一種聚合物納米絕緣電介質(zhì)復(fù)合材料及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種聚合物納米絕緣電介質(zhì)復(fù)合材料及其制備方法，本發(fā)明復(fù)合材料的空間電荷抑制作用明顯、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行性能穩(wěn)定。聚合物納米絕緣電介質(zhì)復(fù)合材料是由聚乙烯基體材料與有機(jī)(高分子)納米顆粒材料組成。方法：一、將有機(jī)(高分子)納米顆粒材料的陰離子水溶液分成3等份，分批次加入聚乙烯基體材料中攪拌、使之混合均勻；二、在真空烘箱中恒溫烘干；三、置于開(kāi)煉機(jī)中進(jìn)行熔融共混。本發(fā)明產(chǎn)品具有抑制空間電荷等優(yōu)越介電性能，更具備使用壽命長(zhǎng)久、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種聚合物納米絕緣電介質(zhì)復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明材料技術(shù)領(lǐng)域;具體涉及一種聚合物納米絕緣電介質(zhì)復(fù)合材料及其制備方法，所述復(fù)合材料用作高壓絕緣電纜材料。
【背景技術(shù)】
[0002]與交流電纜線路相比，高壓直流電纜線路具有多重優(yōu)點(diǎn)，如電能損耗小、運(yùn)行穩(wěn)定、傳輸容量大、輸電距離不受限制、可聯(lián)接異步電網(wǎng)等等。國(guó)外有關(guān)科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)展開(kāi)對(duì)高壓直流電纜材料的開(kāi)發(fā)，北歐化工公司通過(guò)有機(jī)化學(xué)改性方法研制出的高壓直流電纜XLPE絕緣材料得到一定規(guī)模的應(yīng)用，形成了高壓直流電纜絕緣材料的壟斷格局;Dow化學(xué)公司制備出了納米導(dǎo)電材料填充的XLPE高壓直流絕緣電纜；日本相關(guān)科研人員利用MgO/聚乙烯(PE)納米復(fù)合物制造了500kV直流電纜。
[0003]實(shí)驗(yàn)上證實(shí)，聚合物材料中添加無(wú)機(jī)納米顆粒所形成的復(fù)合材料具有明顯抑制空間電荷積聚的特征。對(duì)于不同聚合物/無(wú)機(jī)納米顆粒組合類(lèi)型形成的電介質(zhì)復(fù)合材料，實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)進(jìn)行了許多研究，如Tatsuo Takada研究少量氧化鎂納米顆粒填充的低密度聚乙稀復(fù)合材料，在100kV/mm電場(chǎng)作用下發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有明顯空間電荷的積聚，并提出永久偶極子束縛勢(shì)講機(jī)制;R.J.Fleming等研究了低密度聚乙稀/納米BaSrTi03顆粒與分散劑形成的電介質(zhì)復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)與基體材料相比，復(fù)合材料空間電荷最大值小一個(gè)數(shù)量級(jí)。
[0004]無(wú)機(jī)納米顆粒填充聚合物基體制備的納米電介質(zhì)復(fù)合材料內(nèi)部納米顆粒與聚合物基體界面相容性很差，除了無(wú)機(jī)納米顆粒不容易在聚合物基體中分散的缺點(diǎn)外，無(wú)機(jī)納米顆粒與聚合物基體表面張力、熱膨脹系數(shù)等物理性質(zhì)有很大不同，使得在溫度大幅度變化后，納米電介質(zhì)復(fù)合材料的介電性能受到很大影響。尤其在從低溫到高溫變化過(guò)程中，因?yàn)闊崤蛎浵禂?shù)差距較大因素，無(wú)機(jī)納米顆粒與聚合物基體界面出的化學(xué)或物理性質(zhì)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的改變，即使溫度降到原來(lái)溫度，也往往引致優(yōu)異介電性能的減弱甚至喪失。
