一種具有優(yōu)良耐漏電起痕能力和高熱導(dǎo)率的硅橡膠的制作方法
【專利摘要】一種具有優(yōu)良耐漏電起痕能力和高熱導(dǎo)率的硅橡膠，包括甲基乙烯基硅橡膠基體、無機(jī)納米顆粒、硫化劑、交聯(lián)劑（TAIC）、羥基硅油和硅烷偶聯(lián)劑。本發(fā)明用氫氧化鋁（ATH）和氮化硼（BN）兩種無機(jī)納米顆粒作為填料，以混合摻雜方式與硅橡膠結(jié)合，得到了熱導(dǎo)率和耐漏電起痕能力非常好的一元、二元摻雜硅橡膠復(fù)合絕緣材料。本發(fā)明通過在硅橡膠中摻雜ATH和BN，可大大提高硅橡膠的耐漏電起痕能力和熱導(dǎo)率。
【專利說明】一種具有優(yōu)良耐漏電起痕能力和高熱導(dǎo)率的硅橡膠
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于電氣絕緣高分子材料領(lǐng)域，特別涉及一種具有耐漏電起痕能力和高熱導(dǎo)率的硅橡膠的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0003]以硅橡膠為基體的復(fù)合絕緣子有著良好的機(jī)械強(qiáng)度、電絕緣性和化學(xué)穩(wěn)定性，并且質(zhì)量輕，運(yùn)行維護(hù)方便，在高壓場合使用十分可靠，目前正在越來越多地代替玻璃和陶瓷絕緣子。
[0004]但是，硅橡膠復(fù)合絕緣子表面存在污穢時，會在表面發(fā)生放電，由于材料的導(dǎo)熱性較差，造成局部區(qū)域溫度上升幾百攝氏度，如果局部能量超出硅橡膠本身分子鏈的原子間能，硅橡膠復(fù)合材料就會分解，在絕緣子表面留下碳化導(dǎo)電通道，嚴(yán)重時材料表面會發(fā)生短時燃燒，造成絕緣子失效，威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行。因此，提高硅橡膠的導(dǎo)熱性能和耐漏電起痕能力是非常重要的，可以有效地提高硅橡膠復(fù)合絕緣子的運(yùn)行壽命，減少因為絕緣子失效導(dǎo)致的故障問題。
[0005]目前，提高高聚物復(fù)合材料的耐漏電起痕性能普遍采用的方法是添加金屬氧化物，如，MgO，T12等。B.X.Du等研究環(huán)氧/納米Al2O3的耐漏電起痕性能，發(fā)現(xiàn)填充量越大，環(huán)氧耐漏電起痕能力越好。參見B.X.Du, Y.G.Guo , Tracking resistance ofepoxy/ AI2O3 nanocomposites under DC voltage, IEEE Transact1ns on Dielectricsand Electrical Insulat1n, 2015; 22: 109_116o
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的在于，針對現(xiàn)有硅橡膠導(dǎo)熱性能和耐漏電起痕能力方面存在的缺陷，提供一種具有耐漏電起痕能力和高熱導(dǎo)率的硅橡膠。
[0007]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案如下:本發(fā)明用氫氧化鋁(ATH)和氮化硼(BN)兩種無機(jī)納米顆粒作為填料，以混合摻雜方式與硅橡膠結(jié)合，得到了熱導(dǎo)率和耐漏電起痕能力非常好的一元、二元摻雜娃橡膠復(fù)合絕緣材料。
[0008]本發(fā)明一種具有優(yōu)良耐漏電起痕能力和高熱導(dǎo)率的硅橡膠，包括甲基乙烯基硅橡膠基體、無機(jī)納米顆粒、硫化劑、交聯(lián)劑(TAIC)、羥基硅油和硅烷偶聯(lián)劑。所述硅橡膠構(gòu)成的原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為:
甲基乙烯基硅橡膠基體:設(shè)為1，以下其他原料的質(zhì)量百分比均以此為基礎(chǔ)；
無機(jī)納米顆粒:25-100% ；硫化劑:0.5%; TAIC: 0.5% ；羥基硅油:1% ；硅烷偶聯(lián)劑:5%。
[0009]所述無機(jī)納米顆粒填料為ATH和BN;
ATH納米顆粒填料的粒徑為50nm，BN納米顆粒填料的粒徑為50nm。
[0010]所述ATH納米顆粒填料與BN納米顆粒填料的5種摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)組合分別為: ATH納米顆粒填料摻雜量為100% ；
