Etude de la dégradation du PMMA soumis à une décharge couronne

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.
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
Etude de la dégradation du PMMA
soumis à une décharge couronne
M. A. HANDALA
1
, N. KIRECHE
1
, S. RONDOT
2
, E. BELHITECHE
1
1
Université Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou, Algérie
2
GRESPI université de Reims, France
Film de PMMA
Barrière en verre
380 V
Fig.1. Dispositif expérimental
V
OSC PC
Z
R

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.
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.
Fig.2. Spectre du PMMA vierge
et vieilli sous décharges durant 18h
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
Nombre d'onde (cm
-1
)
18h
PMMA humide vieilli sous décharges couronne
Vierge

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).
C. Modèle de mécanisme de formation des
groupements OH
La structure du PMMA est représentée ci-dessous :
Les groupements hydroxyles OH se forment en deux
étapes :
- 1
er
étape : la rupture de liaison C-O-CH
3
de
l’ester qui se trouve au niveau des branches
sous l’action de la décharge électrique.
- 2
eme
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.
C
H
H
C
C
O
3
OCH
H
C
H
H
C
C
O
3
OCH
H
C
H
H
C
C
O
3
OCH
H
Fig.3. Micrographie MEB de PMMA vieilli sous décharges couronne
4h
8h
1h
12h

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.
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
constitution des canaux de ces arborescences et de
leur point d’initiation.
REFERENCES
[1] R. Hackam, “Outdoor HV Composite Polymer Insulators”,
IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,
Vol.6, N°5, pp. 557-585, 1999.
[2] R. Bartnikas, “EngineeringDielectrics – Vol. I: Corona
Measurement and Interpretation”, ASTM Press, Philadelphia
PA, 1979.
[3] 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.
[4] 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.
[5] M.A. Handala and O. Lamrous, “Surface degradation of
styrene acrylonitrile exposed to corona discharge”, European
Transactions on Electrical Power, pp. 494-505, 2008.
[6] S. Kumagai and N. Yoshimura, “Impacts of Thermal Aging
and Water Absorption on the Surface Electrical and
Chemical Properties of Cicloaliphatic Epoxy”, IEEE Trans.
Dielectr. Electr. Insul., Vol. 7, N° 3, 2000.
[7] B. Marungsri, H. Shinokubo and R. Matsuoka, “Effect of
Specimen Configuration on Deterioration of Silicone
Rubber for Polymer Insulators in Salt Fog Ageing Test”,
IEEE Trans. Electr. Insul., Vol. 13, N°1, 129-138, 2006.
[8] T.G. Gustavsson, S.M. Gubanski, H. Hillborg, S. Karisson
and U.W. Gedde, “Aging of Silicone Rubber under AC or
DC Voltages in a Coastal Environment”, IEEE Trans. Electr.
Insul., Vol. 8, N°6, 1029-1039, 2001.
[9] C.G. Garton, “The energy of discharges and their interaction
with solid dielectrics”, Paper 45 in Gas Discharges and the
Supply Industry, Butterworths, 1962.
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