CN102585506A - 一种具有优良耐电弧性能的硅橡胶及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有优良耐电弧性能的硅橡胶，原料及重量份数配比为：硅橡胶生胶：100份；ATH：50～200份；BN：25～100份；硫化剂：0.5～3.5份；TAIC：1～3份；羟基硅油：1～5份；硅烷偶联剂：1～5份/100份无机填料；无机填料由ATH和BN组成。本发明将乳液直接与硅橡胶生胶在双辊炼胶机上进行乳液共混，既可以提分散性，又可以避免纳米粒子飞扬；在填充ATH基础上加入BN，在高压小电流耐电弧实验后，损失质量更小，并且电弧烧蚀过程中，电弧始终游离于材料表面，并且表面材料不发生燃烧现象，实验过后，材料表面仅出现微微发黄现象，电极附近出现极少量的黑色残留物。
Description
【技术领域】
本发明属于电气绝缘高分子材料领域，特别涉及一种硅橡胶及其制备方法。
【背景技术】
硅橡胶材料具有非常优秀的综合性能，在电气绝缘领域有着非常广泛的应用，并且近些年呈现不断上升的趋势。由于硅橡胶主链由硅氧键组成，硅氧键具有比C-C键更大的键能，并且Si元素本身不具有燃烧性，因此硅橡胶具有非常优秀的性能，比如它的耐热性、耐寒性、耐臭氧老化、耐候性以及良好的电绝缘性能、及耐电晕性和耐电弧性。与此同时，硅橡胶还具有非常宽的使用温度范围，可以从-50℃至300℃，这些都决定了硅橡胶是一种非常优秀的电气绝缘材料。
目前，硅橡胶广泛的应用于高压电力设备，尤其是在硅橡胶复合绝缘子以及硅橡胶电缆附件中。在高压电力设备运行过程中，经常在绝缘材料表面出现电弧燃烧的现象，例如最常见的绝缘子表面的干带放电现象，以及可带电插拔电缆接头在插拔过程中形成电弧的现象。虽然硅橡胶本身具有一定的耐电晕性及耐电弧性，但是在这种电弧烧蚀的情况下，它本身的耐电弧性是远不能满足要求的。因此，提高硅橡胶的耐电弧性能是非常需要解决的问题，可以有效地提高电力设备的运行寿命，减少绝缘失效导致的故障问题。
目前普遍采用的提高硅橡胶耐电弧性能的方法是加入氢氧化铝(ATH)填料。Yong Zhu等使用高压小电流耐电弧烧蚀实验测试了不同氢氧化铝填充量的硅橡胶样品，其中包括未填充氢氧化铝的样品，发现填充量越大，最终烧蚀损失质量越小。参见Yong Zhu，Masahisa Otsubo，Chikahisa Honda，Akinori Ohno，Suppression effect of ATH filler on the erosion of filled silicone rubber exposed todry band arc discharge，Polymer Testing，2005；24：893-899。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种具有优良耐电弧性能的硅橡胶以及其制备方法，采氢氧化铝(ATH)和氮化硼(BN)颗粒混合填充硅橡胶，得到了耐电弧性能非常好的硅橡胶复合材料。
为实现上述目的，本发明一种具有优良耐电弧性能的硅橡胶采用如下技术方案：
一种具有优良耐电弧性能的硅橡胶，所述硅橡胶构成原料及重量份数配比为：
硅橡胶生胶：100份；ATH：50～200份；BN：25～100份；硫化剂：0.5～3.5份；TAIC：1～3份；羟基硅油：1～5份；硅烷偶联剂：1～5份/100份无机填料；无机填料由ATH和BN组成。
本发明进一步的改进在于：ATH和BN的比例为(1～4)∶1。
本发明进一步的改进在于：ATH粒径为50nm，BN粒径为50nm。
本发明进一步的改进在于：硫化剂为双-2，5硫化剂，硅烷偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷。
本发明进一步的改进在于：包括以下成分和重量份：
硅橡胶生胶：100份；ATH：100份；BN：100份；硫化剂：1份；TAIC：1份；羟基硅油：1份；硅烷偶联剂：10份。
为实现上述目的，本发明一种具有优良耐电弧性能的硅橡胶的制备方法，采用如下技术方案：
一种具有优良耐电弧性能的硅橡胶的制备方法，包括以下步骤：
