CN101609725A - 纳米导电精 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的纳米导电精，包括液体型和膏体型。其中液体型纳米导电精主要由聚烷基邻苯二酚酞与聚烷基噻吩、不干油组成，并采用以下质量百分比的含量：聚烷基邻苯二酚酞45～65％、聚烷基噻吩25～35％、不干油10～30％；膏体型纳米导电精，主要由以下质量百分比的组分组成：聚烷基邻苯二酚酞50～70％、聚烷基噻吩25～45％、改性黏土3～15％、纳米TiO2 1～10％。本发明不含导电石墨粉和金属粉末，具有优良的防腐、导电、降阻、抗磨性能，并能减弱动触头粘灰拉弧、减轻接头冰冻，环保节能，能用于强弱电电接头的电接触导电与电接触保护。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米导电精，特别涉及一种用作电接头保护材料的液体型纳米导电精和膏体型纳米导电精。
背景技术
电器设备的接头发热，直接影响着供用电系统的稳定与安全，严重时会引发供用电故障或电器火灾、瓦斯爆炸、汽车自燃与汽车电路事故等，给企业生产和人民生活造成一定的影响与损失。不论是500kv、220kv、35kv、10kv主、配网的输变电设备，还是380v、220v的生产生活用电设备，甚至是弱电压的电子仪器，都会因接头的氧化腐蚀以及动接触磨损而使其接触电阻逐渐变大，导致其接头发热更加严重。而金属接头的腐蚀和动接触磨损是不可避免的，最初，人们采用在接头上涂抹凡士林的办法来控制接头的氧化腐蚀和动接触磨损，可凡士林没有导电性，且熔点只有54℃易于流失。于是人们开始在凡士林等矿物油中添加如导电石墨粉、金属Al粉、Zn粉、Cu粉、Ag粉等可导电的粉末，配制成现在的通用导电膏，也称导电脂、电力脂、电力复合脂、电力密封脂等，其中的矿物油作为粘合剂起防腐蚀作用、导电石墨粉和金属粉末等起导电作用。但在使用过程中，这种导电膏中起导电作用的粉末颗粒会对动接触面造成划痕，损伤接触面，减少接触面积，人为增大接触电阻；且导电膏中的矿物油受热后容易流失、变干、结焦，金属粉末裸露后更易被氧化腐蚀，使其自身电阻变大，出现发热或温升现象。同时，金属粉末也可能引发金属接头的自身电化学腐蚀，使得接触电阻变大。而温度的升高又会加快金属粉末和接头触面的氧化腐蚀，形成周而复始的恶性循环，最终成为有害的电接触破坏性介质，如未及时处理，必将导致用电故障或火灾事故。同时，接头发热会消耗电能，造成有功损耗和线路压降，影响输变电系统的稳定性与安全性。在我国北方地区，空气干燥且灰尘较多，矿物油还极易吸尘粘灰，动接头分合时会拉弧放电，导致触头被烧坏。矿井空气潮湿，开关和接头腐蚀严重，接头在严重发热和接触不良放电时极易引发瓦斯爆炸。汽车电路接头、特别是与车身搭铁接头，环境恶劣，极易被环境物质腐蚀和发生电化学腐蚀，致使接头严重发热和接触不良时产生间歇式脉冲强电流引起电路短路等，引发油污燃烧，导致汽车自燃。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服以上的不足，提供一种不含导电石墨粉和金属粉末，防腐、导电、降阻、抗磨性能优异，并能减弱动触头粘灰拉弧、减轻接头冰冻，环保节能，能用于强弱电电接头的电接触导电与电接触保护的纳米导电精。
