TELKOM NIKA , Vol.12, No .4, Dece mbe r  2014, pp. 76 3~7 7 2   ISSN: 1693-6 930,  accredited  A  by DIKTI, De cree No: 58/DIK T I/Kep/2013   DOI :  10.12928/TELKOMNIKA.v12i4.115    763      Re cei v ed  Jul y  17, 201 4; Revi sed O c tob e r 4, 2014; A c cepted O c to ber 27, 20 14   Improving the Dielectric Properties of High Density  Polyethylene by Incorporating Clay-Nanofiller      Ossama E. Gouda* 1 , So hair F. Mahmoud 2 , Ahm e d A. El-Gen dy 3 , Ahmed S. Haiba 4   1  Cairo Un ivers i t y , F a cult y   of E ngi neer in g, Electrical D epart m ent  Giza, Eg ypt, Ph./F ax:+ 202- 35 702 19 3/357 23 486    2,4  National Inst itute of Standar ds (NIS ), High  Voltag e Metrol og y La b.  T e rsa street, El -Haram, Giza, Eg ypt, Ph./F ax:+ 202-33 88 976 0/338 67 451   3  Nationa l Institute of Standar ds (NIS), N ano techno lo g y   and  Nanom etrolo g y  L ab.   T e rsa street, El -Haram, Giza, Eg ypt, Ph./F ax:+ 202-33 88 976 0/338 67 451   *Corres p o ndi n g  Author, e-ma il: prof_oss a ma 11@ ya ho o.co m       A b st r a ct     Polymer  nanocomposites have been used for  vari ous important industr ial applications. T he  preparation of high density polye thylene composed w i th Na-montmorillonite nanofiller using  melt  compounding method  for different  concentrations of  clay-nanofiller of  0%, 2%,  6%, 10%,  and 15% has  been successfully done. T he  morphology  of the  obtained samples w a s  optimiz ed and characteriz ed  by  scanning electron microscope  show ing  the formation  of the polymer  nanoc omposites. The t hermal stability  and dielectric properties w e re  measured for the pr epared  samples. T hermal gravimetric analysis  results  show  that thermal  stabilit y in  polymer nanocomposites  is more  t han that  in the  base polymer.  It has  been  show n  that the polymer nanoc omposites exhibit some very differ ent dielectric characteristics w hen  compared to the  base polymer.  T he dielectric  br eakdow n strength  is enhanced  by  the  addition of  clay- nanofiller. The  dielec tric constant  ( ε r ) and dissipation  factor (T an  δ )  have been studied  in the frequency  range 200 Hz  to 2 MHz  at room temperature  indicating that enhancements have been occurred in  ε r  and  T an  δ  by the addition  of clay-nanofiller  in  the  polymer material w hen  compared w i th  the  pure  material.     Ke y w ords :   p o l y mer   n anoc o m posites, hi gh d ensity poly e thy l en e,  di el ectric  break dow n, d i electric  consta nt,  dissipation factor.      1. Introduc tion    Polymers pl a y  an importa nt role for m any  appli c ati ons d ue to their uni que p r ope rtie s  whi c h  can  be  cla s sified a s  heat  sen s itive, flexible , el ectri c ally in su lating, amo r p hou s, or sem i - cry s talline m a terial s. For that reason, polym ers are  the most  comm only used  di electrics  because of t heir  reliabilit y, availability, ease of fabri c ations , and l o w  cost. The selection of  the  prop er diel ectric polyme r  for a desi r e d  appli c ation d epen ds on th e requi rem e n t s and ope rat i ng  con d ition s  of the applie d system [1]. The elect r ic al propertie s  of p o lymers ca n  be improved  by  the additio n  of inorg ani c  nano -fillers t o  the polym ers fo rmin g  new m a teri al s called  polymer  nano com p o s i t es (P NC). Polymer na no compo s ites   are com p o s ite material s hav ing seve ral  wt%  of inorg ani c particl es  of n anomete r  di mensi o n s  ho mogen eou sly  dispe r sed in to their poly m er  matrix. PNC  with better  di electri c  a nd  electri c al i n sulation p r op e r ties a r e  slo w ly eme r ging  as  excelle nt functional