BN納米顆粒填料摻雜量為100% ；
ATH納米顆粒填料摻雜25%，BN納米顆粒填料摻雜75% ；
ATH納米顆粒填料摻雜50%，BN納米顆粒填料摻雜50% ；
ATH納米顆粒填料摻雜75%，BN納米顆粒填料摻雜25% ；
所述硫化劑為雙-2，5硫化劑，硅烷偶聯(lián)劑為乙烯基三乙氧基硅烷。
[0011 ]所述硅橡膠的制備方法為:
(1)取乙醇倒入燒杯，在乙醇中加入硅烷偶聯(lián)劑，再加入醋酸和水，攪拌得到硅烷水溶液；
(2)將無機(jī)納米顆粒加入硅烷水溶液中，攪拌得到無機(jī)納米粒子水溶液；
(3)將甲基乙烯基硅橡膠基體置于煉膠機(jī)上，包輥后逐漸加入納米粒子水溶液，混煉均勻，得到硅橡膠與乳液的共混物，加熱輥筒使乙醇揮發(fā)；
(4)待輥筒溫度降至25°C以下，按順序加入羥基硅油、TAIC、硫化劑，混煉均勻，得到混煉膠；
(5)將混煉膠放入模具中，使用平板硫化機(jī)，進(jìn)行一段硫化；
(6)—段硫化結(jié)束后，放入鼓風(fēng)烘箱中，進(jìn)行二段硫化，二段硫化結(jié)束后，冷卻并取出，得到最終試樣。
[0012]所述步驟(I)中加入乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與步驟(2)中無機(jī)納米顆粒質(zhì)量份數(shù)之比為3:2。
[0013]所述步驟(I)中加入醋酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與乙醇質(zhì)量份數(shù)之比為1:450。
[0014]所述步驟(I)中加入水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與硅烷偶聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比為1:4。
[0015]所述步驟(I)中硅烷偶聯(lián)劑水溶液采用電磁攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，攪拌時間為40min;所述步驟(2)中無機(jī)納米粒子水溶液采用電磁攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，攪拌時間為40min。
[0016]所述步驟(5)中一段硫化需要加壓15MPa，溫度為160°C，時間為20min ； 二段硫化溫度為180°C，時間5h。
[0017]本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明通過在硅橡膠中摻雜ATH和BN，可大大提高硅橡膠的耐漏電起痕能力和熱導(dǎo)率。BN摻雜可以增強(qiáng)與硅橡膠基體的結(jié)合力，且對試樣熱導(dǎo)率有很大提升，但耐漏電起痕能力較弱;ATH摻雜可以增強(qiáng)試樣的耐漏電起痕能力，但與硅橡膠基體結(jié)合較弱；當(dāng)ATH摻雜量為75%，BN摻雜量為25%時，硅橡膠的耐漏電起痕能力達(dá)到最佳，且對硅橡膠的熱導(dǎo)率提升明顯，這一配比為二元摻雜硅橡膠試樣的最佳配比。
[0018]
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明耐漏電起痕能力和高熱導(dǎo)率的硅橡膠制備流程框圖；
圖2(a)為實(shí)施例1、實(shí)施例2中硅橡膠試樣的熱導(dǎo)率隨溫度的變化曲線對比圖；
圖2 (b )為實(shí)施例3、實(shí)施例4和實(shí)施例5中的硅橡膠試樣的熱導(dǎo)率隨溫度的變化曲線對比圖；
圖3(a)為實(shí)施例1與實(shí)施例5漏電起痕實(shí)驗人工污穢液為A液50滴時的平均質(zhì)量損耗對比圖； 圖3(b)為實(shí)施例1與實(shí)施例5漏電起痕實(shí)驗人工污穢液為B液100滴時的平均質(zhì)量損耗對比圖；
圖4(a)為實(shí)施例1中硅橡膠試樣的SEM圖；
圖4(b)為實(shí)施例2中硅橡膠試樣的SEM圖；
圖4(c)為實(shí)施例4中硅橡膠試樣的SEM圖；
圖5 (a )為實(shí)施例1中硅橡膠試樣的TG曲線；
圖5 (b)為實(shí)施例2中硅橡膠試樣的TG曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0020]以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0021]本發(fā)明實(shí)施步驟如圖1所示。
