電流積分法と分子動力学・量子化学計算による新規の直流高分子絶縁材料の分子設計

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2022年度の研究実績の概要は、以下のとおりである。①電流積分電荷法：6種類の高分子絶縁材料(LDPE、XLPE、PET、PI、PC、PEN)に対して、電界特性では1～100kV/mmまで、温度特性では20～80℃までの電荷蓄積特性を計測した。その結果、20℃では100kV/mmの電界を印加してもPET、PC、PENの試料内部に電荷が蓄積されることはなく、電極に誘起された電荷のみであることがわかった。一方、80℃ではPENを除くすべての試料で漏れ電流が支配的であった。この場合、電荷はLDPEおよびXLPEの無極性高分子絶縁材料が最も蓄積しやすく、PET、PI、PC、PENの有極性高分子絶縁材料では蓄積しにくいことがわかった。これらの成果の一部は、2022年10月に開催された国際会議（CEIDP2022）で口頭発表した。②分子動力学・量子化学計算：分子動力学計算に関しては、LDPEに酸化防止剤を約2wt%添加した計算は既に終了しているが、実際の電力ケーブル等では添加量が一桁少ない0.2wt%程度添加させていることが判明しているので、もう少し大規模計算が必要であると考えている。量子化学計算に関しては、LDPE、XLPE、PET、PI、PC、PENの重合度n=5までの量子化学計算をおこない、電界を印加すると、実質的なHOMO準位およびLUMO準位はフェルミ準位と同じ傾きで傾斜することがわかった。また、PENに焦点をあて、隣接する構成ポリマー（2,6-ナフタレンジカルボン酸(NDA)とエタン）が形成する深いトラップ準位（ホールトラップ、電子トラップ）がホールや電子の移動を妨げ、PEN内部での電荷蓄積を抑制することがわかった。これらの成果も、2022年10月に開催された国際会議(CEIDP2022)で口頭発表した。