mate ri als for diel ectrics  and ele c tri c al insulat i on appli c atio n and the term   “nan odiel ectri c s” for su ch  material s is i n crea singly b e comi ng po p u lar. Althoug h the technol ogy  of addition of fillers to poly m ers to enha nce a pa rt icul ar diele c tri c  p r ope rty has b een in existe nce  for several decades [2]-[4], the e ffect  of filler size  on the dielec tric of the pol ymer com p osites  has  not be en  unde rstood f u lly. It is with  the adv ent of  nanote c h nol ogy leadi ng t o  the availa bi lity  and  comm ercializatio n of n anop articl es that pol yme r   nano com p o s i t e tech nology  starte d to  ga in  momentum.  Polymer nan ocom po sites  have bee n f ound to exhibi t enhan ced p h ysical, thermal,  mech ani cal,  and  diele c tri c  pro p e r ties  when  com p a r e d  to the  tradi tional polym e r  mate rial s a nd  that too at low nano-filler  concentrations [1-10% ] [5]-[7]. However it is only recently that the  diele c tric p r o pertie s  of su ch polyme r  n ano comp osit es we re loo k ed into and limited, rese a r ch   results demo n strate   very encouragin g  diele c tric  pr operties  for thes e materi als. Ir r e s p ec tive of  the type of b a se  polyme r   material  (the rmopla s tic or thermo set), significa nt  enh ancement s  in   several phy sical properties, like  therm a l conductivity (w ith conducting fillers)  or di electri c   prop ertie s  like resi stivity,  permittivity, d i ssi pation  fa ctor, dielect r ic stren g th, tracki ng an d pa rtial   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 12, No. 4, Dece mb er 201 4:  763  – 772   764 discha rge  re sista n t  ch aracteri stics  (with insul a ting  fillers)  were   observed when comp are d   to  simila r prop erties in tra d itional n eat  polymer s [ 8 ]-[10]. The s e ob servatio ns  we re ma inly  attributed to  the uniqu e p r ope rtie s of nano parti cle s  and the larg e interfa c ial  area i n  poly m er   nano com p o s i t es [11]-[13].                  The  p r esent  work  f o cu se s  o n   th e  diele c tri c   p r ope rtie s  of  PE  nano com posite s .  Polyethylene  is on e of the   thermo pla s tic polyolefi n  which i s  traditi onally on e of  the mo st wi d e ly  use d  polyme r  cla sse s  with  appli c ation s  i n  stru ctu r al, textile, and pa ckagin g  indu strie s , and th eir  nano com p o s i t es h a ve fou nd m u ltiple  a pplication s  fo r the  same   use s . T h is p aper  sho w s t h e   prep aration  and charact e rization of  high den sity polyethylene compo s ed  with Na- montmorill oni te clay-n anof iller (HDPE/clay) with di fferent con c en trations of  cl ay-nan ofiller as  0%, 2%, 6%, 10% and 15%. Then the diele c tri c  pr ope rties,  su ch as di el ectri c  co nsta nt,  dissipatio n factor, diele c tri c  bre a kdo w n,  and insu l a tio n  resi stan ce,  of the prepa red sam p le s will  be discu s sed  and compa r e d  to the base  polymer mate rial.       2. Experimental Details  2.1. Materials                  HDPE  with  melt  flo w   rate  of  7.5  g/10min  and  den sity  of  96 0  kg/m 3  is   c h o s en  as  th e   ba s e   polymer mat e rial for the  curre n t study . It was  man u factured by the Internatio nal Com pany  for   Manufa c turi n g  Plastic P r o duct s . Sodiu m  montmo rillonite clay K1 0 (MMT ) wa s a c qui red from  fluka Chemi k a  Com pany.   