專利名稱：一種無機納米復合劑及其制備方法和應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種無機納米復合劑及其制備方法和應用，屬于電纜附件安裝工藝領域。用于交聯(lián)聚乙烯電力電纜終端的安裝工程中。
背景技術：
電纜附件在6_35kV城市電網(wǎng)中被大量使用，電纜附件的事故率占整個電纜總故障的39%嚴重影響供電可靠性。電纜附件的事故經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研，主要原因如下(I)現(xiàn)場施工質(zhì)量問題，比如應力錐安裝不到位、剝半導電層時刀具不慎在絕緣層上留下缺陷、混入雜質(zhì)等。這些都可能導致在XLPE (交聯(lián)聚乙烯)絕緣層和電纜附件界面處形成局部的電場高點，從而產(chǎn)生局部放電，進一步導致絕緣事故發(fā)生。(2)運行狀況惡劣，目前整個城市電網(wǎng)電纜的共溝率高，大量電纜共用一個電纜溝，發(fā)熱非常嚴重，并且大部分電纜長期處于超負荷運行，夏天電纜溝積水問題也很嚴重，導致電纜附件的運行狀況非常惡劣。(3)電纜附件在長期冷熱循環(huán)作用下，導致在主絕緣層和護套之間形成微小氣隙，也容易導致局部放電發(fā)生。但由于現(xiàn)場施工質(zhì)量的控制較為困難，而且整個城市電網(wǎng)的運行狀況短期無法改變， 因此電纜附件故障導致的問題層出不窮。如何能有效減少電纜附件的絕緣事故率，是目前城市電網(wǎng)中保證供電可靠性的緊迫問題。有機高分子絕緣材料(如XLPE，交聯(lián)聚乙烯)耐局部放電能力較差，一旦出現(xiàn)局部放電，絕緣的破壞很快。而通常的無機材料(如陶瓷、玻璃和各種無機氧化物)具有極強的耐放電燒蝕能力。美國杜邦公司通過無機納米涂層覆蓋在絕緣層上，制造了耐電暈FCR膜， 該膜不僅厚度比普通膜薄，而且壽命提高了 10倍以上，在各種重要工業(yè)場合得到應用。目前，國內(nèi)也研制了各種納米硅橡膠用在了外絕緣材料，其主要目的也是為了增強普通絕緣材料的耐電暈能力。經(jīng)過我們前期的研究表明無機納米顆粒對有機絕緣進行覆蓋和填充， 可大大提高有機絕緣耐局部放電燒蝕的能力，延長老化壽命可提高10倍以上。在本發(fā)明中，我們通過無機納米涂層對電纜終端XLPE主絕緣表面處進行表面覆蓋和填充(比如半導電層的斷面處、電纜終端頭有切痕和缺陷的地方等)，再套上外護套， 該納米顆粒具有電子和紫外線屏蔽效應，提高了傳熱能力，具有均勻電場、空間電荷抑制作用等，在表面上形成的無機納米覆蓋物能夠形成準導電區(qū)，使電荷不易積累，能夠降低電場集中，有效改善介電性能，防止局部放電；即使在電纜運行過程中有微弱放電發(fā)生，但因為無機納米顆粒的耐局部放電燒蝕的能力，可有效保護XLPE主絕緣，大大避免放電所導致的電樹、甚至擊穿。檢索國內(nèi)外文獻庫，尚沒有關于運用無機納米涂料提升電纜附件耐表面局部放電能力的報道，對于納米涂料在電纜終端XLPE主絕緣表面處進行表面覆蓋，提升電纜終端使用壽命的的運用，國內(nèi)外專利文獻和非專利文獻也均未見有報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針針對現(xiàn)有技術的不足而提供一種無機納米復合劑及其使用方法和應用，其特點是由無機納米顆粒和有機溶劑組成納米復合劑，通過無機納米粒子填充局部缺陷、削弱局部電場高點，提高有機絕緣耐局部放電燒蝕的能力，進一步延長電纜附件的使用壽命。它具有技術先進、操作簡便、效果顯著、安全可靠、適用面廣的優(yōu)點。本發(fā)明的目的由以下技術措施實現(xiàn)，其中所述原料分數(shù)除特殊說明外，均為重量份數(shù)。無機納米復合劑的起始原料由以下組分組成為