[0005]無(wú)機(jī)納米顆粒與高聚物基體材料的相容性較差，無(wú)機(jī)納米顆粒與聚合物基體材料間的界面區(qū)域物理化學(xué)性質(zhì)受外界環(huán)境，尤其是溫度的變化影響很大，從而造成絕緣電介質(zhì)復(fù)合材料的介電性能的不穩(wěn)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種聚合物納米絕緣電介質(zhì)復(fù)合材料及其制備方法，本發(fā)明復(fù)合材料的空間電荷抑制作用明顯、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行性能穩(wěn)定。
[0007]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的聚合物納米絕緣電介質(zhì)復(fù)合材料是由聚乙烯基體材料與有機(jī)(高分子)納米顆粒材料組成;按重量計(jì)，有機(jī)(高分子)納米顆粒材料為聚乙烯基體材料的0.1%?30 %。
[0008]所述有機(jī)(高分子)納米顆粒材料為聚苯乙烯納米顆粒。
[0009]所述聚乙烯基體材料為低密度聚乙烯(LDPE)。
[0010]所述的聚苯乙稀納米顆粒的粒徑為32 ±6nm。[0011 ] 一種聚合物納米絕緣電介質(zhì)復(fù)合材料的制備方法是按下述步驟進(jìn)行的:
[0012]步驟一、將有機(jī)(高分子)納米顆粒材料分成3等份，分批次加入聚乙烯基體材料中攪拌、使之混合均勻；
[0013]步驟二、在真空烘箱中恒溫烘干；
[0014]步驟三、置于開(kāi)煉機(jī)中進(jìn)行熔融共混。
[0015]步驟二烘干溫度為50°C，烘干時(shí)間為24小時(shí)。
[0016]混煉溫度控制在110°C，混煉時(shí)間為15?20分鐘。
[0017]本發(fā)明首次使用有機(jī)納米顆粒材料(如:聚苯乙烯納米顆粒)填充聚乙烯基體形成的絕緣電介質(zhì)復(fù)合材料，高聚物納米顆粒填充聚合物基體材料形成的納米電介質(zhì)復(fù)合材料，由于高聚物之間在表面張力、熱膨脹系數(shù)等物理性質(zhì)和元素種類(lèi)成分、化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)等方面極大的相似性，使得納米顆粒與聚合物基體界面出的化學(xué)或物理性質(zhì)更加穩(wěn)定。因而，透過(guò)在聚乙稀中添加有機(jī)納米顆粒材料制備而成的絕緣電介質(zhì)復(fù)合材料性能更加穩(wěn)定，壽命也更加持久，其使用壽命與純聚乙烯電纜材料使用壽命相當(dāng)。同時(shí)，有機(jī)納米顆粒材料填充聚乙烯基體材料形成的絕緣電介質(zhì)復(fù)合材料具有較優(yōu)的空間電荷抑制能力，可以作為制備高壓直流電纜材料的備選材料。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本發(fā)明中30°C下純低密度聚乙烯與聚苯乙烯納米顆粒填充聚乙烯基體材料形成的絕緣電介質(zhì)復(fù)合材料的電導(dǎo)率對(duì)比曲線圖；
[0019]圖2為本發(fā)明中30°C下純低密度聚乙烯在施加40kV電壓條件下實(shí)的空間電荷分布；
[0020]圖3為本發(fā)明中30°C下聚苯乙烯納米顆粒填充聚乙烯基體材料形成的絕緣電介質(zhì)復(fù)合材料在施加40kV電壓條件下實(shí)的空間電荷分布。
【具體實(shí)施方式】
[0021]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式的聚合物納米絕緣電介質(zhì)復(fù)合材料是由低密度聚乙烯(LDPE)與聚苯乙烯納米顆粒組成；按重量計(jì)，聚苯乙烯納米顆粒為低密度聚乙烯(LDPE)的2%，低密度聚乙烯的密度為0.922g/cm3;
?0022] 所述的聚苯乙稀納米顆粒的粒徑為32 ±6nm;本實(shí)施方式中的聚合物納米絕緣電介質(zhì)復(fù)合材料是按下述步驟進(jìn)行的:
