Etude de la dégradation du PMMA soumis à une décharge couronne M. A. HANDALA1, N. KIRECHE1, S. RONDOT2, E. BELHITECHE1 1 Université Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou, Algérie 2 GRESPI université de Reims, France Abstract - Insulating solids are the basic elements for electrical equipments. It is of high importance to increase the knowledge of dielectric materials characteristics on which depend the reliability of high voltage electrical systems. The trend today is to obtain cheap, clean and more efficient materials. This experimental study is conducted on characterization by scanning electron microscopy (SEM) and FTIR (Fourier Transform Infrared) of polymethyl methacrylate (PMMA) subjected to dielectric barrier discharges (DBD). Under this electrical stress, PMMA degrades, hydroxyl groups are then formed. Micrographs obtained by SEM showed the development of tree shaped forms on the surface of the dielectric material, an unusual phenomenon in the case of DBD. Index Terms - Degradation, dielectric barrier discharge, FTIR analysis, PMMA, SEM, trees. Résumé - Dans les applications haute tension, les solides isolants peuvent être exposés à des décharges couronnes de faible niveau mais de longue durée. Dans le présent travail expérimental, nous étudions la dégradation superficielle du PMMA en utilisant des techniques d’observation, d’analyse de surface et de mesures électriques. Les essais ont été réalisés dans l’air à pression atmosphérique en utilisant deux types d’électrodes haute tension et deux sortes d’échantillons de PMMA : des films et des plaques à l’état sec et à l’état humide. Les dégradations de surface sont observées par MEB et évaluées par EDS et FTIR. Des mesures de courant de décharge ont été effectuées à l’aide d’un oscilloscope à mémoire. Les résultats montrent le développement d’arborescences à la surface du solide isolant humide. Les caractéristiques de ces arborescences dépendent de l’épaisseur de l’échantillon du PMMA et de l’intervalle d’air ainsi que de la forme de l’électrode haute tension. Un mécanisme chimique est proposé pour expliquer la dégradation en surface du PMMA. Mots clés - Analyse FTIR, arborescences, , décharge à barrière diélectrique, dégradation, MEB, PMMA. I. INTRODUCTION Les caractéristiques fondamentales des solides isolants sont déterminées par leurs structures intrinsèques, mais les phénomènes superficiels sont intimement liés aux conditions de l’interface. Le Poly(methyl methacrylate) PMMA, à l’instar des autres polymères, présente, par rapport aux isolants classiques, l’avantage d’avoir des propriétés mécaniques meilleures, une mouillabilité plus faible, d’être plus légers et mis en œuvre plus facilement [1] Néanmoins, ils présentent l’inconvénient d’être plus vulnérables à l’action des décharges de surface qui provoquent leur dégradation [2]. Une décharge qui se produit à la surface du polymère constitue un facteur de vieillissement responsable de la destruction de l’isolation [3] dont les processus physico-chimiques ne sont pas encore bien connus [4,5]. Dans le présent travail, nous mettrons en évidence les effets de la décharge couronne sur une isolation en PMMA en utilisant des analyses MEB et FTIR et des mesures de courant de décharge par oscilloscope à mémoire. II. DISPOSITIF EXPERIMENTAL Le schéma du dispositif expérimental utilisé dans cette étude est représenté sur la figure 1. Les décharges électriques ont été obtenues en alimentant les deux électrodes à l’aide d’une tension alternative délivrée par un transformateur d’essai dont les caractéristiques sont : U = 100 kV, f = 50 Hz, P = 10 kVA, la variation de la tension se fait à l’aide d’un autotransformateur qui se trouve au niveau du pupitre de commande. Film de PMMA Barrière en verre 380 V V R Z OSC PC Fig.1. Dispositif expérimental Dans nos essais, nous avons utilisé des échantillons de PMMA en forme de disque de 3 mm d’épaisseur et des films d’environ 0,1 mm d’épaisseur du même matériau. Pour préparer les échantillons en forme de film, nous avons