納米二氧化硅包覆的納米二氧化鈦平均粒徑25 45nm10 15份
納米氧化物平均粒徑10 60nm
溶劑
分散劑
成膜助劑
中和劑
1.5 6份 40 80份 I 2份 0.5 — 1 份 0.5 — 1 份其中，納米氧化物由以下組分組成為納米三氧化二鋁平均粒徑20 40nmO. 5 2份納米二氧化硅平均粒徑10 30nmO. 5 2份納米氧化鋒平均粒徑40 60nmO. 5 2份溶劑為木糖醇、山梨醇、丙酮、四氯化碳、二甘醇和水楊醇中的至少一種。分散劑為氧化聚乙二醇、聚乙二醇或聚丙烯酰胺中的任一種。成膜助劑為乙二醇單丁醚、乙二醇或丙二醇乙醚中的任一種。中和劑為乙醇胺、氨水或者氫氧化鉀中的任一種。無機納米復合劑的制備方法包括以下步驟(I)將納米二氧化硅包覆的納米二氧化鈦10 15份、納米三氧化二鋁O. 5 2 份、納米二氧化硅O. 5 2份、納米氧化鋅O. 5 2份加入混合容器中，通過研磨和超聲波分散機分散混合均勻，超聲波功率為200 500W，頻率為20 24kHz ；(2)將上述制得的混合物與40 80份溶劑和I 2份分散劑加入帶有攪拌器、 溫度計和回流冷凝器的容器中，通過研磨和超聲波分散機進一步分散混合均勻，獲得納米粒子分散液，其中，攪拌速度為1500 2000轉/分，超聲功率為200 500W，頻率為20 24kHz，時間為 30 60min ；(3)將上述納米粒子分散液用800 1000目的過濾網(wǎng)進行過濾，然后將O. 5 I 份的成膜劑和O. 5 I份中和劑加入上述濾液中攪拌均勻，攪拌速度為500 600轉/分， 獲得固體含量為2 % 7%，PH值為6 7的無機納米復合劑。無機納米復合劑的應用包括以下步驟(I)使用前準備在安裝電纜附件時，將電纜端的半導電層(5)按電纜附件安裝規(guī)程剝切完畢后， 將表面進行砂平、打光和清潔處理；(2)涂抹納米復合劑將上述納米復合劑均勻涂抹在剝切好的絕緣層(I)表面，有明顯劃痕(2)、切痕(4)的地方應將其填滿，半導電層切口處應填充適量復合劑使切口趨于平整，用熱烘槍對其均勻烘烤I 2分鐘，烘烤溫度為80°C 100°C，使納米復合機中多元醇溶劑揮發(fā)，從而使納米復合劑復合成膜。然后再在納米復合劑復合膜上繼續(xù)涂抹2 3層納米復合劑，使其烘干成膜，對絕緣表面形成納米保護膜(3)。性能測試取兩組電纜將其端半導電層剝除，在露出的絕緣層上用刀切兩個刀痕和一條劃痕，將表面打光、清潔；再將其中一組電纜按上述納米復合劑的應用方法涂抹在電纜絕緣表面，形成保護膜，然后通過SEM對XLPE絕緣表面觀察，表面有白色的納米顆粒包裹，納米顆粒排列緊密，說明成膜效果好。對兩組電纜套上冷縮終端，然后進行加速老化，老化后對XLPE層表面進行SEM分析，發(fā)現(xiàn)納米覆蓋后的表面全部是無機納米顆粒層，這些納米顆粒層通過改善電場分布均勻，削弱局部電場畸變，紫外線屏蔽等，保護絕緣，這就好像是對有機絕緣穿上了一層耐局部放電燒蝕的保護衣，又由于保護層有很強的耐燒蝕能力，使有機絕緣不容易受到放電的燒蝕而產(chǎn)生電樹等問題；而沒有覆蓋的表面出現(xiàn)了有機絕緣被局部放電燒蝕后的網(wǎng)孔，隨著網(wǎng)孔的出現(xiàn)和進一步增多，絕緣表面局部放電更嚴重，從而導致老化加劇。因此該納米復合劑能有效解決電纜附件和終端現(xiàn)場施工質(zhì)量導致的放電問題，可大大提高電纜終端的壽命。