[0023]步驟一、將7.5ml聚苯乙烯納米顆粒的陰離子水溶液(聚苯乙烯納米顆粒的陰離子水溶液的生產(chǎn)廠家:北京華泰昕生物醫(yī)療技術(shù)有限公司，品牌:QDS Microparticles，型號(hào):QDSPS0030)分成3等份，分批次加入聚乙烯基體材料中攪拌、使之混合均勻，質(zhì)量共計(jì)35g，得到混合料；
[0024]步驟一的操作保證包含聚苯乙烯納米顆粒的陰離子水溶液(聚苯乙烯納米顆粒用陰離子水溶液保存)均勻分布于聚乙烯顆粒表面，在聚乙烯薄膜上無(wú)明顯溶液積聚。
[0025]步驟二、將步驟一獲得的混合料置于托盤(pán)上，托盤(pán)上覆蓋聚脂薄膜，置于真空烘箱中，恒溫50°C條件下烘干24小時(shí)；
[0026]步驟三、置于開(kāi)煉機(jī)中進(jìn)行熔融共混，混煉溫度控制在110°C，混煉時(shí)間為15分鐘。
[0027]由于聚苯乙烯與聚乙烯之間的物理與化學(xué)性質(zhì)更加相近，所形成的界面結(jié)構(gòu)無(wú)論是物理還是化學(xué)性質(zhì)都比較穩(wěn)定；另外，聚苯乙烯納米顆粒填充聚乙烯基體形成的絕緣電介質(zhì)復(fù)合材料抑制空間電荷電荷的能力較比純聚乙烯有了大幅度增強(qiáng)，可以作為制備高壓直流電纜材料的備選材料。
[0028]從圖1可以看出，兩種材料的電導(dǎo)都隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加;聚苯乙烯納米顆粒填充得到的絕緣電介質(zhì)復(fù)合材料的電導(dǎo)率相比于純低密度聚乙烯明顯減小。
[0029]從圖2和3中可以看出，添加聚苯乙烯納米顆粒的絕緣電介質(zhì)復(fù)合材料相比純低密度聚乙烯情形具有顯著的抑制同極性、異極性空間電荷的能力，說(shuō)明添加聚苯乙烯納米顆粒的絕緣電介質(zhì)復(fù)合材料的介電性能比純低密度聚乙烯優(yōu)越。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種聚合物納米絕緣電介質(zhì)復(fù)合材料，其特征在于聚合物納米絕緣電介質(zhì)復(fù)合材料是由聚乙烯基體材料與有機(jī)納米顆粒材料組成;按重量計(jì)，有機(jī)納米顆粒材料為聚乙烯基體材料的0.1%?30 %。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚合物納米絕緣電介質(zhì)復(fù)合材料，其特征在于所述有機(jī)納米顆粒材料為聚苯乙烯納米顆粒。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚合物納米絕緣電介質(zhì)復(fù)合材料，其特征在于所述聚乙烯基體材料為低密度聚乙烯。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚合物納米絕緣電介質(zhì)復(fù)合材料，其特征在于所述的聚苯乙稀納米顆粒的粒徑為32 ±6nm。5.如權(quán)利要求1、2、3或4所述的一種聚合物納米絕緣電介質(zhì)復(fù)合材料的制備方法，其特征在于該方法是按下述步驟進(jìn)行的: 步驟一、將有機(jī)納米顆粒材料分成3等份，分批次加入聚乙烯基體材料中攪拌、使之混合均勻； 步驟二、然后在真空烘箱中恒溫烘干； 步驟三、置于開(kāi)煉機(jī)中進(jìn)行熔融共混。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種聚合物納米絕緣電介質(zhì)復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟二烘干溫度為50°C，烘干時(shí)間為24小時(shí)。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種聚合物納米絕緣電介質(zhì)復(fù)合材料的制備方法，其特征在于混煉溫度控制在110°C,混煉時(shí)間為15?20分鐘。
【文檔編號(hào)】C08L23/06GK105837889SQ201610152947
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年3月17日
【發(fā)明人】宋淑偉, 牟雨婷, 趙洪, 韓寶忠, 王暄, 薛佳瑩, 張城城
【申請(qǐng)人】哈爾濱理工大學(xué)