CN103214850A - 一种混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料 - Google Patents
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Abstract
一种混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料，它涉及一种橡胶基非线性电介质材料。它要解决现有硅橡胶基电导非线性复合材料因非线性功能填料掺量大而引起的击穿强度低、物理—机械性能差的问题。本发明非线性绝缘材料由混炼硅橡胶、非线性功能填料、气相法白炭黑、纳米三氧化二铁、二苯基硅二醇和有机过氧化物制成，非线性功能填料由纳米氧化锌、纳米二氧化钛、纳米碳化硅、碳纳米管、导电炭黑和纳米石墨组成。制备得到的非线性绝缘材料的交流击穿强度不小于30kV/mm，直流击穿强度不小于60kV/mm，最大非线性系数6～18，拉伸强度不小于9.0MPa，断裂伸长率不小于200%。本发明主要用于高压复合绝缘材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种橡胶基非线性电介质材料。
背景技术
硅橡胶具有电绝缘性能好，耐高低温，耐臭氧老化、氧老化、光老化、气候老化，憎水性好，耐燃烧等优点，因而在电气绝缘领域得到广泛应用。将聚合物，如聚烯烃、橡胶、环氧树脂等与某些功能无机填料复合，可制得非线性绝缘材料，由于非线性绝缘材料的电导率或（和）介电常数能随外施电场强度的增大而提高，电导或（和）介电常数呈非线性，因而其在非均匀电场中具有自行均化电场分布的能力，能有效抑制空间电荷的产生及电树枝的形成与生长，显著提高绝缘性能。
现有的聚烯烃基非线性复合材料是由聚烯烃树脂与一种或多种填料共混制得，具有非线性电导或（和）非线性介电常数。受基体树脂聚烯烃自身性能的影响，聚烯烃基非线性复合材料的应用领域受到限制，无法应用到某些需使用橡胶制品的场合。
在2009年《功能材料》第10期第40卷《电场处理对碳化硅/聚合物复合材料电导特性的影响》和博士后研究工作报告《聚合物基非线性复合材料制备过程中施加电、磁场对其性能及微观结构的影响》中公开了碳化硅/硅橡胶复合材料具有电导非线性特性，其文中应用的碳化硅分别为平均粒径7μm～10μm和20μm～30μm的微米碳化硅和纳米碳化硅。文中碳化硅的最小添加量为11.1Vol%，计算时碳化硅和液体硅橡胶的比重分别确定为3.2g/cm3和1.0g/cm3，也即实际配方是在100份液体硅橡胶中至少添加40份的微米或纳米碳化硅。公开的文献只是从理论研究的角度指出所研究的碳化硅/硅橡胶具有电导非线性特性，没有介绍该材料的其它性能，但因碳化硅的添加量很大，导致碳化硅/硅橡胶复合材料出现以下问题：（1）复合材料击穿强度低，直流击穿强度不超过10kV/mm，不能应用于高电压绝缘；（2）复合材料的机械性能不好，拉伸断裂强度小于2.5MPa，断裂伸长率小于40%；（3）复合材料粘度大，搅拌混合困难，不易排除气泡。同时虽然文献中也介绍了添加炭黑能提高微米碳化硅/硅橡胶复合材料的电导非线性特性，但所提及的材料中碳化硅和炭黑添加量最少的材料为：碳化硅的添加量15.8Vol%，炭黑的添加量1.3Vol%，也即该材料的配方为98.5份硅橡胶、60份微米碳化硅、3份炭黑，炭黑比重设为2.0g/cm3。由于添加的碳化硅更多，且又添加了炭黑，得到的碳化硅/硅橡胶复合材料的直流击穿强度也不超过10kV/mm；机械性能更加不好，拉伸断裂强度和断裂伸长率分别为1.5MPa和20%，同时又因复合材料的粘度大，加大了搅拌混合和排气的难度。
现有的硅橡胶基电导非线性复合材料中的非线性功能填料多为一种或两种组分，且功能填料的掺量较大，从而使非线性复合材料的击穿强度低、物理―机械性能较差，以致其很难应用于高电压绝缘。
发明内容
本发明目的是为了解决现有硅橡胶基电导非线性复合材料因非线性功能填料掺量大而引起的击穿强度低、物理―机械性能差的问题，而提供一种混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料。
本发明混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份混炼硅橡胶，10～20份非线性功能填料，5～20份气相法白炭黑，0.5～3份纳米三氧化二铁，0.5～5份二苯基硅二醇和0.5～1.5份有机过氧化物制成，非线性功能填料由纳米氧化锌、纳米二氧化钛、纳米碳化硅、碳纳米管、导电炭黑和纳米石墨组成；
其中混炼硅橡胶为热硫化混炼型硅橡胶，气相法白炭黑的粒径为10nm～100nm，纳米三氧化二铁的粒径为10nm～100nm，纳米氧化锌的粒径为10nm～100nm，纳米二氧化钛的粒径为10nm～100nm，纳米碳化硅的粒径为10nm～100nm，碳纳米管为直径5nm～80nm、管长1μm～15μm的单臂碳纳米管、双臂碳纳米管或多壁碳纳米管，导电炭黑的粒径为10nm～100nm，纳米石墨的片厚为10nm～100nm、片径为1μm～2μm。
采用开炼机或密炼机将混炼硅橡胶与各种填料在70℃以下混合均匀，成型后经硫化得到混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料。