為了確認以上結果，又經(jīng)過多次實驗，發(fā)現(xiàn)該實驗結果具有可重復性，對XLPE絕緣表面施加了納米涂層后，電纜的電老化壽命提高了 10倍以上，得到了令人滿意的效果。本發(fā)明具有如下優(yōu)點I、原材料價格低廉、加工容易、使用方便。2、無機納米顆粒有很好的成膜性，成膜時間短，成膜光滑平整，強度大，能夠阻擋化學腐蝕，對紫外線有較強屏蔽效應，對紅外線有反射作用，有良好的耐電暈性，并且膜不易脫落，能長久存在，保護電纜絕緣。3、無機納米層電導率高，導致空間電荷不容易駐留，減弱了局部放電強度，使電場均勻化，抑制熱電子加速，導熱性好，絕緣壽命大幅度提高。4、納米復合劑具有高閃點的特性，降低了安全隱患。5、納米復合劑不但能用于電纜附件，還可以用于其他含有聚烯烴高分子材料的電氣設備中，實用性強。


圖I為納米復合劑對電纜頭的應用示意圖I. XLPEX絕緣，2.劃痕，3.納米復合劑保護膜，4.切痕，5.半導電層。圖2a未涂覆無機納米粒子的XLPE表面SEM掃描2b涂覆納米粒子的XLPE表面SEM掃描3a未涂覆納米粒子XLPE表面的SEM掃描3b涂覆納米粒子XLPE表面的SEM掃描4為涂抹納米復合劑前后閃絡電壓對比圖
具體實施例方式
6
下面通過實施例對本發(fā)明進行具體的描述，有必要在此指出的是本實施例只用于對本發(fā)明進行進一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，該領域的技術熟練人員可以根據(jù)上述本發(fā)明的內(nèi)容做出一些非本質(zhì)的改進和調(diào)整。實施例I(I)將納米二氧化硅包覆的納米二氧化鈦10份、納米三氧化二鋁O. 5份、納米二氧化娃O. 5份、納米氧化鋅O. 5份加入混合容器中,通過研磨和超聲波分散機分散混合均勻， 超聲波功率為200W，頻率為20kHz。(2)將上述制得的混合物與20份丙酮、20份二甘醇和I份聚乙二醇加入帶有攪拌器、溫度計和回流冷凝器的容器中，通過研磨和超聲波分散機進一步分散混合均勻，獲得納米粒子分散液，其中，攪拌速度為1500轉/分，超聲功率為200W，頻率為20kHz，時間為 30mino(3)將上述納米粒子分散液用800目的過濾網(wǎng)進行過濾，然后將O. 5份的乙二醇單丁醚和O. 5份乙醇胺加入上述濾液中攪拌均勻，攪拌速度為500轉/分，獲得固體含量為 2%，PH值為6. 2的無機納米復合劑。無機納米復合劑的應用包括以下步驟(I)使用前準備在安裝電纜附件時，將電纜端的半導電層5按電纜附件安裝規(guī)程剝切完畢后，將表面進行砂平、打光和清潔處理。(2)涂抹納米復合劑將上述納米復合劑均勻涂抹在剝切好的絕緣層I表面，有明顯劃痕2、切痕4的地方應將其填滿，半導電層切口處應填充適量復合劑使切口趨于平整，用熱烘槍對其均勻烘烤I分鐘，烘烤溫度為80°C，使納米復合機中多元醇溶劑揮發(fā)，從而使納米復合劑復合成膜。然后再在納米復合劑復合膜上繼續(xù)涂抹2層納米復合劑，使其烘干成膜，對絕緣表面形成納米保護膜3。將該納米復合劑覆蓋的樣本用掃描電鏡觀察，納米覆蓋后的XLPE層表面SEM如圖 2所示，表面有白色的納米顆粒；然后，再套上冷縮終端，然后進行加速老化，老化后對XLPE 層表面進行SEM分析，得到老化后的XLPE表面的SEM如圖3所示，發(fā)現(xiàn)納米覆蓋后的表面全部是無機納米顆粒層，而有機絕緣被保護，而沒有覆蓋的表面出現(xiàn)了有機絕緣被局部放電燒蝕后的網(wǎng)孔，說明該納米復合劑對電纜絕緣保護作用明顯。