1)取乙醇倒入烧杯，将硅烷偶联剂加入乙醇中，调节溶液pH值至4～5，加入水，搅拌使硅烷偶联剂充分水解，得到溶液A；将无机填料加入溶液A中，搅拌均匀，得到乳液B；
2)将硅橡胶生胶置于双辊炼胶机上，包辊后逐渐加入乳液B，得到硅橡胶生胶与乳液B的共混物，之后加热辊筒，使共混物中的乙醇全部挥发；
3)待辊筒温度降至30℃以下，依次加入羟基硅油、TAIC和双-2，5硫化剂，反复混炼至均匀，得到混炼胶；
4)将混炼胶放入金属模具中，使用平板硫化剂进行一段热压硫化；
5)一段硫化成型后，放入鼓风烘箱中进行二段硫化，冷却后取出即得成品。
本发明进一步的改进在于：步骤4)中一段热压硫化温度为165±5℃，压力10MPa，时间15min；步骤5)中二段硫化温度为200℃，时间4小时。
本发明进一步的改进在于：步骤1)中加入乙醇的质量份数大于无机填料质量份数的1.25倍。
本发明进一步的改进在于：步骤1)中加入醋酸调节溶液pH值至4～5；醋酸的添加量为乙醇的质量份数的五百分之一。
本发明进一步的改进在于：步骤1)中加入水的质量份数为硅烷偶联剂质量分数的20％～30％。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：
1)与传统的直接将纳米粒子在双辊炼胶机上进行熔融共混相比，本方法中，将纳米粒子的表面处理、纳米粒子与硅橡胶混合两个步骤相结合，将处理纳米粒子得到的乳液直接与硅橡胶在双辊炼胶机上进行乳液共混，这样既可以提高纳米粒子在硅橡胶中的分散性，又可以避免传统熔融共混法中纳米粒子飞扬对人体健康造成危害。
2)在填充ATH基础上，又加入BN，在高压小电流耐电弧实验后，混合填充的硅橡胶损失质量更小，并且电弧烧蚀过程中，电弧始终游离于材料表面，并且表面材料不发生燃烧现象，实验过后，材料表面仅出现微微发黄现象，在电极附近产生极少量的黑色残留物。仅填充ATH的硅橡胶在实验过程中不形成导电通道，但是表面电极附近的材料会出现燃烧分解，实验结束，材料表面形成明显的凹坑。仅填充BN的试样表面在实验过程中快速形成导电通道，通道形成时表面出现燃烧现象，形成火光。
【附图说明】
图1是实施例1与对比例1的耐电弧烧蚀实验结果对比图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明进行详细描述：
实施例1：
1)取质量份数各为100份(相对于硅橡胶100份)的纳米ATH和纳米BN粒子进行表面处理：取250份乙醇倒入烧杯，将10份硅烷偶联剂加入乙醇中，再加入0.5份醋酸和2.4份水，调节溶液pH值至4～5，用高速搅拌机搅拌(10min)使硅烷偶联剂充分水解，得到溶液A；将ATH和BN粒子加入溶液A中，用高速搅拌机搅拌(20min)，得到乳液B；
2)将乳液B与硅橡胶生胶进行乳液共混：取质量份数为100份硅橡胶生胶置于双辊炼胶机，包辊后加入乳液B，得到硅橡胶生胶与无机粒子乳液的共混物，之后加热辊筒，使共混物中的乙醇全部挥发；
3)加入其他助剂：待辊筒温度降至30℃以下，依次加入羟基硅油1份、TAIC(三烯丙基异三聚氰酸酯)1份和双-2，5硫化剂1份，反复混炼至均匀，得到混炼胶；
4)将混炼胶放入2mm厚金属模具中，使用平板硫化剂进行一段热压硫化，硫化温度165±5℃，压力10MPa，时间15min；
5)一段硫化成型后，放入鼓风烘箱中进行二段硫化，硫化温度200℃，时间4小时，冷却后取出即得成品。
其中，步骤1)中纳米ATH和纳米BN粒子的平均粒径均为50nm。
实施例2～9的制备步骤与反应条件与实施例1相同，各反应物的添加比例不同，详见表1。
表1实施例2～9各反应物比例
比较例1：
与实施例1不同之处：填充粒子为ATH，质量份数分别为50份，75份，100份，150份，步骤1中乙醇质量份数分别为25份、37.5份、50份、75份，硅烷偶联剂分别为2.5份、3.75份、5份、7.5份，醋酸分别为0.05份、0.075份、0.1份、0.15份，水分别为0.6份、0.9份、1.2份、1.5份，其他制备过程与实施例1相同。
比较例2：