Hexade cyl  Trimethyl A mmonium B r om ide, modif i er o r  su rfa c tan t   material, was obtained fro m  Merck KGa A , Darm stadt, Germa n y.      2.2. Modifica tion   of Cla y                    The  p r epa ratio n   of   polymer/ c lay   nano com p o s ites  with  g o od  di spe r si o n   of  clay  lay e rs   within the p o l y mer matrix i s  not po ssibl e  by  physi cal  mixing of po lymer and  cla y  particle s . It is  not ea sy to  dispe r se n anol ayers in  mo st polyme r s du e to the  high  face  to fa ce  st acking  of lay e rs  in aggl ome r a t ed tactoi ds  and thei r int r i n si c hyd r op hi lisity whi c h  make  them i n com patible   with  hydrop hobi c  polymers. Th e intrin sic i n compatibility  o f  hydrophili c  clay layers  with hydrop ho bic  polymer  chai ns p r event s the dispe r sio n  of clay  nanol ayers  within  polymer m a tri x  and ca uses to  the weak interfacial  interactions.   Modific a tion   of clay  layers with  hydro pho bic agent s  i s   necessa ry in orde r to ren d e r the clay la yers mo re  co mpatible with  polymer ch ai ns, and result in   a larg er inte rlayer spa c ing .  In addition, impr oving t he strength  of t he interfa c e bet wee n  the  inorg ani c a n d  the  polym er m a trix. So, Na -MMT   clay i s  mo dified  with the  com patibli ze r of  Hexad e cyl Tri m ethyl Ammonium Bromi d e [14].                   100g  of  clay  wa s  d i spe r sed  in to  1000 ml of methanol  sol v ent and pla c ed o n  hot pl ate  with ma gneti c  sti rre r to  allow  co ntinu ous  stir ring  for 2 hou rs.  On the  othe r ha nd, 10 0 g  of  hexade cyl tri m ethyl ammo nium bromide  was  diss olve d in 500 ml of  methanol. T hen the  soluti on  wa s add ed to  clay dispersi on. T he  stirri ng co ntinue d  for 72 ho urs.  After that, th e modified  cl ay  wa s filtere d  a nd colle cted.  Finally  the filtrate  wa s d r ie d in a va cu u m  oven at  70  °C fo r 6  hou rs  [15].      2.3.  Prepara t ion  of HDPE/Cla y  Composites                 The  concentratio n s  of  mo difi ed  clay-n anofille r  were a dde d  as 0%, 2%,  6%, 10%, a n d   15% into  the  ba se  polym er m a teri al.  HDPE/cl ay   Nano co mpo s i t es we re pre pare d  by  me lt  c o mpounding method  (mas ter batch  method)  us ing twin  s c rew extruder (TSE) at z ones  temperature  163° C 1 67° C, and 16 7° C, for zone  1,  zone 2, a nd  zone 3  re spe c tively. The scre w  spe ed  wa s  maintaine d  3 0  rpm. After extru s ion, t he d r ied  p e llets of  nan ocompo sites  were   preh eated u s i ng Morg an Press Inje ction  unit at 160 °C for 30 min and inje cted to prod uce test   sampl e s  with  dimen s ion s   7.5 cm * 7 .5  cm *0.2 5 cm  for diele c tri c  mea s u r em ents [15]. Th e   prep ared  sa mples are  ref e rred to i n  thi s  p ape r a s   HDPE 0% (pu r e mate rial),  HDPE 2%, HDPE  6%, HDPE 10%, and HDP E 15%.        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Im proving the Dielectric Proper ties of Hi gh Densit y Polyethy lene by .... (Ossam a  E. Gouda)  765 2.4.  Char acteriza t ion of HDPE /Cla y                    The  p r epa re d  sam p les  we re  ch ara c teri ze d  b y   the  scanni n g   ele c tron   mi cro s cop e   (SE M ).  SEM is a type of elect r on  microsco pe t hat pro d u c e s  image s of a  sampl e  by scannin g  it with  a   focu sed b e a m  of electron s. The ele c trons inte ra ct with atom s in  the sampl e , prod uci ng variou s  sign als that  ca n b e  d e t ected  and  that cont ain  informatio n about  th e sample' s  su rface  topography a nd com p o s ition. The sca n n ing ele c tr o n  micro s cop e  image s we re  carried o u t by  usin g SEM,  model Qu ant a 250 FEG (Field Emissi on Gun )  attache d  with EDX unit (Ene rgy  Dispersive X-ray Analyse s ), with accele rating  voltage  30 kV, mag n i f ication 14x u p  to 1000 000 x,  and a re sol u tion of 1nm.                   