本发明采用多种非线性功能填料复配，充分发挥各功能填料的协同效应，100份混炼硅橡胶中添加的非线性功能填料不超过20份，制备得到的混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料的交流击穿强度不小于30kV/mm，直流击穿强度不小于60kV/mm，在8kV/mm以下电场中下体积电阻率不小于1013Ω·m，最大非线性系数6～18，拉伸强度不小于9.0MPa，断裂伸长率不小于200%。本发明主要用于高压复合绝缘材料。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份混炼硅橡胶，10～20份非线性功能填料，5～20份气相法白炭黑，0.5～3份纳米三氧化二铁，0.5～5份二苯基硅二醇和0.5～1.5份有机过氧化物制成，非线性功能填料由纳米氧化锌、纳米二氧化钛、纳米碳化硅、碳纳米管、导电炭黑和纳米石墨组成；
其中混炼硅橡胶为热硫化混炼型硅橡胶，气相法白炭黑的粒径为10nm～100nm，纳米三氧化二铁的粒径为10nm～100nm，纳米氧化锌的粒径为10nm～100nm，纳米二氧化钛的粒径为10nm～100nm，纳米碳化硅的粒径为10nm～100nm，碳纳米管为直径5nm～80nm、管长1μm～15μm的单臂碳纳米管、双臂碳纳米管或多壁碳纳米管，导电炭黑的粒径为10nm～100nm，纳米石墨的片厚为10nm～100nm、片径为1μm～2μm。
本实施方式所用原料均为市售产品，非线性功能填料均为纳米材料，由于纳米材料颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大，具有独特的量子尺寸效应、表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。非线性功能填料纳米氧化锌、纳米二氧化钛、纳米碳化硅、碳纳米管、导电炭黑和纳米石墨可按任意比组成，本发明充分发挥各纳米功能填料的协同效应，得到混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料的交流击穿强度不小于30kV/mm，直流击穿强度不小于60kV/mm，在8kV/mm以下电场中下体积电阻率不小于1013Ω·m，最大非线性系数6～18，拉伸强度不小于9.0MPa，断裂伸长率不小于200%的非线性绝缘材料。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是有机过氧化物为过氧化苯甲酰、过氧化二叔丁基、过氧化二异丙苯或2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷。其它参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份混炼硅橡胶，12～18份非线性功能填料，5～20份气相法白炭黑，0.5～3份纳米三氧化二铁，0.5～5份二苯基硅二醇和0.5～1.5份有机过氧化物制成。其它参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份混炼硅橡胶，12～18份非线性功能填料，5～20份气相法白炭黑，0.5～3份纳米三氧化二铁，0.5～5份二苯基硅二醇和0.5～1.5份有机过氧化物制成，非线性功能填料中含有0.5～3份的纳米二氧化钛。其它参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份混炼硅橡胶，19份非线性功能填料，5～20份气相法白炭黑，0.5～3份纳米三氧化二铁，0.5～5份二苯基硅二醇和0.5～1.5份有机过氧化物制成，非线性功能填料中含有5～15份的纳米氧化锌。其它参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份混炼硅橡胶，16份非线性功能填料，5～20份气相法白炭黑，0.5～3份纳米三氧化二铁，0.5～5份二苯基硅二醇和0.5～1.5份有机过氧化物制成，非线性功能填料中含有4～6份的纳米氧化锌和6～8份的纳米碳化硅。其它参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份混炼硅橡胶，10～20份非线性功能填料，5～20份气相法白炭黑，0.5～3份纳米三氧化二铁，0.5～5份二苯基硅二醇和0.5～1.5份有机过氧化物制成，非线性功能填料中含有0.5～3份的导电炭黑。其它参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份混炼硅橡胶，19.5份非线性功能填料，5～20份气相法白炭黑，0.5～3份纳米三氧化二铁，0.5～5份二苯基硅二醇和0.5～1.5份有机过氧化物制成，非线性功能填料由10份纳米氧化锌、2份纳米二氧化钛、6份纳米碳化硅、0.5份碳纳米管、0.5份导电炭黑和0.5份纳米石墨组成。其它参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是气相法白炭黑的粒径为20nm～40nm，纳米三氧化二铁的粒径为50nm～70nm，纳米氧化锌的粒径为30nm～50nm，纳米二氧化钛的粒径为40nm～60nm，纳米碳化硅的粒径为30nm～60nm，碳纳米管为直径10nm～20nm、管长5μm～15μm的多臂碳纳米管，导电炭黑的粒径为20nm～40nm，纳米石墨的片厚为40nm～60nm、片径为1μm～2μm。其它参数与具体实施方式一相同。