与实施例1不同之处：填充粒子为BN，质量份数分别为25份，50份，75份，100份，步骤1中乙醇质量份数分别为50份、100份、150份、200份，硅烷偶联剂分别为1.25份、2.5份、3.75份、5份，醋酸分别为0.1份、0.2份、0.3份、0.4份，水分别为0.3份、0.6份、0.9份、1.2份，其他制备过程与实施例1相同。
下面是通过高压小电流耐电弧实验评价得到的结果：
图1是实施例1与比较例1在实验结束后损失质量的比较图。其中，随着ATH填充量增加，硅橡胶实验后损失质量减少，而本发明实施例1硅橡胶中添加ATH和BN使损失质量进一步大幅度下降。
在耐电弧烧蚀实验中，实施例1～9所制备的硅橡胶在电弧烧蚀过程中，电弧始终游离于材料表面，并且表面材料不发生燃烧现象，实验过后，材料表面仅出现微微发黄现象。
在耐电弧烧蚀实验中，对比例1各个不同填充份数的硅橡胶均在表面形成带火光的电弧，材料表面均出现燃烧分解，只是填充量越大，这种燃烧越不易向远离电极的方向发展，所以实验后损失质量也越少。
在耐电弧烧蚀实验中，对比例2各个不同填充份数的硅橡胶均在表面迅速形成导电通道，在整个导电通道上燃起火焰，只是填充量越大，形成的导电通道越细。
Claims (10)
1.一种具有优良耐电弧性能的硅橡胶，其特征在于，所述硅橡胶构成原料及重量份数配比为：
硅橡胶生胶：100份；
ATH：50～200份；
BN：25～100份；
硫化剂：0.5～3.5份；
TAIC：1～3份；
羟基硅油：1～5份；
硅烷偶联剂：1～5份/100份无机填料；
无机填料由ATH和BN组成。
2.根据权利要求1所述的一种具有优良耐电弧性能的硅橡胶，其特征在于，ATH和BN的比例为(1～4)∶1。
3.根据权利要求1所述的一种具有优良耐电弧性能的硅橡胶，其特征在于，ATH粒径为50nm，BN粒径为50nm。
4.根据权利要求1所述的一种具有优良耐电弧性能的硅橡胶，其特征在于，硫化剂为双-2，5硫化剂，硅烷偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷。
5.根据权利要求1所述的一种具有优良耐电弧性能的硅橡胶，其特征在于，包括以下成分和重量份：
硅橡胶生胶：100份；
ATH：100份；
BN：100份；
硫化剂：1份；
TAIC：1份；
羟基硅油：1份；
硅烷偶联剂：10份。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的一种具有优良耐电弧性能的硅橡胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)取乙醇倒入烧杯，将硅烷偶联剂加入乙醇中，调节溶液pH值至4～5，加入水，搅拌使硅烷偶联剂充分水解，得到溶液A；将无机填料加入溶液A中，搅拌均匀，得到乳液B；
2)将硅橡胶生胶置于双辊炼胶机上，包辊后逐渐加入乳液B，得到硅橡胶生胶与乳液B的共混物，之后加热辊筒，使共混物中的乙醇全部挥发；
3)待辊筒温度降至30℃以下，依次加入羟基硅油、TAIC和双-2，5硫化剂，反复混炼至均匀，得到混炼胶；
4)将混炼胶放入金属模具中，使用平板硫化剂进行一段热压硫化；
5)一段硫化成型后，放入鼓风烘箱中进行二段硫化，冷却后取出即得成品。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中一段热压硫化温度为165±5℃，压力10MPa，时间15min；步骤5)中二段硫化温度为200℃，时间4小时。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中加入乙醇的质量份数大于无机填料质量份数的1.25倍。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中加入醋酸调节溶液pH值至4～5；醋酸的添加量为乙醇的质量份数的五百分之一。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中加入水的质量份数为硅烷偶联剂质量分数的20％～30％。
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