Thermal  stability  is  measured  by using  thermo gravi m et ric  analy s is (TGA). TGA  experim ents  were don e by a shimad zu  TA-50 the r m a l analyzer u s ing  scanni n g  rate of 5 °C/min  unde r N 2  with  20 ml/min flow rate, from room tempe r a t ure to 600 ° C .      2.5. Dielectric  Propertie s                  Dielectric  bre a kdo w n  refe rs  to   a  rapi d  red u ction   in  th e   re si stan ce  of  an   ele c tri c al   insul a tor  wh en the volta ge appli ed  across it  excee d s the  b r ea kdo w n vo ltage. Diele c tric  brea kd own measurement s we re pe rf orme d usi n g   AC Diele c tric Te st Set, Figure 1 1 . The   sampl e s we re sa nd wiched  betwe en two  elect r od es  a nd teste d  at  room temp era t ure u nde r an  ac  voltage ra mp  of 750 V/Sec. Th e a c   voltage was  increa sed  wit h  a rate of  750 V/Sec  u n til  brea kd own o c curred.                   Dielectric   c o ns tant  is   c a lled  rela tive permittivity which i s  a  para m eter th at indicates th e   relative cha r ge storage   capability  of di electri c s  in  th e p r e s en ce  o f  an el ect r ic field. The  u s e d   instru ment i s  an Agile nt  E4980A L CR meter  with  diele c tric sa mple h o lde r , Figure 1 0 . The  equivalent pa rallel capa cit ance (C p ) is measured directly by the  LCR meter, then the diele c tri c   con s tant is  ca lculate d  as  sh own  below in the results  section.                  Dissi p a tion  fa ctor  i s   calle d  lo ss  tangent  or   T an  δ . It repre s ent s the  en ergy lo ss in  the  diele c trics  an d it is p r eferred to  be  sm a ller fo r  in sul a tion mate rial s.  It wa s m e a s ured  di re ctly by  an Agile nt E4 980A L C R m e ter  with diel ectri c   sampl e  holde r in  the  frequ en cy ra nge 2 00  Hz to 2   MHz at room  temperature.                    A l so,  insul a t i on re si st an ce w a s m eas ure d  dir e ctly by LCR meter at the s a me c o nditions .      3. Results a nd Discu ssi on  3.1.  Scanning Electro n Micro scop y  (SEM)                          The morp holo g y of the SEM image s for  HDPE with 2%  clay, 6% cla y , 10% clay, and  15% clay co mposite s  is  shown in Figu res 1 - 4 re spe c tively. Each sampl e  ha s two imag es  with   different m a gnifications. Al l SEM  imag e s  fo r all  sam p les reve aled  that, clay  was  disperse d  in  polymer  matri x  very well  and there  wasn’t any ac cumulation of  cl ay-nanofille r i n  it. An important  observation i s  that the thickne s s  of clay  content is  still in nano-si ze rang e. This means th at the  sampl e s  we re su ccessfull y  prepa red.         Figure 1. SEM image s for  HDPE 2% sa mple at (20 0 x & 40000x) m agnification s  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 12, No. 4, Dece mb er 201 4:  763  – 772   766     Figure 2. SEM image s for  HDPE 6% sa mple at (20 0 x & 40000x) m agnification s          Figure 3. SEM image s for  HDPE 10% sample at (2 00 x & 40000x) magnification s          Figure 4. SEM image s for  HDPE 15% sample at (2 00 x & 40000x) magnification s      3.2. Thermal  An a l y s is                  The  therm a l  stabili ty  of  the  pr e pare d  sa mpl e s was m easured u s in g thermo -g ravim e tric  analyzer (TG A ). In this techniqu e, the weight loss  of the materi al d ue to the formation of volatile  comp oun ds u nder d e g r ad a t ion becau se  of the  heating  and tempe r a t ure ri sing i s  monitored.                           