实施例一：本实施例混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份混炼硅橡胶，非线性功能填料，15份气相法白炭黑，1份纳米三氧化二铁，3份二苯基硅二醇和1.5份过氧化苯甲酰制成，非线性功能填料由10份纳米氧化锌、2份纳米二氧化钛、6份纳米碳化硅、0.5份碳纳米管、0.5份导电炭黑和0.5份纳米石墨组成；
其中混炼硅橡胶为分子量为（60～80）×104的甲基乙烯基硅橡胶，气相法白炭黑的粒径为30nm～60nm，纳米三氧化二铁的粒径为30nm～60nm，纳米氧化锌的粒径为20nm～50nm，纳米二氧化钛的粒径为40nm～60nm，纳米碳化硅的粒径为30nm～60nm，碳纳米管为直径5nm～10nm、管长5μm～15μm的单臂碳纳米管，导电炭黑的粒径为20nm～40nm，纳米石墨的片厚为40nm～60nm、片径为1μm～2μm。
采用开炼机将混炼硅橡胶与各种填料在60℃下混合均匀，成型后经硫化得到混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料。
本实施例得到的混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料在8kV/mm以下电场中体积电阻率为5×1013Ω·m，交流击穿强度为31kV/mm，直流击穿强度为62kV/mm，最大非线性系数为17，拉伸强度为11.8MPa，断裂伸长率为230%。
实施例二：本实施例混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份混炼硅橡胶，非线性功能填料，10份气相法白炭黑，1.5份纳米三氧化二铁，2份二苯基硅二醇和1.2份过氧化二异丙苯制成，非线性功能填料由5份纳米氧化锌、1份纳米二氧化钛、7份纳米碳化硅、1份碳纳米管、0.5份导电炭黑和1份纳米石墨组成；
其中混炼硅橡胶为分子量为（45～70）×104的甲基-苯基-乙烯基硅橡胶，气相法白炭黑的粒径为20nm～50nm，纳米三氧化二铁的粒径为45nm～70nm，纳米氧化锌的粒径为40nm～60nm，纳米二氧化钛的粒径为50nm～70nm，纳米碳化硅的粒径为40nm～60nm，碳纳米管为直径10nm～20nm、管长5μm～10μm的双臂碳纳米管，导电炭黑的粒径为20nm～45nm，纳米石墨的片厚为20nm～40nm、片径为1μm～2μm。
采用开炼机将混炼硅橡胶与各种填料在70℃下混合均匀，成型后经硫化得到混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料。
本实施例得到的混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料在8kV/mm以下电场中体积电阻率为2×1014Ω·m，交流击穿强度为33kV/mm，直流击穿强度为65kV/mm，最大非线性系数为12.7，拉伸强度为10.2MPa，断裂伸长率为280%。
实施例三：本实施例混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份混炼硅橡胶，非线性功能填料，20份气相法白炭黑，1.5份纳米三氧化二铁，3份二苯基硅二醇和1.5份2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷制成，非线性功能填料由3份纳米氧化锌、0.5份纳米二氧化钛、4份纳米碳化硅、1份碳纳米管、1份导电炭黑和0.5份纳米石墨组成；
其中混炼硅橡胶为分子量为（40～60）×104的氟硅橡胶，气相法白炭黑的粒径为20nm～40nm，纳米三氧化二铁的粒径为50nm～70nm，纳米氧化锌的粒径为30nm～50nm，纳米二氧化钛的粒径为40nm～60nm，纳米碳化硅的粒径为30nm～60nm，碳纳米管为直径10nm～20nm、管长5μm～15μm的多臂碳纳米管，导电炭黑的粒径为20nm～40nm，纳米石墨的片厚为40nm～60nm、片径为1μm～2μm。
采用密炼机将混炼硅橡胶与各种填料在50℃下混合均匀，成型后经硫化得到混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料。
本实施例得到的混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料在8kV/mm以下电场中体积电阻率为5×1014Ω·m，交流击穿强度为32kV/mm，直流击穿强度为63kV/mm，最大非线性系数为8.1，拉伸强度为10.8MPa，断裂伸长率为270%。
Claims (9)
