Trong một báo cáo nghiên cứu khoa học, đăng trên tạp chí Vật liệu Tiên tiến (Advenced Materials) nhóm nhà khoa học do  Christian Müller, giáo sư khoa học Polymer tại Đại học Công nghệ Chalmers đưa ra phương pháp làm giảm đáng kệ độ dẫn điện của vật liệu cách điện.

Sử dụng cáp HVDC mang lại nhiều lợi ích kinh tế kỹ thuật đối với ngành điện. Trong cáp cao thế dòng điện một chiều, điện có thể chạy theo cả hai hướng, một phương thức hoàn hảo để kết nối các mạng lưới điện trên những địa hình bị ngăn cách. Những dây cáp điện cao áp một chiều có thể được chôn và đặt dưới đáy biển, mở rộng mạng lưới điện và kết nối những khu vực khác nhau trên thế giới.

Mặc dù truyển tải điện bằng cáp HVDC có ưu thế hơn hẳn chuyển tải điện bằng cáp cao thế xoay chiều, các nhà khoa học muốn cáp HVDC tốt hơn nữa. Nhằm giảm tổn thất điện đến mức nhỏ nhất trong dây cáp, cần phải tăng điện áp truyền tải.

Các loại cáp điện tiên tiến nhất hiện nay sử dụng vật liệu cách điện nhựa đùn trên cơ sở polyethylene, loại nhựa tổng hợp thường được sử dụng trong những túi nhựa mua sắm thông thường. Nhược điểm vật liệu này nhạy cảm với nhiệt.

Ở nhiệt độ làm việc cao của cáp HVDC, trong khoảng 70 đến 90 ºC, vật liệu trở nên mềm. Nhược điểm này được giải quyết bằng cách tạo ra những liên kết chéo cộng hóa trị giữa các chuỗi polyme, nhưng lại có một vấn đề mới nảy sinh. Trong quá trình sản xuất, hình thành các sản phẩm phụ có hại cho môi trường, đồng thời làm suy giảm tính chất điện của vật liệu.

Giáo sư Christian Müller cùng nhóm nghiên cứu trường đại học Công nghệ Chalmers phát hiện được một phương pháp mới tạo ra loại vật liệu cách nhiệt với những đặc tính điện tuyệt vời. Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học thêm một lượng rất nhỏ chất phụ gia là polyme liên hợp (3-hexylthiophene) (P3HT) vào polyetylen, khiến độ dẫn điện của vật liệu cách điện được giảm đến mức kỷ lục.

Nồng độ cực thấp của P3HT thông thường là 0,0005% trọng lượng được tìm thấy làm giảm độ dẫn điện DC của LDPE xuống gấp ba lần, điều này chuyển thành hiệu suất cao nhất được báo cáo cho bất kỳ chất phụ gia giảm độ dẫn điện nào cho đến nay. Cách tiếp cận được thiết lập ở đây, tức là, việc sử dụng một polyme liên hợp như một chất phụ gia đơn thuần,.

Theo báo cáo khoa học này, chỉ thêm 0,0005% trọng lượng chất phụ gia polyme liên hợp P3HT, độ dẫn điện trong vật liệu cách điện một chiều giảm xuống hơn ba lần so với polyetylen không có phụ gia, hiệu suất cao nhất được xác định cho bất kỳ chất phụ gia giảm độ dẫn điện nào đến nay. Phương thức tiếp cận được thiết lập là polyme liên hợp như một chất phụ gia đơn thuần.

Các chất phụ gia đã được chứng minh là làm giảm độ dẫn điện một chiều của polyetylen mật độ thấp (LDPE), vật liệu cách điện được sử dụng rộng rãi nhất để sản xuất cáp HVDC ép đùn, bao gồm polyetylen nóng chảy cao hơn, các hạt nano oxit kim loại, các dạng thù hình cacbon và các phân tử thơm khác nhau. Thông thường cần phải thêm vài phần trăm trọng lượng của phụ gia nói trên để làm giảm đáng kể độ dẫn điện, hình thành xu hướng kết tụ trong quá trình tạo thành hỗn hợp.

Sơ đồ cáp HVDC. a) Cấu trúc cơ bản của cáp điện HVDC đùn bao gồm lõi dẫn điện (Al hoặc Cu), được bao quanh các lớp "chất bán dẫn" (cacbon composite đen), lớp cách điện ép đùn và các lớp bảo vệ bên ngoài (lớp bọc / vỏ bọc bên ngoài).

Một chất phụ gia giảm độ dẫn điện đạt được chức năng mong muốn ở nồng độ rất thấp tạo thành một lợi thế đáng kể vì không ảnh hưởng đến độ sạch của vật liệu cách nhiệt. Nồng độ cực thấp 0,0005% trọng lượng P3HT (5 ppm) làm giảm độ dẫn điện 1 chiều của vật liệu cách điện khoảng ba lần, mang lại hiệu suất giảm độ dẫn kỷ lục

Poly (3-hexylthiophene) (P3HT) là một trong những polyme liên hợp được nghiên cứu rộng rãi nhất, có được sự quan tâm cho những ứng dụng từ điện tử linh hoạt đến quang điện và nhiệt điện.  Polyme liên hợp P3HT được sử dụng làm chất bán dẫn hoặc chất dẫn, cạnh tranh trực tiếp với các loại vật liệu tiên tiến khác như perovskite kim loại hoặc silicon vô định hình trong quang điện, các dạng thù hình cacbon hoặc kim loại trong sản xuất các thiết bị điện tử đeo được. .

Ứng dụng hấp dẫn khác là sử dụng polyme liên hợp kết hợp với polyme thương phẩm như polyetylen, polystyren hoặc poly (etylen oxit). Polyme thương phẩm không chỉ lãm loãng polyme liên hợp, đắt tiền hơn mà còn tăng cường tính ổn định môi trường và tạo ra các đặc tính cơ học vượt trội. Trong một số trường hợp, chỉ cần một lượng tương đối nhỏ polyme liên hợp (2–20% trọng lượng) có thể đạt được cấp độ mong muốn về chức năng điện hoặc điện tử, sử dụng để chế tạo bóng bán dẫn hiệu ứng trường hữu cơ (FET) và pin mặt trời hoặc như vật liệu nhiệt điện.

Đây là lần đầu tiên một polyme liên hợp được sử dụng như một chất phụ gia đơn thuần cho một polyme khác, làm thay đổi tính chất polyme, các nhà nghiên cứu tin rằng khám phá này sẽ mở ra những ứng dụng tiên tiến khác trong vật liệu điện.

 Theo KH&ĐS

Trịnh Thái Bằng