本发明采用的技术方案是以防腐性能优良的导电高分子聚烷基邻苯二酚酞和导电性能优异的导电高分子聚烷基噻吩为主要组分，根据使用要求不同，添加不干油、改性黏土、纳米TiO2等辅助组分，分别制成液体型纳米导电精和膏体型纳米导电精。
方案之一为液体型纳米导电精，主要由聚烷基邻苯二酚酞与聚烷基噻吩、不干油组成，并采用以下质量百分比的含量：聚烷基邻苯二酚酞45～65％、聚烷基噻吩25～35％、不干油10～30％；
所述聚烷基邻苯二酚酞为聚十五烷基邻苯二酚酞与聚十七烷基邻苯二酚酞中的一种或几种。所述聚烷基噻吩为聚八烷基至十八烷基噻吩中的一种或几种。
液体型纳米导电精的组分及含量优选为：聚3-十五烷基邻苯二酚酞50％、聚十二烷基噻吩25％、不干油(HH-99)25％。
方案之二为膏体型纳米导电精，主要由以下质量百分比的组分组成：聚烷基邻苯二酚酞50～70％、聚烷基噻吩25～45％、改性黏土3～15％、纳米TiO2 1～10％；
所述聚烷基邻苯二酚酞为聚十五烷基邻苯二酚酞与聚十七烷基邻苯二酚酞中的一种或几种。所述聚烷基噻吩为聚八烷基至十八烷基噻吩中的一种或几种。所述改性黏土为改性蒙脱土、改性蛇纹石、改性伊利石、改性滑石、改性云母中的一种或几种。
膏体型纳米导电精的组分及含量优选为：聚3-十五烷基邻苯二酚酞60％、聚十二烷基噻吩35％、改性蒙脱土3.5％、纳米TiO2 1.5％。
所述聚3-十五烷基邻苯二酚酞的分子结构式为：
聚3-十五烷基邻苯二酚钛是具有优良防腐性能的导电高分子交联螯合物，在其制备时，控制反应物的浓度与反应条件，可以得到稠度不同的粘性聚3-十五烷基邻苯二酚钛，分别用于生产液体型纳米导电精和膏体型纳米导电精。聚3-十五烷基邻苯二酚钛与适量的改性黏土插层复合后，其耐特高温稳定性大大增强，且导电性有所提高，可能是同时发生了化学掺杂反应。
聚3-十五烷基邻苯二酚酞由以下方法制备：
1)、将3-十五碳三烯基邻苯二酚〔CH3CH＝CHCH＝CHCH2CH＝CH(CH2)7C6H3(OH)2〕和/或3-十五碳双烯基邻苯二酚〔CH3(CH2)2CH＝CHCH2CH＝CH(CH2)7C6H3(OH)2〕和/或3-十五碳单烯基邻苯二酚〔CH3(CH2)5CH＝CH(CH2)7C6H3(OH)2〕50g(总量)与100ml二甲苯溶液加于容器内混合均匀；
2)、在N2气氛中边搅拌边加入8％～12％(质量百分比)的TiCl4的二甲苯溶液，至反应物逐渐从暗褐色变为鲜艳的红色时停止；
3)、加入沸石，通入空气O2，搅拌，然后改通CO2气体，使反应物升温到100～140℃，保持此温度下高速搅拌，停止加热后过滤，除去溶剂，即得红褐色的粘性聚3-十五烃基邻苯二酚钛；其化学反应式为：
上述反应式中R代表十五碳原子的直链烃基(含0～3个双键)类，其中直链烯烃基的氧化交联反应式为：
实验表明，用3-十五碳三烯烃基邻苯二酚或/和3-十五碳二烯烃基邻苯二酚或/和3-十五碳单烯烃基邻苯二酚50g(总量)的二甲苯(100ml)溶液与30ml8％(质量百分比)的TiCl4的二甲苯溶液反应，最后通入CO2气体时的反应温度控制在120～140℃，可得较稀的粘性聚3-十五烃基邻二酚钛，用于生产液体型纳米导电精。用3-十五碳三烯烃基邻苯二酚或/和3-十五碳二烯烃基邻苯二酚或/和3-十五碳单烯烃基邻苯二酚50g(总量)的二甲苯(100ml)溶液与12％(质量百分比)的TiCl4的二甲苯溶液反应，最后通入CO2气体时的反应温度控制在100～120℃，可得浓稠的粘性聚3-十五烃基邻二酚钛，用于生产膏体型纳米导电精。
