Dielectric properties of ion-exchanged electrotechnical insulation papers : A study on the properties of novel papers

Electrical insulation papers are a widely used group of papers in insulation applications and has been used for more than 100 years. Common applications include use as the dielectric medium in capacitors and insulation material in cables, bushings and transformers. As new advances in the study of the electrical properties of paper are made, the prospects of future applications grow. One interesting prospect is the use of paper as a substrate in sensing devices, biodegradable, printed and flexible electronics. Paper is a renewable and recyclable material and it would therefor be desirable to replace non-renewables materials such as plastics with paper as e.g., substrate in printed electronics. For this to be feasible the paper must be able to meet the electric and dielectric requirements of the intended application, among which low dielectric losses is a key parameter. One way to alter and control the electric and dielectric properties of a paper sample is through the selection of different ions in the ion-exchange step of the paper making process. In a collaboration between KTH Royal Institute of Technology and RISE - Research Institutes of Sweden AB working within a greater Digital Cellulose Center (DCC) project, this thesis aims to measure and characterise the dielectric response of a set of novel ion-exchanged paper samples together with a set of reference papers currently used in electrical applications. The greater goal of RISE work is to understand and map the influence of ion choice in order to better understand and control the dielectric properties of paper. The samples were measured using an impedance spectroscopy method from which capacitance and permittivity can be calculated. A parallel plate Kelvin guard-ring capacitor consisting of two electrodes and a guard ring placed in a custom made climate controlled chamber was used to measure the samples in different environmental conditions. The results show that the choice of ion used in the ion-exchanged pape
Elektriska isoleringspapper är en flitigt använd grupp av papper i isoleringsapplikationer och har använts i mer än 100 år. Vanliga applikationsområden inkluderar användning som dielektriskt medium i kondensatorer och isoleringsmaterial i kablar, genomföringar och transformatorer. I takt med att nya framsteg görs inom olika pappers elektriska egenskaper växer utsikterna för framtida tillämpningar. En intressant möjlighet är användningen av papper som substrat för sensorer, biologiskt nedbrytbar, tryckt och flexibel elektronik. Papper är ett förnybart och återvinningsbart material och det vore därför önskvärt att ersätta icke förnybara material som plast med papper som t.ex. substrat i tryckt elektronik. För att detta ska vara genomförbart måste papperet kunna uppfylla de elektriska och dielektriska kraven för den avsedda applikationen, bland vilka låga dielektriska förluster är en nyckelparameter. Ett sätt att ändra och kontrollera de elektriska och dielektriska egenskaperna hos ett pappersprov är genom valet av olika joner i jonbytessteget i papperstillverkningsprocessen. I ett samarbete mellan KTH Kungliga Tekniska Högskolan och RISE Research Institutes of Sweden AB som arbetar inom ett större Digital Cellulose Center-projekt, syftar denna avhandling till att mäta och karakterisera den dielektriska responsen hos en uppsättning nya jonbytta pappersprover tillsammans med en uppsättning referenspapper. Det övergripande målet i RISE arbete är att förstå och kartlägga påverkan av jonval för att bättre förstå och kontrollera pappers dielektriska egenskaper. Proverna mättes med en impedansbaserad mätmetod från vilken kapacitans och permittivitet kan beräknas. En Kelvin plattkondensator bestående av två elektroder och en skyddsring placerad i en skräddarsydd klimatkontrollerad kammare användes för att mäta proverna under olika miljöförhållanden. Resultaten visar att valet av jon som används i jonutbytet kraftigt påverkar provets dielektriska respons, både dess dielektrisk