The data available  from TGA is t abulate d  in T able 1 a nd g r aphe d in Fig u re 5 in clu d in g  T 10%  (onset t e mpe r ature),  the tempe r at ure  at wh ich  10% de grada tion from  the  sam p le  occu rs,   T 50% , the temperature  at  whi c h  50%  deg rad a tion  occu rs, T max , the temperature at  wh ich   maximum de grad ation o c curs, an d re sid ual loss at 60 0 °C.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Im proving the Dielectric Proper ties of Hi gh Densit y Polyethy lene by .... (Ossam a  E. Gouda)  767 Table 1. TGA  result s for HDPE and HDPE/clay comp osite s   Samples  T 10 %   (°C )  T 50 %   (°C )  T max  (°C )   Resid u al Weig h t  Los s ( m g)   at 600 ° C   HDPE  0%   403.6  451.4  478.3   0.32  HDPE  2%   403.5  451.6  479.3   0.42  HDPE  6%   396.7  459.0  481.2   1.24  HDPE  10%   399.1  463.1  484.2   1.77  HDPE  15%   405.3  464.8  485.1   4.34                                                                                   Ac c o rding  to  TGA   results   as   shown in figure 5, the inco rpo r ation of  MMT to HDPE  improve d  the  thermal  sta b ility at higher de gra datio n tempe r ature ran g e s  co mpared to p u re   HDPE. T he t e mpe r ature o f  the 10%  de grad ation  of  HDPE  2%, HDPE 6%  and  HDPE 10%   ha s  been  shifted  to lo we r t e mpe r atures rel a tive to  HDPE 0%,  whil e the   10% de grad ation   temperature   of HDPE 15 % shifted to   highe r te mp e r atures comp ared  to  HDP E 0%. The  5 0 %  and maximu m degradatio n temperatures have  bee n  shi fted to hig her temp erature s  compa r e d  to   HDPE 0%. This me an s that, thermal stabilit y has b een o c curred  with  increasi ng  the  con c e n tration  of MMT composed to HDPE. The  re sidu al weig ht of the samples at 600  ° C   increa sed  with increa sing t he co ncentrat i on of clay co mposed to  HDPE. Thus, therm a l stabili ty  of HDPE/clay  has be en im proved  com p ared to pu re  HDPE.           Figure 5. TG A curve s  for  HDPE an d HDPE/clay co mposite s       3.3. Dielectric  Propertie s   3.3.1.  Dielectric Br eakdo w n  Str e ngth                            The dielectri c  b r ea kdo w n  stren g t h of the com posite s  is a n a lyzed u s in g an AC diele c t r ic  test set at ro om temperature. The test  wa s  rep eated  5 times for each  sampl e  and the avera g e   value wa s re corde d  and pl o tted as sh own in Figure 6.      0 5 10 15 20 25 0 100 200 300 400 500 600 700 HDPE   0% HDPE   2% HDPE   6% HDPE   10% HDPE   15% Temperature   ( ⁰ C) Weigh t   Lo ss   (mg)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 12, No. 4, Dece mb er 201 4:  763  – 772   768     Figure 6. Diel ectri c  brea kd own  stren g th  measurement  for HDPE/cl a y  compo s ites                  Figure  6  shows  the  behavior  of  the dielectric  strength fo r HDPE/clay composites.  Results show that the dielectric breakdown volt age increases with increasing the  concentrations  of clay-nanofiller to HDPE when compared to the  pure material having the same dimensions  until reaching to an optimum value (36.1 kV) at  HDPE 6% then, the breakdown voltage starts to  decrease at 10%,  and 15% clay-nanofillers.  Alt hough the breakdown  voltage decreases at  10%  clay-nanofiller, it’s value  still larger than  the va lue of  pure material. It  is observed that  the  breakdown voltage value of the sample HDPE 15%  is lower than that of pure material. As  a  result, the dielectric breakdown  strength has  been improved  at all concentrations of  clay- nanofiller except 15% clay  conc entration when compared to  the unfilled material. The  optimum  enhancement occurred at HDPE 6%.       3.3.2.  Dielectric Co nsta nt ( ε r )                  Measured  qua ntity  wa s the eq u i valent parall e l ca pa citance (C p ) of the  sampl e s i n  the  freque ncy ra nge 200 Hz  t o   2  M H z,  the n   the diele c tri c  con s tant ( ε r ) is calculate d  by the  follo wing   equatio ns [16 ]  and plotted as sho w n in  Figure 7.                       