实验表明，在聚3-十五烃基邻二酚酞的制备过程中，随着不同浓度的TiCl4的二甲苯溶液的不断加入，反应物颜色会由鲜艳的深红色逐渐变成深褐色，再变成黑褐色，最后变成黑色沉淀物。该黑褐沉淀物不溶不熔，且没有导电性，可能是十五烯烃基上的不饱和双键全部参与了反应，或是引发了所有不饱和键间的交联聚合反应，形成空间位阻很大的骨架型高聚物的缘故。因此，控制聚3-十五烃基邻苯二酚钛的交联聚合度，是保证产品性能的关键。
4)、聚3-十五烃基邻二酚钛上不饱和烃基的氢化：
在聚3-十五烃基邻二酚钛的制备过程中，长侧链烃基上不饱和键只有部分双键发生了氧化交联等反应，为增强其结构的理化稳定性能，必须将其长链烃基上剩余双键全部进行催化加氢处理。
将8g Ni-Zn骨架镍催化剂加入装有25ml无水C2H5OH的氢化瓶中，然后加入20g聚3-十五烃基邻二酚钛，控制温度在100～120℃进行催化加氢反应后，过滤除去催化剂、蒸发无水C2H5OH，即可得聚3-十五烷基邻苯二酚钛。
为提高聚3-十五烷基邻苯二酚钛的耐高温稳定性，将黏土(指含水层状铝的硅酸盐的总称，包括蒙脱土、蛇纹石、滑石、云母等)改性后加入聚3-十五烷基邻苯二酚钛中，使聚3-十五烷基邻苯二酚钛嵌入黏土层间，利用力学和热力学作用使层状硅酸盐剥离成纳米尺度的片层并均匀分散在聚3-十五烷基邻苯二酚钛中。
在100g聚3-十五烷基邻苯二酚钛中加入5.8g改性蒙脱土和2.5gTiO2，在150℃左右共混90分钟左右，得半流体状的聚3-十五烷基邻苯二酚钛插层物。
结果发现，上述产物耐高温稳定性大大增强，且导电性有所提高，可能是同时发生了化学掺杂反应，其反应机理非常复杂，在此不予讨论。
所述聚十二烷基噻吩的分子结构式为：
化学掺杂后的聚十二烷基噻吩具有优良导电性能。
聚十二烷基噻吩由以下方法制备：
1)在无水无氧的条件下，将4.8g镁粉溶解在50g十二烷基溴的30ml乙醚溶液中，然后加入3-溴噻吩32.6g和适量催化剂Ni(dppp)Cl2制取十二烷基取代噻吩。化学反应式为：
2)在反应器中加入适量N-溴代丁二酰亚胺、10ml乙酸和15ml三氯甲烷，将混合液搅匀，再加入51g十二烷基取代噻吩和过量溴的乙酸溶液20ml反应制得2-溴-3烷基噻吩。化学反应式为：
3)在无水无氧的反应器中加入8g二异丙基胺基锂、30ml四氢呋喃和2g正丁基锂，将混合液搅匀，分别加入30g 2-溴-3烷基噻吩与溴化镁的20ml乙醚溶液，继续搅拌均匀，再加入适量的催化剂Ni(dppp)Cl2，均匀搅拌25-30分钟，充分反应后，加入100ml甲醇溶液，再高速搅拌10-15分钟，离心分离后得到4聚十二烷基噻吩纳米晶体粉末。化学反应式为：
上述反应式中R’＝-(CH2)11CH3。
4)、为了提高聚十二烷基噻吩的导电能力，必须使它的共轭结构产生缺陷，用AsF5进行物理化学掺杂后，减少了禁带宽度，在从π轨道到π’轨道传输电子时能量最低，其电导率能达到半导体或导体的电导率范围，具有优良的导电性能。并有强烈的稳定性。
