Recherche dévoilant les mécanismes de dégradation des silicones sous suivi électrique : une avancée scientifique

Introduction : Motivation et problématique

Avec le développement rapide des systèmes de transmission et de distribution d’énergie, les isolateurs composites polymériques ont progressivement remplacé les isolateurs traditionnels en verre et en céramique, devenant ainsi le matériau de choix dans le domaine des transmissions haute tension en extérieur. Parmi eux, les isolateurs composites à base de caoutchouc de silicone attirent l’attention grâce à leur légèreté, leur haute résistance thermique, leur excellente stabilité chimique et leurs propriétés hydrophobes remarquables (hydrophobicité). Non seulement ces isolateurs sont rentables en termes de production et d’installation, mais ils offrent également d’excellentes performances anti-vieillissement à long terme. Cependant, dans des conditions réelles d’exploitation, ces matériaux peuvent progressivement se dégrader sous l’effet de contraintes électriques et environnementales (telles que haute tension, variations météorologiques, corrosion saline, etc.), risquant ultimement de provoquer des défaillances des équipements voire des pannes dans le réseau électrique. Par conséquent, comprendre en profondeur les mécanismes de dégradation des matériaux en silicone et étudier les modifications structurelles majeures survenant lors de tels processus revêt une importance scientifique et pratique capitale.

Pour répondre à cette problématique, la présente étude examine les échantillons réels d’isolateurs en silicone utilisés sur le terrain, soumis à des tests de suivi électrique (tracking wheel test) simulant les modifications structurelles en surface provoquées par des contraintes électriques et environnementales prolongées. Des technologies spectroscopiques de pointe, telles que la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier par réflexion totale atténuée (ATR FT-IR) et la spectroscopie de corrélation bidimensionnelle (2D-COS), sont utilisées pour explorer les changements structurels moléculaires pendant la dégradation. À travers cette recherche, les auteurs visent à dévoiler les mécanismes dynamiques de transformation, de l’échelle macroscopique à microscopique, sous l’effet de ces contraintes, contribuant ainsi à la prédiction de la durée de vie des isolateurs et à l’amélioration de leurs procédés de fabrication.

Origine de l’article et auteurs de la recherche

Cet article a été rédigé conjointement par Harpreet Kaur, Kavin Bhuvan, Rajkumar Padmawar, et Dennis K. Hore. Ces auteurs sont affiliés respectivement au Département de chimie de l’Université de Victoria (Canada), à ASASoft Canada Inc., et au Département d’informatique de la même université. La recherche a été publiée dans Applied Spectroscopy, numéro spécial consacré à la “spectroscopie de corrélation bidimensionnelle (2D-COS)”, volume 79, numéro 1 de 2025, avec les références de l’article allant de 199 à 205.

Processus de recherche détaillé

Conception de l’expérience et méthodes clés

Cette étude explore les phénomènes de dégradation en surface et à l’échelle moléculaire des isolateurs composites en silicone soumis à un suivi électrique, à travers une série d’expériences rigoureusement contrôlées. Voici les principales étapes expérimentales :

1. Préparation des échantillons et déroulement de l’expérience :

   • Cinq isolateurs composites en silicone de 15 kV ont été sélectionnés, nettoyés, puis montés sur un dispositif de suivi électrique (tracking wheel) pour expérimentation.
   • Le dispositif simulait les conditions dynamiques de fonctionnement en présence d’un environnement salin à forte concentration (1,4 g/L de solution de NaCl) et de haute tension (12,5 kV). Le protocole expérimental associait des cycles humides (immersion de 40 secondes dans la solution saline) et des cycles de séchage (refroidissement simulant un fonctionnement en rotation). Finalement, des tests ont été réalisés après des cycles allant de 20 000 à 30 000 tours.