[0022]實(shí)施例1:
(I)取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%(相對于硅橡膠基體)的納米ATH，對納米粒子進(jìn)行表面處理，步驟為:取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為150%的乙醇倒入燒杯，再依次加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的硅烷偶聯(lián)劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的醋酸和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.25%的水，調(diào)節(jié)溶液pH值為5左右，用電磁攪拌機(jī)攪拌40min使硅烷偶聯(lián)劑充分水解，得到硅烷水溶液;將ATH粒子加入硅烷水溶液中，用電磁攪拌機(jī)攪拌40min，得到無機(jī)納米粒子溶液。
[0023](2)硅橡膠基體與無機(jī)納米粒子溶液混合:將甲基乙烯基硅橡膠基體置于煉膠機(jī)上，包輥后逐漸加入步驟I)中的無機(jī)納米粒子溶液，混煉均勻，得到硅橡膠與乳液的共混物，之后加熱輥筒使乙醇揮發(fā)；
(3)加入其它助劑:待輥筒溫度降至25°C以下，按順序加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的羥基硅油、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的TAIC、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的硫化劑，混煉均勻，得到混煉膠；
(4)進(jìn)行一段和二段硫化:將混煉膠放入金屬模具中，使用平板硫化機(jī)，調(diào)整溫度為160°C，壓力為15MPa，進(jìn)行一段硫化，硫化時間為20min; —段硫化結(jié)束后，放入鼓風(fēng)烘箱中，調(diào)整溫度為1800C，進(jìn)行二段硫化，硫化時間為5h; 二段硫化結(jié)束后，冷卻并取出，得到最終試樣。
[0024]實(shí)施例2
將摻雜的納米粒子由實(shí)施例1中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%的ATH替換為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%的BN，其它試劑的用量不變;其他步驟與實(shí)施例1相同。
[0025]圖2(a)為制樣環(huán)境和其他試劑用量配比完全相同的情況下，摻雜粒子分別為100%的ATH、100%的BN(實(shí)施例1-2)的熱導(dǎo)率隨溫度的變化曲線對比圖，發(fā)現(xiàn)ATH和BN對硅橡膠熱導(dǎo)率均有提升作用，且BN填充硅橡膠的熱導(dǎo)率上升幅度大于ATH填充，最高可達(dá)0.6Wm—1IT113
[0026]實(shí)施例3
將摻雜的納米粒子由實(shí)施例1中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%的ATH替換為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的ATH和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%的BN，其它試劑的用量不變;其他步驟與實(shí)施例1相同。
[0027]實(shí)施例4
將摻雜的納米粒子由實(shí)施例1中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%的ATH替換為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的ATH和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的BN，其它試劑的用量不變;其他步驟與實(shí)施例1相同。
