'induction avant dégradation et modification d'une propriété. Une importante sur-réticulation, au cours des vieillissements photochimique et thermique est observée pour les formulations siloxanes et EPDM. Une étude plus fondamentale sur les polysiloxanes non réticulés, non chargés est également proposée. Elle permet de mieux appréhender le comportement en vieillissement des silicones par rapport aux réactions de réticulation en particulier et d'étudier les relations structure-propriétés. Les PDMS ne s'oxydent pas mais se dégradent en donnant lieu à des réactions de réticulation et de scissions de chaînes au cours des vieillissements photochimique, ou thermique. Ils ne réagissent pas sous vapeur acide nitrique. En revanche les polysiloxanes avec une chaîne carbonée pendante s'oxydent et donnent lieu a des réactions de réticulation et de scissions de chaînes au cours de vieillissements photochimique, et thermique et se dégradent sous vapeur acide nitrique. Enfin, nous avons testé des nouvelles formulations stabilisées en présence de vapeurs acide nitrique et en vieillissement photochimique.
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