所述聚十五烷基邻苯二酚酞与聚十七烷基邻苯二酚酞可用对应结构的十五烯烃基邻苯二酚与十七烯烃基邻苯二酚为基本原料制得，其工艺流程及反应条件与聚3-十五烷基邻苯二酚钛的制备方法相同。所得产物同样用改性黏土插层复合，其工艺操作与聚3-十五烷基邻苯二酚钛的插层复合方法相同。
所述聚八烷基至十八烷基噻吩，可用八烷基至十八烷基溴与3-溴噻吩为基本原料制得，其工艺流程及反应条件与聚十二烷基噻吩的制备方法相同。所得产物同样用AsF5掺杂，其操作与聚十二烷基噻吩的掺杂方法相同。
所述聚烷基邻苯二酚酞与所述聚烷基噻吩有较好的互溶性。不干油为液体，用于降低稠度，增加流动性。纳米TiO2具有抗老化与杀菌作用。
本发明的纳米导电精可按以下方法制备：
液体型纳米导电精，将所述聚烷基邻苯二酚酞中的一种或几种与所述聚烷基噻吩中的一种或几种及不干油按合适组分比混合后，在80～100℃的温度下搅拌90分钟左右即可。
膏体纳米导电精，先将所述聚烷基邻苯二酚酞中的一种或几种与改性黏土中的一种或几种、纳米TiO2按合适组分比混合后，在150℃的温度下搅拌90分钟左右，再加入所述聚烷基噻吩中的一种或几种搅拌均匀即可。
本发明的纳米导电精经国家权威检测部门测试：具有优异的防腐、导电、降阻、润滑等性能；其抗氧化、耐高低温等理化性能稳定。其主要技术特性、功能特点与现有国内外产品对比如表1所示：
表1、纳米导电精主要技术特性、功能特点与现有国内外产品对比表：
本发明不含导电石墨粉和金属粉末，是新一类用于强弱电电接触导电与电接触保护的，由全合成导电高分子聚合物为导电素的复合型纳米导电材料，其支链烷烃的润滑性能和憎排水特性使本发明具有优良的抗磨性能和良好的抗冰冻性能；高分子聚合物上支链集团的化学吸附与缓蚀协同作用使本发明具备优良的防腐性能；对其共轭π电子体系结构进行物理化学掺杂后，使本发明具备优异的导电降阻性能。与现有技术相比，本发明还能减弱动触头粘灰拉弧、减轻接头冰冻，环保节能，适用于强弱电电接触导电与电接触保护；涂层超薄的膏体产品，还可用于分合式滑动接头或轴连接式转动接头的防护；耐高低温的液体产品还直接可用于轴连接式转动接头的维护。
具体实施方式
1、实施例1-4为本发明之液体型纳米导电精的配方与组分质量百分比：
实施例1：
聚十七烷基邻苯二酚酞45％、聚八烷基噻吩35％、不干油(HH-99)20％；
实施例2：聚3-十五烷基邻苯二酚酞50％、聚十二烷基噻吩25％、不干油(HH-99)25％；
实施例3：
聚十七烷基邻苯二酚酞45％、聚十烷基噻吩15％、聚十八烷基噻吩10％、不干油(HH-99)30％；
实施例4：
聚十五烷基邻苯二酚酞35％、聚十七烷基邻苯二酚酞30％、聚十五烷基噻吩25％、不干油(HH-99)10％；
2、实施例5-9为本发明之膏体型纳米导电精的配方与组分质量百分比：
实施例5：
聚十五烷基邻苯二酚酞70％、改性蛇纹石4％、纳米TiO2 1％、聚八烷基噻吩25％；
实施例6：
聚十五烷基邻二酚酞45％、改性云母15％、纳米TiO2 10％、聚十烷基噻吩15％、聚十八烷基噻吩15％；
实施例7：
聚十七烷基邻苯二酚酞50％、改性改性滑石3％、纳米TiO2 2％、聚十五烷基噻吩45％；
实施例8：
聚3-十五烷基邻二酚酞60％、改性蒙脱土3.5％、纳米TiO2 1.5％、聚十二烷基噻吩35％；