[0028]實(shí)施例5 將摻雜的納米粒子由實(shí)施例1中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%的ATH替換為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%的ATH和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的BN，其它試劑的用量不變;其他步驟與實(shí)施例1相同。
[0029]圖2(b)為制樣環(huán)境和其他試劑用量配比完全相同的情況下，摻雜粒子比例不同的二元摻雜試樣(實(shí)施例3-5)熱導(dǎo)率隨溫度的變化曲線對比圖，發(fā)現(xiàn)二元摻雜試樣的熱導(dǎo)率隨著BN摻雜量提升而提升，這可能是因為BN本身的熱導(dǎo)率比ATH大(BN熱導(dǎo)率為33 WnT1K
^1) O
[0030]在漏電起痕實(shí)驗中，ATH—元摻雜硅橡膠試樣耐漏電起痕能力強(qiáng)，而BN—元摻雜試樣在漏電起痕過程中易形成表面碳化通路，對于絕緣子來說，碳化通路會導(dǎo)致絕緣子沿面擊穿并失效；二元摻雜試樣BN摻雜量不宜過多，否則仍會形成碳化通路，當(dāng)ATH摻雜量為75%，BN摻雜量為25%時，試樣耐漏電起痕能力最強(qiáng)。
[0031]圖3(a)為一元和二元摻雜試樣中耐漏電起痕能力最強(qiáng)的兩種試樣(實(shí)施例1、實(shí)施例5)漏電起痕實(shí)驗人工污穢液為A液50滴時平均質(zhì)量損耗對比圖；圖3(b)為一元和二元摻雜試樣中耐漏電起痕能力最強(qiáng)的兩種試樣(實(shí)施例1、實(shí)施例5)漏電起痕實(shí)驗人工污穢液為B液100滴時平均質(zhì)量損耗對比圖，可以看出，二元摻雜硅橡膠試樣耐漏電起痕能力明顯優(yōu)于一元摻雜試樣。
[0032]圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)分別為添加不同納米粒子的硅橡膠試樣(實(shí)施例1、實(shí)施例
2、實(shí)施例4)的SEM圖，發(fā)現(xiàn)BN摻雜試樣與硅橡膠基體很好結(jié)合，但ATH摻雜會與硅橡膠基體作用形成一種球狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與周圍的硅橡膠基體結(jié)合強(qiáng)度薄弱，二元摻雜中BN的加入使球狀結(jié)構(gòu)明顯減少。
[0033]圖5(a)和圖5(b)為一元摻雜硅橡膠(實(shí)施例1、實(shí)施例2)的TG曲線，可以發(fā)現(xiàn)，ATH加入使硅橡膠試樣分解溫度向低溫移動，在漏電起痕實(shí)驗中，ATH摻雜硅橡膠試樣分解過程中不斷吸熱，使試樣表面溫度降低，并與試樣表面產(chǎn)生的碳反應(yīng)，防止產(chǎn)生碳化通路，ATH摻雜娃橡膠具有很好的耐漏電起痕能力。
[0034]綜上所述，BN摻雜可以增強(qiáng)與硅橡膠基體的結(jié)合力，且對試樣熱導(dǎo)率有很大提升，但耐漏電起痕能力較弱;ATH摻雜可以增強(qiáng)試樣的耐漏電起痕能力，但與硅橡膠基體結(jié)合較弱；當(dāng)ATH摻雜量為75%，BN摻雜量為25%時，硅橡膠的耐漏電起痕能力達(dá)到最佳，且對硅橡膠的熱導(dǎo)率提升明顯，這一配比為二元摻雜硅橡膠試樣的最佳配比。
【主權(quán)項】
1.一種具有優(yōu)良耐漏電起痕能力和高熱導(dǎo)率的硅橡膠，其特征在于，所述硅橡膠構(gòu)成的原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為: 甲基乙烯基硅橡膠基體:設(shè)為1，以下其他原料的質(zhì)量百分比均以此為基礎(chǔ)； 無機(jī)納米顆粒:25?100%; 硫化劑:0.5%; TAIC:0.5%； 羥基硅油:1%; 娃燒偶聯(lián)劑:5%。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種具有優(yōu)良耐漏電起痕能力和高熱導(dǎo)率的硅橡膠，其特征在于: 所述無機(jī)納米顆粒填料為ATH和BN ； ATH納米顆粒填料的粒徑為50nm，BN納米顆粒填料的粒徑為50nm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種具有優(yōu)良耐漏電起痕能力和高熱導(dǎo)率的硅橡膠，其特征在于: 所述ATH納米顆粒填料與BN納米顆粒填料的5種摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)組合分別為: ATH納米顆粒填料摻雜量為100% ； BN納米顆粒填料摻雜量為100% ； ATH納米顆粒填料摻雜25%，BN納米顆粒填料摻雜75% ； ATH納米顆粒填料摻雜50%，BN納米顆粒填料摻雜50% ； ATH納米顆粒填料摻雜75%，BN納米顆粒填料摻雜25%。