2. Caractérisation spectroscopique et évaluation de l’angle de contact :

   • Des spectres ATR FT-IR ont été produits pour analyser les bandes de 500 cm⁻¹ à 3700 cm⁻¹, correspondant aux changements d’absorption infrarouge des différents groupements fonctionnels présents en surface. Le recours à la spectroscopie 2D-COS a permis de révéler l’ordre et les séquences des changements moléculaires via des cartes synchrones et asynchrones.
   • La méthode des angles de contact statiques a été utilisée pour évaluer les changements d’hydrophobicité. Les mesures de cinq gouttes d’eau déminéralisée ont été moyennées pour chaque échantillon.

3. Méthodes d’analyse des données :

   • Une échelle de Pareto a été appliquée dans les spectres de corrélation bidimensionnelle pour mettre en évidence les variations moléculaires subtiles.
   • Le séquencement des réponses moléculaires aux contraintes externes a été défini par les règles de Noda à partir des signes des spectres synchrones et asynchrones.

Résultats et interprétations

1. Résultats des spectres ATR FT-IR :

   • Les analyses ont révélé une diminution significative de l’intensité des pics d’absorption infrarouge, correspondant aux divers groupements fonctionnels. Les pics du squelette Si-O-Si (1010 cm⁻¹), des groupements Al-O et des hydroxyles dans la charge ATH (555, 663, 733 cm⁻¹ et 3200–3700 cm⁻¹), ainsi que des chaînes latérales méthyle (789, 1262 et 2965 cm⁻¹), sont systématiquement affaiblis avec l’augmentation des cycles de suivi.
   • Ces observations traduisent un processus de dégradation incluant la rupture des chaînes principales, la décomposition de la charge ATH (formation de cristaux d’alumine) et un durcissement de la surface.

2. Mesures d’angle de contact et hydrophobicité :

   • L’angle de contact est passé de 91° pour l’échantillon d’origine à 99° après 30 000 cycles, indiquant une amélioration de l’hydrophobicité en raison de l’effet des contraintes électriques et salines. Cette amélioration est attribuée à une augmentation de la rugosité microscopique de la surface, un phénomène similaire à l’effet lotus.

3. Ordre de dégradation révélé par la spectroscopie 2D-COS :

   • En basse fréquence, l’ordre des modifications est le suivant : Al-O et hydroxyles (dans l’ATH) > chaîne principale Si-O-Si > chaînes latérales méthyle.
   • En haute fréquence, les différents pics d’hydroxyles diminuent selon un ordre précis, le pic 3520 cm⁻¹ changeant avant 3620 cm⁻¹.
   • L’ensemble du spectre montre que la dégradation des charges ATH se produit rapidement en premier, suivie par la rupture du squelette silicone, et enfin par des modifications des groupes méthyles en surface.

Conclusion et valeur scientifique

Cette étude a analysé de manière systématique les changements structurels moléculaires et de surface des isolateurs composites en silicone soumis à des contraintes intenses de suivi électrique en milieu salin. Les résultats démontrent que la dégradation comprend des phénomènes tels que la désintégration des charges, la rupture des chaînes principales et le durcissement de la surface. Les implications sont les suivantes : - Valeur scientifique : Elle fournit une compréhension approfondie des mécanismes de dégradation des matériaux en conditions extrêmes, soutenant le développement théorique sur la stabilité et la durabilité des isolateurs en silicone. - Valeur pratique : Les données obtenues permettent de modéliser la durée de vie des isolateurs pour les entreprises d’énergie, réduisant ainsi les risques de pannes imprévues et les coûts de maintenance.

Points forts de l’étude

1. Innovation méthodologique : L’application de la spectroscopie 2D-COS fournit des informations inédites sur l’ordre temporel des modulations des groupements fonctionnels pendant la dégradation.
2. Impact applicatif : Cette recherche répond aux questions liées à la stabilité structurelle des matériaux isolants dans des environnements complexes.

Perspectives futures

À l’avenir, cette recherche pourrait être étendue à des variables environnementales plus diverses (p. ex. UV extrême, pluie acide), couplées à des algorithmes prédictifs d’intelligence artificielle, afin de fournir des outils encore plus précis pour la prédiction de la durée de vie et l’optimisation des formulations de matériaux polymères isolants.