实施例9：
聚十七烷基邻苯二酚酞25％、聚3-十五烷基邻二酚酞25％、改性伊利石5％、改性蒙脱土5％、纳米TiO2 10％、聚十八烷基噻吩30％。
3、纳米导电精的配制和性能测试：
1)、组分配置：按实施例1-4所示各组分进行配制，将配制好的混合物在80～100℃搅拌90分钟左右，使各组分充分共混均匀制备液体型纳米导电精；按实施例5-9所示各组分，先将对应的聚烷基邻苯二酚酞与对应的改性黏土、纳米TiO2混合后，在150℃的温度下搅拌90分钟左右，再加入对应的聚烷基噻吩，搅拌均匀即可制备膏体型纳米导电精。
2)、纳米导电精涂敷样品前后的接触电阻测试结果见表3、表4。表3、液体型纳米导电精样品涂敷前后的接触电阻(使用HD13B-450V-1500A低压负荷开关，GW-2003接触电阻测试仪、100A恒流)：
表4、膏体型纳米导电精样品涂敷前后的接触电阻(使用HGW9-10kv-630A高压负荷开关，GW-2003接触电阻测试仪、100A恒流)：
3)、耐盐雾腐蚀试验：将实施例1-9的样品均匀涂敷在紫铜板上，经24h盐雾试验后，紫铜板表面均未出现腐蚀斑点。
4)、耐电化学腐蚀试验：将实施例1-9的样品均匀涂敷在50mm×25mm×2mm的不锈钢板上，将试样浸泡在50℃，0.05mol/L的FeCl3盐酸溶液中，24h后，不锈钢板表面未见腐蚀斑点。
从以上的测试结果可以看出，1-4号液体型纳米导电精样品均具有优良的导电降阻性能和防腐蚀性能，其中2号样品的效果最好。5-9号膏体型纳米导电精样品均具有优良的导电降阻性能和防腐蚀性能，其中8号样品的效果最好。
Claims (9)
1、一种液体型纳米导电精，其特征是主要由聚烷基邻苯二酚酞与聚烷基噻吩、不干油组成，并采用以下质量百分比的含量：
聚烷基邻苯二酚酞45～65％、聚烷基噻吩25～35％、不干油10～30％。
2、根据权利要求1所述的液体型纳米导电精，其特征是所述聚烷基邻苯二酚酞为聚十五烷基邻苯二酚酞与聚十七烷基邻苯二酚酞中的一种或几种。
3、根据权利要求1所述的液体型纳米导电精，其特征是所述聚烷基噻吩为聚八烷基至十八烷基噻吩中的一种或几种。
4、一种液体型纳米导电精，其特征是主要由以下质量百分比的组分组成：
聚3-十五烷基邻苯二酚酞50％、聚十二烷基噻吩25％、不干油(HH-99)25％。
5、一种膏体型纳米导电精，其特征是主要由以下质量百分比的组分组成：
聚烷基邻苯二酚酞50～70％、聚烷基噻吩25～45％、改性黏土3～15％、纳米TiO21～10％。
6、根据权利要求5所述的膏体型纳米导电精，其特征是所述聚烷基邻苯二酚酞为聚十五烷基邻苯二酚酞与聚十七烷基邻苯二酚酞中的一种或几种。
7、根据权利要求5所述的膏体型纳米导电精，其特征是所述聚烷基噻吩为聚八烷基至十八烷基噻吩中的一种或几种。
8、根据权利要求5所述的膏体型纳米导电精，其特征是所述改性黏土为改性蒙脱土、改性蛇纹石、改性伊利石、改性滑石、改性云母中的一种或几种。
9、一种膏体型纳米导电精，其特征是主要由以下质量百分比的组分组成：
聚3-十五烷基邻苯二酚酞60％、聚十二烷基噻吩35％、改性蒙脱土3.5％、纳米TiO2 1.5％。
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