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種具有優(yōu)良耐漏電起痕能力和高熱導(dǎo)率的硅橡膠，其特征在于:所述硫化劑為雙_2,5硫化劑，娃燒偶聯(lián)劑為乙稀基二乙氧基娃燒。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種具有優(yōu)良耐漏電起痕能力和高熱導(dǎo)率的硅橡膠，其特征在于，所述硅橡膠的制備方法為: (1)取乙醇倒入燒杯，在乙醇中加入硅烷偶聯(lián)劑，再加入醋酸和水，攪拌得到硅烷水溶液； (2)將無機(jī)納米顆粒加入硅烷水溶液中，攪拌得到無機(jī)納米粒子水溶液； (3 )將甲基乙烯基硅橡膠基體置于煉膠機(jī)上，包輥后逐漸加入納米粒子水溶液，混煉均勻，得到硅橡膠與乳液的共混物，加熱輥筒使乙醇揮發(fā)； (4)待輥筒溫度降至25°C以下，按順序加入羥基硅油、TAIC、硫化劑，混煉均勾，得到混煉膠； (5 )將混煉膠放入模具中，使用平板硫化機(jī)，進(jìn)行一段硫化； (6)—段硫化結(jié)束后，放入鼓風(fēng)烘箱中，進(jìn)行二段硫化，二段硫化結(jié)束后，冷卻并取出，得到最終試樣。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種具有優(yōu)良耐漏電起痕能力和高熱導(dǎo)率的硅橡膠的制備方法，其特征在于:所述步驟(I)中加入乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與步驟(2)中無機(jī)納米顆粒質(zhì)量份數(shù)之比為3:2。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種具有優(yōu)良耐漏電起痕能力和高熱導(dǎo)率的硅橡膠，其特征在于:所述步驟(I)中加入醋酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與乙醇質(zhì)量份數(shù)之比為1:450。8.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種具有優(yōu)良耐漏電起痕能力和高熱導(dǎo)率的硅橡膠，其特征在于:所述步驟(I)中加入水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與硅烷偶聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比為1: 4。9.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種具有優(yōu)良耐漏電起痕能力和高熱導(dǎo)率的硅橡膠，其特征在于:所述步驟(I)中硅烷偶聯(lián)劑水溶液采用電磁攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，攪拌時間為40min;所述步驟(2)中無機(jī)納米粒子水溶液采用電磁攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，攪拌時間為40min。10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種具有優(yōu)良耐漏電起痕能力和高熱導(dǎo)率的硅橡膠，其特征在于:所述步驟(5)中一段硫化需要加壓15MPa，溫度為160°C，時間為20min; 二段硫化溫度為180°C，時間5h。
【文檔編號】C08L83/06GK106009693SQ201610439847
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月15日
【發(fā)明人】周求寬, 晏年平, 王子悅
【申請人】國網(wǎng)江西省電力科學(xué)研究院, 國家電網(wǎng)公司