dissout un morceau de PMMA d’épaisseur 3mm et de dimension (3mm x 3mm) dans l’acétone et nous avons étalé la solution obtenue sur un disque en verre. Après quelques heures, l’acétone s’est évaporée et nous obtenons un film de PMMA. Pour le soumettre à la contrainte électrique, nous avons placé l’échantillon de PMMA sur un disque de verre d’épaisseur 5mm (Fig.1). Ce disque constitue une barrière diélectrique dont le rôle est d’éviter le passage à l’arc de la décharge entre les deux électrodes. Une tension U est appliquée à l’électrode haute tension en forme de sphère de 6 mm de rayon, l’électrode plane étant mise à la terre. L’échantillon de PMMA, placé en série avec un intervalle d’air d’épaisseur d, est ainsi soumis à des décharges dans un système sphère-plan. III. RESULTATS EXPERIMENTAUX ET INTERPRETATION A. Analyse FTIR Les analyses par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourrier ont été faites à l’aide d’un appareil de type Shimadzu 8400. Elles nous donnent les transformations chimiques subies par l’échantillon de PMMA : apparition ou disparition de groupements fonctionnels sous l’effet des décharges électriques. L’analyse FTIR montre une diminution du taux de transmission avec le temps d’exposition aux décharges couronne. Ceci dénote de la dégradation du matériau. Les atomes de surface du polymère sont particulièrement actifs à cause de la présence de liaisons chimiques non saturées résultant des terminaisons soudaines des structures des chaînes. Après 4h d’exposition aux décharges électriques, nous constatons (Fig.2) la formation d’une bande large entre 3150 cm-1 et 3350 cm-1 correspondant à la vibration de la liaison O-H du groupement hydroxyle. PMMA humide vieilli sous décharges couronne Vierge 18h 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 -1 Nombre d'onde (cm ) Fig.2. Spectre du PMMA vierge et vieilli sous décharges durant 18h Alors que les groupements OH intramoléculaires (3450-3600) cm-1 que présente le PMMA à l’origine diminuent particulièrement le pic qui apparaît à 3750 cm-1 qui se réduit au fur et à mesure que l’échantillon est vieilli. Il apparaît aussi sur le spectre de l’échantillon de PMMA vieilli durant 18h plusieurs pics de faible intensité dans la bande [3725-3500] cm-1 qui correspond à la formation de groupements OH libre, en plus des OH intramoléculaires qui préexistaient. Les radicaux d’hydrogène libérés par les groupements méthyles sous l’action de l’ozone résultant des décharges électriques vont se lier aux atomes d’oxygène pour former avec la participation de l’humidité ambiante des groupements carboxyliques OH [5]. B. Observation au microscope électronique à balayage (MEB) Le film de PMMA, transparent avant l’essai sous tension, devient légèrement opaque à l’endroit soumis aux décharges électriques. Ceci s’explique par l’affaiblissement de l’intensité des rayons visibles réfléchis à cause de l’augmentation des doubles liaisons des carbonyles C=O[6]. Nous avons analysé la topographie de la surface de l’échantillon soumis aux décharges couronne à l’aide d’un microscope à balayage électronique (MEB) de marque Philips JOEL XL30 à filament de tungstène. Pour l’analyse des échantillons isolants, nous l’avons utilisé en mode environnemental. Les tensions d’accélération du faisceau électronique peuvent varier de 0,2 à 30 kV selon la profondeur d’analyse désirée. Une tension de 20 kV correspond à une profondeur d’environ 1 à 10 µm. La figure 3 montre, avec un agrandissement variant de 150x à 1000x, selon les échantillons, les micrographies d’échantillons de films de PMMA. L’échantillon vierge présente une surface lisse, homogène exempte de toute dégradation. Pour les échantillons (b), (c) et (d) soumis aux décharges couronne respectivement pendant 8h, 10h et 12h, nous pouvons observer pour des profondeurs d’analyse correspondant à la tension de 20 kV la topographie des zones ayant subi des dégradations. Un phénomène inhabituel dans le cas des décharges de surface est observé : des arborescences prennent naissance et se