1.一种混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料，其特征在于混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份混炼硅橡胶，10～20份非线性功能填料，5～20份气相法白炭黑，0.5～3份纳米三氧化二铁，0.5～5份二苯基硅二醇和0.5～1.5份有机过氧化物制成，非线性功能填料由纳米氧化锌、纳米二氧化钛、纳米碳化硅、碳纳米管、导电炭黑和纳米石墨组成；
其中混炼硅橡胶为热硫化混炼型硅橡胶，气相法白炭黑的粒径为10nm～100nm，纳米三氧化二铁的粒径为10nm～100nm，纳米氧化锌的粒径为10nm～100nm，纳米二氧化钛的粒径为10nm～100nm，纳米碳化硅的粒径为10nm～100nm，碳纳米管为直径5nm～80nm、管长1μm～15μm的单臂碳纳米管、双臂碳纳米管或多壁碳纳米管，导电炭黑的粒径为10nm～100nm，纳米石墨的片厚为10nm～100nm、片径为1μm～2μm。
2.根据权利要求1所述的一种混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料，其特征在于有机过氧化物为过氧化苯甲酰、过氧化二叔丁基、过氧化二异丙苯或2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷。
3.根据权利要求1所述的一种混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料，其特征在于混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份混炼硅橡胶，12～18份非线性功能填料，5～20份气相法白炭黑，0.5～3份纳米三氧化二铁，0.5～5份二苯基硅二醇和0.5～1.5份有机过氧化物制成。
4.根据权利要求1所述的一种混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料，其特征在于混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份混炼硅橡胶，12～18份非线性功能填料，5～20份气相法白炭黑，0.5～3份纳米三氧化二铁，0.5～5份二苯基硅二醇和0.5～1.5份有机过氧化物制成，非线性功能填料中含有0.5～3份的纳米二氧化钛。
5.根据权利要求1所述的一种混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料，其特征在于混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份混炼硅橡胶，19份非线性功能填料，5～20份气相法白炭黑，0.5～3份纳米三氧化二铁，0.5～5份二苯基硅二醇和0.5～1.5份有机过氧化物制成，非线性功能填料中含有5～15份的纳米氧化锌。
6.根据权利要求1所述的一种混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料，其特征在于混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份混炼硅橡胶，16份非线性功能填料，5～20份气相法白炭黑，0.5～3份纳米三氧化二铁，0.5～5份二苯基硅二醇和0.5～1.5份有机过氧化物制成，非线性功能填料中含有4～6份的纳米氧化锌和6～8份的纳米碳化硅。
7.根据权利要求1所述的一种混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料，其特征在于混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份混炼硅橡胶，10～20份非线性功能填料，5～20份气相法白炭黑，0.5～3份纳米三氧化二铁，0.5～5份二苯基硅二醇和0.5～1.5份有机过氧化物制成，非线性功能填料中含有0.5～3份的导电炭黑。
8.根据权利要求1所述的一种混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料，其特征在于混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份混炼硅橡胶，19.5份非线性功能填料，5～20份气相法白炭黑，0.5～3份纳米三氧化二铁，0.5～5份二苯基硅二醇和0.5～1.5份有机过氧化物制成，非线性功能填料由10份纳米氧化锌、2份纳米二氧化钛、6份纳米碳化硅、0.5份碳纳米管、0.5份导电炭黑和0.5份纳米石墨组成。
9.根据权利要求1至8任一项所述的一种混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料，其特征在于气相法白炭黑的粒径为20nm～40nm，纳米三氧化二铁的粒径为50nm～70nm，纳米氧化锌的粒径为30nm～50nm，纳米二氧化钛的粒径为40nm～60nm，纳米碳化硅的粒径为30nm～60nm，碳纳米管为直径10nm～20nm、管长5μm～15μm的多臂碳纳米管，导电炭黑的粒径为20nm～40nm，纳米石墨的片厚为40nm～60nm、片径为1μm～2μm。
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