Cᴘ ₀ᵣ                                                                                                                                                   (1)                      εᵣ C ᴘ ₀                                                                                                                                                  (2)              Whe r e:  ε₀  = 8.854*1 0 -12  F/m is the p e rmittivity of free sp ac e, (A) i s  the a r ea  of electrode s, a n d   (t) is the thickness of the sample s.                    Figure 7 sh ows the variatio n of  the diele c tric con s tant  ( ε r ) with fre quen cy at ro om  temperature  for all  sample s. Ob se rved  differen c e s   were fo und  in  diele c tric con s tant b e twee n   pure  HDPE a nd HDPE co mposite s  with  different con c entration s of clay-na nofille r. It is seen that,  ε r   decre ases with  in cre a s ing  fre que n c y for all  sa mples.  An i m porta nt ob servatio n i s   that  diele c tric  co n s tant de crea se s co nsi d e r ably wi th the  addition of  clay-n anofille r up to 6% filler  con c e n tration ,  and then it increa se s at 10%  and 15 % filler con c entration s. T he value of  ε r  at  HDPE  10% i s   still lower than that of  pure HDPE  and  its value  at HDPE 15%, i s   higher than t he  pure m a terial . The increa sing of  ε r  at 1 0 % and 15%  filler con c en trations m a y be due to th e   31. 3 33. 5 36. 1 34 30. 1 20 25 30 35 40 HDPE   0% HDPE   2% HDPE   6% HDPE   10% HDPE   15% Voltage   (kV ) Dielectr ic   Breakdown   Voltage Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Im proving the Dielectric Proper ties of Hi gh Densit y Polyethy lene by .... (Ossam a  E. Gouda)  769 effec t  of  ε r  of  comp osite s  (i nclu sio n s  + matrix) on th e  re sultant pe rmittivity [17],[18]. This me an s  that an enha n c eme n t occu rred in diel ect r ic co ns ta nt at 2%, 6%, and 10% filler co nce n tration s .           Figure 7. Fre quen cy dep e nden ce of die l ec tri c  co nsta nt at room temperature       3.3.3.  Dissipa tion Factor (Ta n   δ )                 Figure  8  s h ows   the  variation of  the dissi pati on facto r  (Ta n   δ ) with fre quen cy at ro om  temperature f o r all  sampl e s. As sho w n i n  the figure, Tan  δ  de crea se s with in cre a sin g  freq uen cy  for all sa mpl e s. Also a n  importa nt observation i s  that Tan  δ  de cre a s e s  wit h  incr ea sing t h e   concentrations of  clay-nanofiller in corporated i n  poly m eri c  material  up to 6% fill er  concentrati on,  then it fu rth e r i n crea se s at 1 0 % an d 15%  f iller co ncentratio n s. T h is ma y be  due  to  the  increasing of  conductivity accord i n g to increasi ng of  nano-filler concentration  [17],[18]. It is seen  that the values of Tan  δ  for HDPE 10% sampl e  are le ss tha n  that of pure mate rial. On the othe r  hand, the values of Tan  δ  for 15% filler con c e n trati ons a r e  high er than that of pure mate rial.   This means that clay-n anofiller improves the dissipation fa ctor for HDPE polym eric m a terial.           Figure 8. Fre quen cy dep e nden ce of di ss ipatio n facto r  at room tem peratu r e     3. 80 4. 00 4. 20 4. 40 4. 60 2. 2 2 . 7 3. 2 3 . 7 4. 2 4 . 7 5. 2 5 . 7 6. 2 HDPE   0% HDPE   2% HDPE   6% HDPE   10% HDPE   15% Dielectric Constant Log (Frequency) 0. 000 0. 010 0. 020 0. 030 0. 040 0. 050 0. 060 0. 070 0. 080 2. 2 2 . 7 3. 2 3 . 7 4. 2 4 . 7 5. 2 5 . 7 6. 