實施例2(I)將納米二氧化硅包覆的納米二氧化鈦15份、納米三氧化二鋁2份、納米二氧化硅2份、納米氧化鋅2份加入混合容器中，通過研磨和超聲波分散機分散混合均勻，超聲波功率為500W，頻率為24kHz。(2)將上述制得的混合物與80份四氯化碳和2份氧化聚乙二醇加入帶有攪拌器、 溫度計和回流冷凝器的容器中，通過研磨和超聲波分散機進一步分散混合均勻，獲得納米粒子分散液，其中，攪拌速度為2000轉/分，超聲功率為500W，頻率為24kHz，時間為60min。(3)將上述納米粒子分散液用1000目的過濾網(wǎng)進行過濾，然后將I份的丙二醇乙醚和I份氨水加入上述濾液中攪拌均勻，攪拌速度為600轉/分，獲得固體含量為4%，PH 值為6. 4的無機納米復合劑。
無機納米復合劑的應用包括以下步驟(I)使用前準備在安裝電纜附件時，將電纜端的半導電層5按電纜附件安裝規(guī)程剝切完畢后，將表面進行砂平、打光和清潔處理。(2)涂抹納米復合劑將上述納米復合劑均勻涂抹在剝切好的絕緣層I表面，有明顯劃痕2、切痕4的地方應將其填滿，半導電層切口處應填充適量復合劑使切口趨于平整，用熱烘槍對其均勻烘烤2分鐘，烘烤溫度為100°C，使納米復合機中多元醇溶劑揮發(fā)，從而使納米復合劑復合成膜。然后再在納米復合劑復合膜上繼續(xù)涂抹3層納米復合劑，使其烘干成膜，對絕緣表面形成納米保護膜3。取電纜樣本6根，制作成如圖一所示的樣本,并劃多條如2所示的劃痕。對電纜纜芯加電壓，直到其發(fā)生沿面閃絡，并記錄閃絡電壓。然后將發(fā)生閃絡后的樣本按上述方法涂抹納米復合劑，待其成膜穩(wěn)定后，再對其纜芯加電壓，直到再次發(fā)生沿面閃絡，并記錄閃絡電壓值。詳見圖四，通過對比表明，涂抹納米復合劑后閃絡電壓均有明顯提高。實施例3(I)將納米二氧化硅包覆的納米二氧化鈦12份、納米三氧化二鋁I份、納米二氧化硅I份、納米氧化鋅I份加入混合容器中，通過研磨和超聲波分散機分散混合均勻，超聲波功率為300W，頻率為22kHz。(2)將上述制得的混合物與40份水楊醇、20份木糖醇和I份聚丙烯酰胺加入帶有攪拌器、溫度計和回流冷凝器的容器中，通過研磨和超聲波分散機進一步分散混合均勻，獲得納米粒子分散液，其中，攪拌速度為1500轉/分，超聲功率為300W，頻率為22kHz，時間為 50mino(3)將上述納米粒子分散液用900目的過濾網(wǎng)進行過濾，然后將I份的乙二醇和I 份氫氧化鉀加入上述濾液中攪拌均勻，攪拌速度為600轉/分，獲得固體含量為5%，PH值為6. 3的無機納米復合劑。無機納米復合劑的應用包括以下步驟(I)使用前準備在安裝電纜附件時，將電纜端的半導電層5按電纜附件安裝規(guī)程剝切完畢后，將表面進行砂平、打光和清潔處理。(2)涂抹納米復合劑將上述納米復合劑均勻涂抹在剝切好的絕緣層I表面，有明顯劃痕2、切痕4的地方應將其填滿，半導電層切口處應填充適量復合劑使切口趨于平整，用熱烘槍對其均勻烘烤I. 5分鐘，烘烤溫度為90°C，使納米復合機中多元醇溶劑揮發(fā)，從而使納米復合劑復合成膜。然后再在納米復合劑復合膜上繼續(xù)涂抹3層納米復合劑，使其烘干成膜，對絕緣表面形成納米保護膜3。通過實例I、實例2，實施例3，結合圖2、圖3和圖4，說明該納米復合劑對電纜附件和終端絕緣有很好的保護作用，其涂膜外觀光滑、質(zhì)地緊密，能有效填補絕緣切痕和空隙， 均勻電場、有效改善局部電場畸變、大大提高有機絕緣耐局部放電燒蝕的能力。
權利要求