développent à partir de zones circulaires blanchâtres d’environ 35 µm de diamètre à la surface de l’échantillon. On pourrait expliquer la forme de ces figures par le fait qu’après avoir traversé l’intervalle d’air, chaque décharge en effluve constituerait un prolongement de l’électrode haute tension qui se pose telle une pointe sur le film de PMMA à la surface duquel se développe alors une arborescence. Ces traces laissées par les décharges en surface seraient dues à l’humidité puisqu’elles ne sont pas observées sur des échantillons secs. Nous avons constaté que l’extension maximale des arborescences augmente avec la durée de vieillissement sous dé charges couronne. Les longueurs mesurées pour une tension appliquée de 12 kV, une épaisseur de l’intervalle d’air de 5 mm, varient de 26 µm à 173 µm pour des durées de vieillissement respectives de 1h et 12h. D’autre part, à partir de 8h de vieillissement la surface de l’échantillon se couvre de points blancs qui dénotent du degré de dégradation avancé du matériau (Fig.3). 1h 4h 8h 12h Fig.3. Micrographie MEB de PMMA vieilli sous décharges couronne C. Modèle de groupements OH mécanisme de formation des La structure du PMMA est représentée ci-dessous : O H C C H O OCH 3 H C C C H H Les groupements hydroxyles OH se forment en deux étapes : - 1er étape : la rupture de liaison C-O-CH3 de l’ester qui se trouve au niveau des branches sous l’action de la décharge électrique. O OCH 3 H C C C C H H H - OCH 3 2eme étape : l’ozone produit dans la décharge électrique arrache les atomes d’hydrogène des groupements méthyle (C-H) pour former des groupements OH avec la participation de l’humidité ambiante. O CH 3 O O C• C CH 2 hν C C CH 2 H O• + CH 3 H O O OH C C• H 2O CH 2 C + O • CH 3 CH 2 H La dégradation superficielle par décharges électriques se produit par érosion dans un premier temps ensuite par des fissures et la formation de cratères superficiels [7,8]. L’érosion a lieu suite à une importante élévation de température locale due à un taux élevé de répétition de la décharge. L’énergie des électrons tombant sur le diélectrique est supérieure à 10 eV, ce qui provoque la rupture de liaisons moléculaires à la surface du solide et la formation d’ozone O3 dans l’intervalle d’air [9]. Un canal peut se développer dans le matériau à partir de points localisés sur la surface du solide [7,8]. Dans notre cas, c’est une arborescence qui se propage, non pas en volume, mais à la surface du solide. + OH CH 3 H constitution des canaux de ces arborescences et de leur point d’initiation. REFERENCES [1] [2] [3] [4] IV. CONCLUSION Le PMMA soumis à une décharge à barrière diélectrique, subit une dégradation qui se traduit par la rupture de certaines liaisons chimiques et la formation de groupements carboxyliques OH qui pourraient favoriser la conduction superficielle [5]. Nous avons mis en évidence le phénomène de dégradation par un développement important d’arborescences en surface alors que l’électrode haute tension ne repose pas sur le solide isolant. Leur développement serait lié à l’existence d’humidité à la surface de l’échantillon puisqu’à l’état sec ce phénomène n’a pas été observé. La longueur des arborescences de surface augmente avec la durée d’exposition aux décharges couronne. La dégradation s’intensifie à partir de 8h de vieillissement. de déterminer de façon précise la C [5] [6] [7] [8] [9] R. Hackam, “Outdoor HV Composite Polymer Insulators”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol.6, N°5, pp. 557-585, 1999. R. Bartnikas, “EngineeringDielectrics – Vol. I: Corona Measurement and Interpretation”, ASTM Press, Philadelphia PA, 1979. A.J. Philips, D.J. Childs and H.M. Schneider, “Water drop corona effects on full-scale 50kV non-ceramic insulators” IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.14, pp. 258-265, 1999. G. Zhang, W. Zhao, Y. Sun and Z. Yan, “Surface discharge phenomena of silicon in atmospheric air” Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, 2003. 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