2 HDPE   0% HDPE   2% HDPE   6% HDPE   10% HDPE   15% Tan   ( δ ) Lo g   (Frequenc y) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 12, No. 4, Dece mb er 201 4:  763  – 772   770 3.3.4.  Insulation Resista n ce (R)                 Figure  9  sho w s  the  vari ation  of  the in sulat i on resi stan ce (R)  with freque ncy at  room  temperature  for all sa mpl e s. Ma rke d   differen c e s   were foun d in the insula tion re sista n c e  betwe en p u re  HDPE a nd  HDPE  comp o s ites  with diff erent  con c e n tration s  of cl a y -nanofille r. It is  see n  that, the insul a tion  decrea s e s  wi th increa sing  freque ncy for all sample s. An import ant   observation i s  that the i n sulatio n  in cre a se s  with  th e additio n  of  clay-nanofill er u p  to 6%  filler  con c e n tration ,  and then it  decrea s e s  at  10% and  15 % filler co ncentration s. Al though th at, the   insul a tion resistance value at 10% filler  concentration   is  still high er than that of  pure  HDPE. On   the other hand, the insul a tion resi st ance value  at 15% filler  concentr ations i s  lower than that  of   pure  sample.  The d e crea si ng of the  in su lation resi sta n ce  at 10% fil l er  con c e n trat ion may  be d u e   to the increa sing of cond uctivity  of composite s  at  high con c ent ration s. This mean s that an   enha ncement  occurred i n  the insul a tion re si stan ce up to 10 % filler con c entration  when  comp ared to pure m a terial.                            Figure 9. The  insulatio n  re sista n ce varia t ion wi th varia b le frequ en ci es at ro om temperature       Figures 1 0 ,1 1 sho w  the  instrum ents whic h u s e d  for diele c tric an d bre a kd own  measurement s re spe c tively.          Figure 10. Agilent E4980A  LCR meter  wi th dielectri c  sample hol der  0 500 1000 1500 2. 2 2 . 7 3. 2 3 . 7 4. 2 4 . 7 5. 2 5 . 7 6. 2 HDPE   0% HDPE   2% HDPE   6% HDPE   10% HDPE   15% Resistance   (M Ω ) Lo g   (Frequenc y) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Im proving the Dielectric Proper ties of Hi gh Densit y Polyethy lene by .... (Ossam a  E. Gouda)  771     Figure 11. Di electri c  test  set for dielect r i c  bre a kdo w n  measurement       4. Conclusio n     HDPE/cl ay  compo s ites a r e prep are d  by melt compoun ding me thod (Ma s ter Batch   method ). Mo rpholo g y structure  of  the  prepared  sa mp les i s  i n ve sti gated  by SEM. SEM ima ges  sho w  th at cl ay co ntent i s   well  dispe r se d in  the  polyme r  m a trix indi cati ng  sampl e s are   su ccessfully  prep ared. Th ermal  stabilit y and di el ectric p r op ertie s  a r e inve sti gated fo r th e  prepared samples. T G A result s show t hat HD PE nanocomposites have th erm a l stability m o re  than unfilled  polymer mate rial. Diele c tri c  brea kdo w n  strength is im p r oved by  the addition of cl ay- nanofille rs. Dielectri c  con s tant and dissipation fact o r  are studie d  at room temperatu r e in the  freque ncy  ran ge 20 0 Hz to  2 MHz. The  e x perime n tal result s sho w  that there i s  a n  enh an ceme nt  in both  ε r  an d Tan  δ   due  to the uniq u e  beh avior of  clay-n anofill er  when i n co rpo r ated i n to  the  polymer ba se matrix  HDPE. Also in sulation  re sist ance h a s be en im prove d   by the  additi on of   clay-n anofille r. From all re sults, It can b e  noticed  that  6% filler con c entration is t he optimum clay  conte n t for HDPE/clay system.      Referen ces   [1]  BX . Du, HJ.  Liu. Effects of   Atmosph e ric  Pressure  on  T r ackin g  F a il ur e of Gamma-r a y  Irradi ate d   Poly mer  Insula ting Mater i als.   IEEE Transactions o n  Die lect rics and El ectri c al Insul a tio n . 201 0; 17(2).    [2]  F. Carmona. C ond uctin g  Fille d Pol y mers.  Physica A . 1989;  157: 46 1-4 69.   [3]  Y. Bai, Z Y . Ch eng, V. B harti,  HS.  Xu, QM. Z hang.   Hig h d i electric-co n sta n t ceramic- po w d er  po l y m e r   compos ites.  Appli ed Phys ics Letters . 200 0; 76(2 5 ): 380 4-3 806.   [4]  MM. Ueki, M.  Z anin. Influ enc e of add itives  on t he d i el ectr ic strength of  High- de nsit y  P o l y eth y l e n e .   IEEE Transactions on D i el ectrics and El ectric al Insul a tio n . 1999; 6(6): 8 76- 881.   [5]  PB. Messers mith, EP. Giann elis. S y nt hesis  an d C haracter i zatio n  of La ye re d  Silic ate-Ep o xy  Nan o comp osit es.  Chem istry of Materials . 1 994; 6: 17 19-1 725.   [6]  SS. Ra y ,  M. Okamoto. Pol y mer/l a yer ed  silic ate  na noc ompos ites: a  revie w  fr om p r epar ation  t o   process i ng.  Pr ogress i n  Poly mer Sci enc e . 2003; 28: 1 539- 164 1.  [7]  R. Gensler, P.  Groppe l, V. Mu hrer , N. Mu ller.  Appl icati ons  o f  Nano partic l es  in P o l y mers f o r Electron ic  and El ectrical  Engi neer in g.  Particle a nd Part icle Syste m s C haracter i z a tio n . 2002; 19: 29 3 - 299.   [8]  T .   T anaka. Dielectric N anoc ompos ites  w i th  Insulatin g  Pro perties.  IEEE Transactions on Dielectric s   and El ectrical I n sul a tion . 2 005 ; 12(5): 914-9 2 8 .  [9]  Y. Cao, P. C. Ir w i n, K. Youn s i . T he F u ture of Nano die l ectri cs in the El ectrical Po w e r In d u str y .  IEEE  T r ansactio n s o n  Diel e ctrics a nd Electric al In sulati on . 20 04; 11: 797- 80 7.  [10]  T .  Imai, F .  Saw a , T .  Ozaki,  Y. Inoue, T .  Shim izu, T .   T anaka.  Co mparis on of Insu latio n  Break dow n   Properti es of  Epoxy N anoc ompos ites un der H o mog e n eous  an d Div erge nt Electric  F i elds . IEEE  Confer ence  of Electrical Ins u l a tion a nd D i el e c trics Phenom ena (CEIDP). 2 006: 30 6-3 09.   [11]  T J . Le w i s. Int e rfaces are t he Dom i na nt F eature of Di electrics at th e Nan o metric  Level.  IEEE  T r ansactio n s o n  Diel e ctrics a nd Electric al In sulati on . 20 04; 11: 739- 75 3.  [12]  M. Ro y ,  JK. N e lso n , RK. Ma cCron e , LS. Sc had ler. Po l y me r Na nocom posi t e Di electrics  –  T he Rol e   o f   the Interface.  IEEE Transacti ons on D i el ectrics and El ectric al Insul a tio n . 2005; 12: 6 29-6 43.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 12, No. 4, Dece mb er 201 4:  763  – 772   772 [13]  PM. Aja y a n , LS. Schadler, PV Braun.  Nan o co mp osite Sc ienc e and T e c hno logy . Ne w   York: Wile y.   200 3.  [14]  Xi ao hui  Li u,  Qiuju  W u . PP /cla y n anoc om posit es  pre par ed  b y  gr afting -melt interc al a t ion.  Els e vier   Poly m e r . 20 01;  42: 100 13-1 0 0 19.   [15]  Moham ed A. Hassa n, Ibrahi m El-Sa y ed,  Moham ed A. Nour, Aksam  A. Mohame d . F l ammabi li t y   Properti es of  HDPE N anoc o m posites B a se d on  Mo d i ficat i on  of Na-MM T   w i t h  Orga no  Sila ne  an d   Ammoni um Ph osph ate Mon o  and D i  basic.  E lixir App l . Che m .  20 12; 46: 8 328- 833 3.   [16]  LiLi. D i el ectric  properti es of age d po l y mers  and n anoc om posites i n  Io w a .  PhD Thesis . Iow a  State  Univers i t y ; Gra duate T hesis. 201 1.  [17]  S. Sing ha, MJ.  T homas. Per m ittivit y   an d T an Delta   C har acteristics of  E p o x y Nan o com posites.  IEEE   T r ansactio n s o n  Diel e ctrics a nd Electric al In sulati on . 20 08; 15(1).   [18]  S. Singh a, MJ .  T homas. Die lectri c Pro perti es of Ep o x y  Nan o comp osit es . IEEE Transactions  on  Dielectrics and Elec trical Insulation . 20 08; 15 (1).  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.