1.一種無機納米復合劑，其特征在于該納米復合劑的起始原料由以下組分組成，按重量份計為納米二氧化硅包覆的納米二氧化鈦平均粒徑25 45nm10 15份納米氧化物平均粒徑10 60nm1.5 6份溶劑40 80份分散劑I 2份成膜助劑0.5 I份中和劑0.5 I份其中，納米氧化物由以下組分組成為納米三氧化二鋁平均粒徑20 40nmO. 5 2份納米二氧化娃平均粒徑10 30nmO. 5 2份納米氧化鋅平均粒徑40 60nmO. 5 2份。
2.如權利要求I所述無機納米復合劑，其特征在于溶劑為木糖醇、山梨醇、丙酮、四氯化碳、二甘醇和水楊醇中的至少一種。
3.如權利要求I所述無機納米復合劑，其特征在于分散劑為氧化聚乙二醇、聚乙二醇或聚丙烯酰胺中的任一種。
4.如權利要求I所述無機納米復合劑，其特征在于成膜助劑為乙二醇單丁醚、乙二醇和丙二醇乙醚中的至少一種。
5.如權利要求I所述無機納米復合劑，其特征在于中和劑為乙醇胺、氨水或者氫氧化鉀中的任一種。
6.如權利要求I 5之一所述無機納米復合劑的制備方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)將納米二氧化硅包覆的納米二氧化鈦10 15份、納米三氧化二鋁O.5 2份、納米二氧化硅O. 5 2份、納米氧化鋅O. 5 2份加入混合容器中，通過研磨和超聲波分散機分散混合均勻，超聲波功率為200 500W，頻率為20 24kHz ；(2)將上述制得的混合物與40 80份溶劑和I 2份分散劑加入帶有攪拌器、溫度計和回流冷凝器的容器中，通過研磨和超聲波分散機進一步分散混合均勻，獲得納米粒子分散液，其中，攪拌速度為1500 2000轉/分，超聲功率為200 500W，頻率為20 24kHz， 時間為30 60min ；(3)將上述納米粒子分散液用800 1000目的過濾網(wǎng)進行過濾，然后將O.5 I份的成膜劑和O. 5 I份中和劑加入上述濾液中攪拌均勻，攪拌速度為500 600轉/分，獲得固體含量為2 % 7%，PH值為6 7的無機納米復合劑。
7.如權利要求I所述無機納米復合劑的應用包括以下步驟(I)使用前準備在安裝電纜附件時，將電纜端的半導電層(5)按電纜附件安裝規(guī)程剝切完畢后，將表面進行砂平、打光和清潔處理；(2)涂抹納米復合劑將上述納米復合劑均勻涂抹在剝切好的絕緣層(I)表面，有明顯劃痕(2)、切痕(4)的地方應將其填滿，半導電層切口處應填充適量復合劑使切口趨于平整，用熱烘槍對其均勻烘烤I 2分鐘，烘烤溫度為80°C 100°C，使納米復合機中多元醇溶劑揮發(fā)，從而使納米復合劑復合成膜。然后再在納米復合劑復合膜上繼續(xù)涂抹2 3層納米復合劑，使其烘干成膜，對絕緣表面形成納米保護膜(3)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無機納米復合劑及其制備方法和應用，其特點是將納米二氧化硅包覆的納米二氧化鈦10～15重量份、納米三氧化二鋁0.5～2重量份、納米二氧化硅0.5～2重量份、納米氧化鋅0.5～2重量份加入混合容器中，通過研磨和超聲波分散均勻；將上述混合物與40～80重量份溶劑和1～2重量份分散劑加入容器中，進一步分散均勻，獲得納米粒子分散液，再將上述納米粒子分散液用800～1000目的過濾網(wǎng)過濾，然后將0.5～1重量份的成膜劑和0.5～1重量份中和劑加入上述濾液中攪拌均勻，攪拌速度為500～600轉/分，獲得固體含量為2％～7％，pH值為6～7的無機納米復合劑。
文檔編號C08K3/36GK102604163SQ201210043269
公開日2012年7月25日 申請日期2012年2月24日 優(yōu)先權日2012年2月24日
發(fā)明者萬利, 周凱, 李旭濤, 李順, 潘榮超, 熊慶, 牟秋谷, 趙威, 陶文彪, 陶霰韜, 黃友聰 申請人:四川大學